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弯曲荷载及杂散电流与腐蚀介质复合作用下地铁混凝土的抗侵蚀性能

作　者: 张二猛
导　师: 殷素红
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 弯曲荷载杂散电流腐蚀介质地铁混凝土抗侵蚀性能
分类号: U231.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地铁属于国家重大基础建设工程,对耐久性要求很高,设计年限一般为100年。混凝土作为地铁工程最大用量的建筑材料,构成了地铁工程结构的主体,其耐久性能的好坏直接决定了地铁工程的安全和寿命。地铁混凝土所处环境特殊,尤其是遭受地下水中腐蚀介质、直流牵引列车导致的杂散电流、岩体及列车振动的荷载作用等多因素的影响,加快了对混凝土结构及钢筋的腐蚀。因此,本论文开展荷载及杂散电流与地下水腐蚀介质复合作用下地铁混凝土抗侵蚀性能的研究,这对提高地铁工程混凝土的耐久性和指导今后地铁工程的建设具有重要的意义。本文以广州市建设科技发展基金计划项目“广州地铁工程混凝土在地下水作用下的耐久性研究与评估”为支撑,在课题组已有研究基础上,着重研究弯曲荷载及杂散电流与腐蚀介质复合作用下地铁混凝土的抗侵蚀性能,分析受腐蚀后混凝土材料的组成、结构及性能变化,旨在探索多因素作用下的腐蚀规律。采用离子色谱仪测定混凝土中Cl^-、SO₄^2-离子含量,采用XRD、SEM、TG-DSC和MIP进行混凝土微观组成和结构分析,采用EIS、PC对钢筋的电化学性能进行表征。通过从材料力学理论出发对混凝土试件进行受力分析,得出弯曲荷载下,混凝土试件在纯弯区所受应力要大于弯剪区,在拉应力层混凝土受拉伸作用使裂纹扩展,在压应力层混凝土受压缩应力一些微裂缝会得到愈合,拉应力层受应力破坏大于压应力层,整个混凝土试件受荷载破坏最严重的部位为纯弯区拉应力层。设计了相关试验装置在实验室进行应力腐蚀加速试验,结果表明:由于荷载造成结构内部产生更多的微裂纹和裂纹的扩展,使外部的SO₄^2-、Cl-离子更容易向混凝土内部扩散,其在混凝土中的浓度分布与受力大小一致,即纯弯区拉应力层的混凝土中SO₄^2-、Cl-离子含量最大,分别为无荷载时的的125%和145%。在一定龄期内,施加荷载后,SO₄^2-离子渗入量增加,钙矾石的致密化作用变强,混凝土强度反而有所增大,荷载作用的影响主要是对钢筋的锈蚀作用加速,钢筋的失重率增加,力学性能下降,其影响大于无荷载作用的情况。荷载和SO₄^2-、Cl-离子腐蚀介质共同作用下,生成的钙矾石和氯铝酸盐填充在混凝土的微小孔隙中,使结构变得更加致密,混凝土孔隙率降低;但由于荷载作用下,孔的周围应力集中,致使一些微孔扩展而形成大孔,大孔数量变多,混凝土的最可几孔径增大。研究了杂散电流与腐蚀介质复合作用下Cl-、SO₄^2-离子的含量及分布规律。结果表明:阴极处混凝土表层的Cl-、SO₄^2-离子含量最高,随距离阴极混凝土表面向混凝土内部方向,Cl-、SO₄^2-离子含量逐渐下降,至阳极处混凝土表层的Cl-、SO₄^2-离子含量又有所增加;且随杂散电流和溶液浓度增大,Cl-、SO₄^2-离子含量显著增加。与荷载作用下相比,可溶性Cl-、SO₄^2-离子所占比例有大幅度提高,表明杂散电流的存在不仅加快了离子的迁移速度,而且改变了离子的存在状态,使得更多Cl-、SO₄^2-离子以自由态存在。杂散电流作用下离子的快速迁移对结构产生一定的冲蚀作用,使得结构的总孔隙率增大,孔隙变大,部分小于100A的孔变为100²50 A甚至250¹000 A的孔,此两部分孔所占比例增加,并形成一些连通状的孔隙,且随电流和溶液浓度增大而加强。杂散电流作用下孔结构变化与荷载作用下有所不同,孔径分布向较大的孔转移,表明杂散电流较荷载对结构及钢筋的腐蚀更为严重。在此基础上,提出了杂散电流与腐蚀介质共同作用下,氯离子的传输过程可分为:扩散、离子固化、离子解缚加速迁移、离子反应和钢筋锈蚀五个阶段,其传输模型可用方程表征,可见侵入混凝土中的Cl-离子含量多少与电流大小、溶液浓度、保护层厚度、龄期等因素相关,其中电流大小和试验龄期对氯离子传输的影响最为明显。用电化学方法来研究了杂散电流与腐蚀介质复合作用下混凝土中钢筋性能的变化规律。发现:至90d龄期时,钢筋已有较大程度的锈蚀;钢筋的锈蚀程度随杂散电流的增大和Cl-离子浓度增加而加深,且杂散电流对锈蚀的影响更大,越靠近阴极的钢筋锈蚀程度越大。SO₄^2-离子的存在对钢筋锈蚀过程产生了影响,不适合用电化学阻抗谱来分析钢筋的电化学性能。杂散电流作用下,单一Cl-离子作用与Cl- +SO₄^2-离子复合作用下钢筋腐蚀程度孰大孰小,要视杂散电流和溶液中SO₄^2-离子的浓度而定;在电流为0.3A,SO₄^2-离子为2000mg/L时,后者加剧了钢筋的锈蚀。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-24
