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氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土耐久性能研究

作　者: 王晨飞
导　师: 牛荻涛
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 聚丙烯纤维混凝土氯盐侵蚀环境长期浸泡干湿交替盐冻循环干湿-盐冻复合作用氯离子扩散模型
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

聚丙烯纤维混凝土作为对普通混凝土的改良，以其优良的阻裂和抵抗变形的能力广泛应用于重大工程中，聚丙烯纤维混凝土在服役过程中同样会经受各种腐蚀介质的侵蚀，其耐久性失效的问题同样无法忽视。氯盐环境中氯离子侵蚀与钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性的主要研究内容，其中氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是海工混凝土耐久性失效的重要原因，研究氯离子在聚丙烯纤维混凝土中的传输规律，对进一步研究聚丙烯纤维混凝土结构的耐久性及寿命预测具有非常重要的意义。本文通过试验研究了海洋水下区、海洋潮汐区、海洋盐冻环境、严寒地区海洋潮汐区四种氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土的耐久性能，分析了混凝土中氯离子的输运机制，并建立了相应的氯离子扩散模型，具体内容如下：利用干燥失水法和扫描电镜试验研究了聚丙烯纤维混凝土的微观结构，结果表明，当聚丙烯纤维掺量从0增加到0.1%，混凝土内部结构越来越来致密，有效孔隙率逐渐降低；当聚丙烯纤维掺量从0.1%增加到0.5%，混凝土内部结构逐渐疏松，有效孔隙率逐渐增加。根据理论分析与试验结果，建立了聚丙烯纤维混凝土孔隙率的计算方法，为建立聚丙烯纤维混凝土中氯离子输运模型奠定基础。采用长期浸泡和干湿交替方式分别模拟海洋水下区与海洋潮汐区环境，研究了纤维掺量对聚丙烯纤维混凝土中氯离子扩散性能的影响，结果表明，适量的聚丙烯纤维可降低侵入混凝土内部的氯离子含量；干湿交替作用下混凝土中氯离子峰值含量与长期浸泡作用下的峰值含量接近；长期浸泡作用下混凝土中氯离子峰值出现于混凝土表面；由于对流作用以及孔隙类似“墨水瓶-束管”微结构的存在，干湿交替作用下氯离子在距离混凝土表面一定深度处存在峰值。根据试验结果与理论分析，分别建立了聚丙烯纤维混凝土中峰值氯离子含量与氯离子扩散系数随纤维掺量变化的数学模型。采用在氯盐溶液中冻融循环的方式模拟海洋盐冻环境，结果表明，聚丙烯纤维抑制了混凝土表层剥蚀和内部微裂缝的扩展，有效降低了混凝土的质量损失率、相对动弹性模量以及抗折强度损失率。由于对流作用和脱盐作用的存在，氯离子在距离混凝土表面一定深度处存在峰值，氯离子扩散系数随盐冻循环次数逐步减小，且随纤维掺量的增大而增大；基于混凝土盐冻损伤方程，分别建立聚丙烯纤维混凝土中峰值氯离子含量与氯离子扩散系数随盐冻损伤度变化的数学模型。采用干湿-盐冻复合试验方式模拟严寒地区海洋潮汐环境，研究了循环次数和纤维掺量对混凝土内部损伤和氯离子输运性能的影响，并与干湿交替和盐冻循环作用下的混凝土中氯离子分布进行对比分析。研究表明，盐冻循环与干湿交替共同加速了混凝土表层氯离子的沉积，氯离子在距离混凝土表面一定深度处存在峰值，分别建立了聚丙烯纤维混凝土中峰值氯离子含量和氯离子扩散系数随损伤度变化的数学模型。基于Fick第二定律，考虑纤维掺量和盐冻损伤对聚丙烯纤维混凝土氯离子扩散性能的影响，针对不同的氯盐侵蚀环境分别建立聚丙烯纤维混凝土的氯离子扩散模型，并对模型进行了试验验证，结果吻合较好，模型的建立为氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土结构耐久性设计与寿命预测奠定了基础。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-42
  1.1 研究背景和意义  10-14
    1.1.1 聚丙烯纤维混凝土的发展历程  10-11
    1.1.2 聚丙烯纤维混凝土增强机理  11-12
    1.1.3 聚丙烯纤维混凝土的工程应用  12-13
    1.1.4 聚丙烯纤维混凝土耐久性研究意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-31
    1.2.1 氯盐环境混凝土结构耐久性研究现状  14-29
