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西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测
作 者: 金祖权
导 师: 孙伟;余红发;张云升
学 校: 东南大学
专 业: 材料学
关键词: 混凝土 硫酸盐 氯盐 镁盐 盐湖卤水 碳化 弯曲荷载 单一破坏因素 双重破坏因素 多重破坏因素 相对动弹性模量 重量损失 膨胀率 扩散系数 结合能力 寿命预测
分类号: TU528
类 型: 博士论文
年 份: 2006年
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内容摘要
我国西部地区(特别是盐湖地区)广泛存在高浓度的氯、硫酸根、镁等多种有害离子,以及干冷、干热的严酷气候条件,导致当地混凝土损伤劣化速度明显高于我国其它地区。本文在详细调研的基础上,建立了复合因素作用下混凝土耐久性试验系列新方法和加载系统,依据我国西部地区环境特点,对混凝土承受的损伤劣化因素进行了模拟。在耐久性试验研究的基础上,研究了不同系列混凝土在硫酸盐-氯盐-镁盐-弯曲荷载的单一,双重和多重破坏因素作用下的损伤失效过程和演变规律,建立了反映力学、环境因素与混凝土类型的损伤劣化演化方程。研究了混凝土在氯盐-硫酸盐-镁盐-弯曲荷载单一,双重和多重破坏因素下的氯离子扩散规律,并剖析了不同类型混凝土在不同腐蚀环境下对氯离子结合能力及规律。为提高结构混凝土服役寿命,又基于青海盐湖卤水中混凝土损伤失效和抗氯离子扩散研究,对青海盐湖严酷环境使用的混凝土进行了优选和优化。在耐久性试验研究的基础上,结合理论分析和微观测试手段,深入剖析了混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中,硫酸盐对混凝土氯离子扩散的影响规律和机理,建立了混凝土氯离子扩散系数与硫酸盐浓度、氯盐浓度,时间相关的理论模型;采用XRD-TG-DSC定量分析了不同腐蚀溶液、腐蚀时间下的腐蚀产物;系统分析了混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中的微观、细观和宏观结构演变过程。计算了混凝土硫酸盐-氯盐腐蚀下的微膨胀应力和混凝土临界抗拉强度,建立了混凝土在硫酸盐-氯盐腐蚀下的裂纹形成准则。并以Fick第一定律为基础,综合考虑弯曲荷载、粉煤灰掺量、养护龄期、保护层厚度、温度等综合因素的影响建立了我国西部地区大气环境中基于碳化为主的结构混凝土寿命预测新方程;以Fick第二定律为基础,综合弯曲荷载,混凝土对氯离子的结合能力,特别是荷载-硫酸盐-氯盐的交互作用,建立了多重破坏因素作用下结构混凝土的寿命预测新模型。 (1)复合因素作用下混凝土耐久性试验系列新方法的建立 本文采用浸泡与浸烘循环两种腐蚀制度。以不同浓度的单一硫酸钠、硫酸镁或氯化钠溶液;不同浓度的硫酸盐溶液与固定浓度的氯盐溶液复合;不同浓度的氯盐溶液与固定浓度的硫酸盐溶液复合;青海盐湖卤水溶液为腐蚀溶液。使用新设计的加载体系对混凝土施加不同荷载率的弯曲荷载。采用水溶法和酸溶法测试混凝土中自由氯离子和总氯离子浓度,连续测定混凝土相对动弹性模量和重量损失以及膨胀率变化。以此研究混凝土在单一、双重和多重破坏因素作用下的氯离子扩散规律和结构混凝土损伤失效全过程。 (2)复合环境因素下结构混凝土损伤失效与氯离子扩散规律研究本文重点研究了硫酸盐-氯盐-镁盐单一、双重和多重环境因素下结构混凝土的损伤失效全过程和氯离子扩散规律。结果表明:混凝土在单一硫酸钠、硫酸镁溶液中,其损伤失效过程均包括三个阶段:性能发展段、稳定段和性能劣化段。其主要破坏形式是因膨胀而引起混凝土开裂剥落而导致破坏。混凝土在硫酸盐-氯盐复合溶液中,腐蚀溶液中因氯盐存在和扩散不引起混凝土自身损伤,相反延缓了混凝土的硫酸盐损伤程度;腐蚀初期复合溶液中因硫酸盐存在降低了Cl-在混凝土中的扩散速度(即降低了混凝土的氯离子扩散系数);而腐蚀后期情况则相反。混凝土在硫酸镁-氯盐复合溶液中,腐蚀初期因硫酸根离子和镁离子复合作用,提高了混凝土的抗氯离子扩散能力,且提高程度大于同浓度硫酸盐的作用;后期混凝土损伤劣化程度和其氯离子扩散系数均高于同浓度的硫酸盐作用。混凝土在青海盐湖卤水中腐蚀,其破坏形态是以镁盐为主的剥落型破坏和以硫酸根离子导致膨胀为辅的损伤失效形式。其损伤失效过程和氯离子扩散趋势与混凝土在硫酸镁-氯盐复合溶液作用下的演化趋势一致。混凝土对氯离子扩散过程中的结合,使其氯离子扩散系数降低到原来的1 /(1+ K),混凝土服役寿命相应提高。复合溶液中硫酸盐存在降低了混凝土的氯离子结合能力,且结合能力随外界硫酸盐