    1.2.2 聚丙烯纤维混凝土研究现状  29-31
  1.3 本文的研究内容  31-32
  参考文献  32-42
2 海洋水下区聚丙烯纤维混凝土中氯离子侵蚀性研究  42-60
  2.1 试验概况  42-44
    2.1.1 试验设计  42
    2.1.2 试验材料及混凝土配合比  42-43
    2.1.3 试验方法  43-44
  2.2 试验结果及分析  44-56
    2.2.1 混凝土微观形貌  44-45
    2.2.2 混凝土有效孔隙率的确定  45-48
    2.2.3 混凝土抗折强度  48-49
    2.2.4 氯离子含量分布  49-51
    2.2.5 表面氯离子含量  51-54
    2.2.6 氯离子扩散系数  54-56
  2.4 本章小结  56-57
  参考文献  57-60
3 海洋潮汐区聚丙烯纤维混凝土中氯离子侵蚀性研究  60-72
  3.1 试验概况  60-61
    3.1.1 试验设计  60
    3.1.2 试验方法  60-61
  3.2 试验结果及分析  61-69
    3.2.1 混凝土微观形貌  61
    3.2.2 混凝土有效孔隙率  61-62
    3.2.3 氯离子含量分布  62-66
    3.2.4 峰值氯离子含量  66-67
    3.2.5 氯离子扩散系数  67-69
  3.3 本章小结  69
  参考文献  69-72
4 海洋盐冻环境聚丙烯纤维混凝土中氯离子侵蚀性研究  72-90
  4.1 混凝土盐冻破坏机理  72-73
  4.2 试验概况  73-74
    4.2.1 试验设计  73
    4.2.2 试验方法  73-74
  4.3 试验结果与分析  74-87
    4.3.1 混凝土盐冻损失分析  74-80
    4.3.2 氯离子含量分布  80-83
    4.3.3 峰值氯离子含量  83-85
    4.3.4 氯离子扩散系数  85-87
  4.4 本章小结  87
  参考文献  87-90
5 干湿-盐冻复合作用下聚丙烯纤维混凝土中氯离子侵蚀性研究  90-106
  5.1 试验概况  90-91
    5.1.1 试验设计  90
    5.1.2 试验方法  90-91
  5.2 试验结果与分析  91-104
    5.2.1 混凝土损伤分析  91-97
    5.2.2 氯离子含量  97-100
    5.2.3 峰值氯离子含量  100-102
    5.2.4 氯离子扩散系数  102-104
  5.3 本章小结  104-105
  参考文献  105-106
6 聚丙烯纤维混凝土中氯离子扩散模型  106-130
  6.1 扩散系数定义  106-107
  6.2 海洋水下环境氯离子扩散模型  107-113
    6.2.1 输运机理  107
    6.2.2 模型的建立  107-110
    6.2.3 模型验证  110-112
    6.2.4 参数分析  112-113
  6.3 海洋潮汐环境氯离子扩散模型  113-118
    6.3.1 输运机理  113-114
    6.3.2 模型的建立  114-116
    6.3.3 模型验证  116-117
    6.3.4 参数分析  117-118
  6.4 海洋盐冻环境氯离子扩散模型  118-123
    6.4.1 输运机理  118-119
    6.4.2 模型的建立  119-121
    6.4.3 模型验证  121-122
    6.4.4 参数分析  122-123
  6.5 严寒地区海洋潮汐环境氯离子扩散模型  123-128
    6.5.1 输运机理  123
    6.5.2 模型的建立  123-126
    6.5.3 模型验证  126-127
    6.5.4 参数分析  127-128
  6.6 本章小结  128
  参考文献  128-130
7 结论与展望  130-133
  7.1 本文主要研究成果总结  130-131
  7.2 本文的创新点  131
  7.3 研究展望  131-133
致谢  133-134
攻读博士学位期间取得的研究成果  134

氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土耐久性能研究

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