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摘要 5-7 Abstract 7-15 第一章 绪论 15-35 1.1 引言 15-17 1.2 国内外研究现状 17-33 1.2.1 混凝土耐久性研究现状 17-18 1.2.2 混凝土在单一因素下损伤失效研究现状 18-24 1.2.2.1 氯离子扩散导致混凝土中钢筋锈蚀的失效研究 18-21 1.2.2.2. 硫酸盐导致混凝土损伤失效研究 21-24 1.2.3 混凝土在双重和多重因素作用下损伤失效的研究现状 24-28 1.2.3.1 荷载+腐蚀离子作用下的损伤失效研究 24-26 1.2.3.2 氯盐+硫酸盐复合作用下的损伤失效研究 26-27 1.2.3.3 氯盐+硫酸盐+镁盐复合作用下的损伤失效研究 27-28 1.2.4 混凝土寿命预测研究现状 28-33 1.2.4.1 基于碳化的寿命预测模型 28-29 1.2.4.2 基于混凝土损伤的寿命预测模型 29-30 1.2.4.3 基于氯离子扩散导致钢筋锈蚀的寿命预测模型 30-33 1.3 存在的问题 33-34 1.4 本论文开展的研究工作 34-35 第二章 高性能混凝土的制备与试验方法 35-51 2.1 原材料性能 35-37 2.1.1 水泥 35-36 2.1.2 粉煤灰 36 2.1.3 硅灰 36-37 2.1.4 集料 37 2.1.5 高效外加剂 37 2.1.6 水 37 2.2 混凝土配合比设计 37-38 2.3 混凝土基本物理力学性能 38-39 2.3.1 成型与养护 38 2.3.2 物理力学性能试验方法 38 2.3.3 基本物理力学性能 38-39 2.4 试验方法 39-51 2.4.1 复合因素作用下碳化试验研究 39 2.4.1.1 加载-碳化试验方法 39 2.4.1.2 碳化试验内容 39 2.4.2 混凝土损伤劣化试验研究 39-49 2.4.2.1 腐蚀制度 39-41 2.4.2.2 加载装置设计 41-46 2.4.2.3 混凝土动弹性模量测试及计算 46-47 2.4.2.4 混凝土重量损失测试及计算 47-48 2.4.2.5 混凝土膨胀测试 48 2.4.2.6 混凝土氯离子浓度测试及计算 48-49 2.4.3 复合因素作用下腐蚀试验内容 49-51 2.4.3.1 单一、双重和多重环境因素下的耐久性试验内容 49-50 2.4.3.2 力学与环境因素复合下的耐久性试验内容 50-51 第三章 混凝土在硫酸盐-氯盐-镁盐-弯曲荷载单一、双重、多重破坏因素作用下的损伤试验研究 51-85 3.1 混凝土在单一硫酸盐作用下的损伤失效研究 51-62 3.1.1 混凝土在单一硫酸盐作用下的损伤失效规律 51-54 3.1.2 混凝土在单一硫酸盐作用下的损伤演化方程 54-57 3.1.3 硫酸盐浓度对混凝土损伤演化方程的影响 57-60 3.1.4 强度等级对混凝土损伤演化方程的影响 60-62 3.2 混凝土在硫酸盐+氯盐复合作用下的损伤失效研究 62-68 3.2.1 氯盐对混凝土损伤演化方程的影响 63-66 3.2.2 荷载+硫酸盐+氯盐复合因素作用下混凝土的损伤失效规律 66-68 3.3 混凝土在硫酸镁作用下的损伤失效研究 68-71 3.4 混凝土在硫酸镁+氯盐复合作用下的损伤失效研究 71-74 3.4.1 氯盐对混凝土硫酸镁损伤规律的影响 71-73 3.4.2 荷载+硫酸镁+氯盐复合因素作用下混凝土的损伤失效规律 73-74 3.5 混凝土在青海盐湖卤水(SO_4~(2-)+Mg~(2+)+Cl~-)复合作用下的损伤失效研究 74-77 3.5.1 混凝土在青海盐湖卤水作用下的损伤失效规律 74-76 3.5.2 荷载+盐湖卤水复合因素作用下混凝土的损伤失效规律 76-77 3.6 针对青海盐湖卤水腐蚀作用下混凝土的优选与优化 77-83 3.6.1 强度等级对混凝土抗复合盐损伤的影响 77-78 3.6.2 粉煤灰掺量对混凝土抗复合盐损伤的影响 78-80 3.6.3 硅灰掺量对混凝土抗复合盐损伤的影响 80-81 3.6.4 新拌混凝土含气量对其抗复合盐损伤的影响 81-82 3.6.5 其它类型混凝土的优选 82-83 3.7 本章小结 83-85 第四章 混凝土在氯盐-硫酸盐-镁盐-弯曲荷载单一、双重和多重破坏因素作用下的氯离子扩散研究 85-119 4.1 混凝土在硫酸盐+氯盐复合作用下的氯离子扩散研究 86-95 4.1.1 单一硫酸盐对氯离子扩散的影响 86-89 4.1.2 硫酸盐浓度对氯离子扩散的影响 89-92 4.1.3 荷载+硫酸盐+氯盐复合作用下氯离子的扩散规律 92-95 4.2 混凝土在硫酸镁+氯盐复合作用下的氯离子扩散研究 95-97 4.3 混凝土在青海盐湖卤水(SO_4~(2-)+Mg~(2+)+Cl~-)复合作用下的氯离子扩散研究 97-99 4.3.1 青海盐湖卤水溶液中混凝土的氯离子扩散规律 97-98 4.3.2 荷载+青海盐湖卤水复合作用下混凝土的氯离子扩散规律 98-99 4.4 混凝土对氯离子结合能力的研究 99-111 4.4.1 混凝土中氯离子扩散基本方程推导 99-103 4.4.1.1 不考虑结合氯离子的扩散方程推导 99-101 4.4.1.2 考虑结合氯离子的扩散方程推导 101-103 4.4.2 环境介质对混凝土的氯离子结合的影响 103-107 4.4.2.1 腐蚀离子对混凝土氯离子结合的影响 103-105 4.4.2.2 硫酸盐浓度对混凝土氯离子结合的影响 105 4.4.2.3 碳化对混凝土的氯离子扩散和结合的影响 105-107 4.4.3 混凝土类型对氯离子结合的影响 107-111 4.4.3.1 强度等级对氯混凝土离子结合能力的影响 108 4.4.3.2 粉煤灰掺量对混凝土氯离子结合能力的影响 108-109 4.4.3.3 硅灰掺量对混凝土氯离子结合能力的影响 109-110 4.4.3.4 新拌混凝土含气量对其氯离子结合能力的影响 110-111 4.5 针对青海盐湖卤水腐蚀作用下混凝土的优选与优化 111-117 4.5.1 强度等级对混凝土抗氯离子扩散的影响 111-112 4.5.2 粉煤灰掺量对混凝土抗氯离子扩散的影响 112-113 4.5.3 硅灰掺量对混凝土抗氯离子扩散的影响 113-115 4.5.4 新拌混凝土含气量对其抗氯离子扩散的影响 115-116 4.5.5 其它类型混凝土的优选 116-117 4.6 本章小结 117-119 第五章 混凝土在硫酸盐-氯盐复合作用下的机理分析 119-156 5.1 氯离子导致混凝土中钢筋锈蚀的机理 119-121 5.1.1 钢筋锈蚀的膨胀应力 119-120 5.1.2 钢筋锈蚀的驱动电势 120-121 5.2 硫酸盐+氯盐复合作用下混凝土中氯离子的扩散机理 121-137 5.2.1 腐蚀初期氯离子扩散系数演变机理 122-129 5.2.1.1 氯离子扩散系数与等效孔径变化推导 122-124 5.2.1.2 硫酸盐对等效孔径变化的影响 124-126 5.2.1.3 混凝土氯离子扩散系数演变规律 126-127 5.2.1.4 腐蚀初期试验验证 127-129 5.2.2 腐蚀后期氯离子扩散系数演变机理 129-137 5.2.2.1 一维裂纹分布混凝土的氯离子扩散系数推导 129-131 5.2.2.2 二维裂纹分布混凝土的氯离子扩散系数推导 131-132 5.2.2.3 混凝土在硫酸盐-氯盐腐蚀后期裂纹指数演变规律 132-135 5.2.2.4 混凝土在硫酸盐-氯盐腐蚀后期氯离子扩散系数的演变规律 135-136 5.2.2.5 腐蚀后期试验验证 136-137 5.3 硫酸盐+氯盐复合作用下硫酸盐对混凝土的损伤机理 137-154 5.3.1 混凝土在硫酸盐作用下的反应机理 137-139 5.3.2 混凝土在硫酸盐+氯盐作用下的腐蚀产物分析 139-143 5.3.2.1 腐蚀龄期对腐蚀产物影响分析 139-140 5.3.2.2 氯盐对腐蚀产物影响分析 140-142 5.3.2.3 腐蚀溶液对腐蚀产物影响分析 142-143 5.3.3 混凝土在硫酸盐+氯盐作用下的微结构演变 5 143-146 5.3.4 混凝土在硫酸盐+氯盐作用下的细观结构演变 146-147 5.3.5 混凝土在硫酸盐+氯盐作用下的宏观破坏形态 147-148 5.3.6 混凝土在硫酸盐作用下裂纹形成准则 148-154 5.3.6.1 膨胀内应力理论推导 148-151 5.3.6.2 微裂纹形成临界应力推导 151-152 5.3.6.3 微裂纹形成准则 152-154 5.4 本章小结 154-156 第六章 西部地区多重破坏因素作用下混凝土服役寿命预测模型 156-188 6.1 大气环境中结构混凝土的寿命预测模型 156-163 6.1.1 实验 157 6.1.1.1 配比设计 157 6.1.1.2 试验方法 157 6.1.2 结果与讨论 157-162 6.1.2.1 混凝土碳化深度的经时变化 157-158 6.1.2.2 粉煤灰掺量对碳化深度的影响 158-159 6.1.2.3 弯曲荷载率对混凝土碳化深度的影响 159-160 6.1.2.4 养护龄期对混凝土碳化深度的影响 160-161 6.1.2.5 混凝土碳化新方程推导 161-162 6.1.3 基于碳化寿命预测新方程对重大工程的寿命预测 162-163 6.2 西部硫酸盐+氯盐环境下结构混凝土寿命预测模型 163-186 6.2.1 寿命预测模型推导 163-167 6.2.1.1 混凝土寿命预测基本模型 163-164 6.2.1.2 硫酸盐影响因素 164-166 6.2.1.3 氯离子结合能力影响因素 166-167 6.2.1.4 弯曲荷载影响因素 167 6.2.2 西部地区结构混凝土寿命预测模型建立 167-173 6.2.2.1 钢筋锈蚀临界值确定 168 6.2.2.2 混凝土表面氯离子浓度确定 168-170 6.2.2.3 混凝土有效保护层厚度确定 170-171 6.2.2.4 硫酸盐、荷载、结合能力有关方程f(SO_4,S,R)确定 171-173 6.2.3 西部地区结构混凝土寿命预测试验与计算方法 173-174 6.2.4 结构混凝土服役寿命影响因素分析 174-182 6.2.4.1 硫酸盐浓度对混凝土服役寿命的影响 174-177 6.2.4.2 氯盐浓度对混凝土服役寿命的影响 177-179 6.2.4.3 荷载,结合能力对混凝土服役寿命的影响 179-182 6.2.5 西部地区结构混凝土寿命预测举例 182-186 6.2.5.1 内蒙古盐湖地区结构混凝土寿命预测 182-186 6.2.5.2 青海盐湖地区结构混凝土寿命预测 186 6.3 本章小结 186-188 第七章 全文结论与研究展望 188-192 7.1 结论 188-191 7.1.1 混凝土在单一、双重、多重破坏因素作用下的损伤研究 188-189 7.1.2 混凝土在单一、双重、多重破坏因素作用下氯离子扩散研究 189 7.1.3 青海盐湖地区混凝土的优选与优化 189-190 7.1.4 混凝土在硫酸盐+氯盐复合作用下的机理分析 190 7.1.5 西部地区多重破坏因素作用下混凝土服役寿命预测模型 190-191 7.2 展望 191-192 参考文献 192-204 攻读博士学位期间发表论文 204-205 攻读博士学位期间参加项目 205-206 致 谢 206
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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑材料 > 非金属材料 > 混凝土及混凝土制品
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