  1.1 前言  13-16
    1.1.1 地铁工程的作用与发展  13-15
    1.1.2 地铁工程结构的环境特点与对耐久性的影响  15-16
  1.2 国内外研究现状及不足  16-21
    1.2.1 杂散电流对地铁混凝土的腐蚀研究  16-17
    1.2.2 环境中腐蚀介质对地铁混凝土的腐蚀研究  17-19
    1.2.3 外荷载对对地铁混凝土的腐蚀研究  19-21
  1.3 本课题的研究  21-24
    1.3.1 研究意义及目的  21-22
    1.3.2 研究思路  22-23
    1.3.3 研究内容  23-24
第二章试验材料与试验方法  24-32
  2.1 试验材料  24-25
    2.1.1 混凝土组成材料  24
    2.1.2 化学试剂  24-25
    2.1.3 其他材料  25
  2.2 试验方法  25-32
    2.2.1 混凝土配合比  25
    2.2.2 混凝土试件的制作  25
    2.2.3 应力腐蚀试验  25-27
    2.2.4 杂散电流腐蚀试验  27-28
    2.2.5 相关测试方法  28-32
第三章弯曲荷载与腐蚀介质复合作用下地铁混凝土的抗侵蚀性能  32-56
  3.1 弯曲荷载作用下结构的受力分析  32-37
  3.2 弯曲荷载与腐蚀介质复合作用下混凝土宏观力学性能的变化  37-39
  3.3 弯曲荷载与腐蚀介质复合作用下混凝土中离子含量及分布  39-47
    3.3.1 荷载对S0_4~(2-)、Cl~-离子含量及分布的影响  43-45
    3.3.2 Cl~-离子的存在对S0_4~(2-)离子含量及分布的影响  45-46
    3.3.3 可溶性Cl~-、S0_4~(2-)离子占总Cl~-、S0_4~(2-)离子的百分含量  46-47
  3.4 弯曲荷载与腐蚀介质复合作用下钢筋性能的变化  47-48
  3.5 弯曲荷载与腐蚀介质复合作用下混凝土组成、结构的变化  48-54
    3.5.1 矿物组成变化  48-51
    3.5.2 微观结构变化  51-54
  3.6 弯曲荷载与腐蚀介质复合作用的腐蚀机理分析  54-55
  3.7 本章小结  55-56
第四章杂散电流与腐蚀介质复合作用下地铁混凝土的抗侵蚀性能  56-75
  4.1 杂散电流与腐蚀介质复合作用下离子含量及分布规律的研究  56-63
    4.1.1 杂散电流作用下Cl~-、S0_4~(2-)离子含量及分布规律  59
    4.1.2 电流大小对Cl~-、S0_4~(2-)离子含量及分布的影响  59-60
    4.1.3 溶液浓度对Cl~-、S0_4~(2-)离子含量及分布的影响  60-61
    4.1.4 S0_4~(2-)离子对Cl~-离子迁移过程的影响  61-62
    4.1.5 可溶性Cl~-、S0_4~(2-)离子占总Cl~-、S0_4~(2-)离子的百分含量  62-63
  4.2 杂散电流与腐蚀介质复合作用下离子的传输模型分析  63-68
    4.2.1 杂散电流与腐蚀介质复合作用下离子的传输过程  63-64
    4.2.2 杂散电流与腐蚀介质复合作用下离子的传输模型  64-67
    4.2.3 影响离子传输过程的因素分析  67-68
  4.3 杂散电流与腐蚀介质复合作用对混凝土组成、结构的影响  68-72
    4.3.1 矿物组成变化  68-69
    4.3.2 微观结构变化  69-72
  4.4 杂散电流与腐蚀介质复合下的作用机理分析  72-73
  4.5 本章小结  73-75
第五章杂散电流与腐蚀介质复合作用对混凝土中钢筋性能的影响  75-88
  5.1 钢筋的物理性能变化  76-78
    5.1.1 钢筋的失重率  76-77
    5.1.2 钢筋的力学性能  77-78
  5.2 钢筋的电化学性能变化  78-87
    5.2.1 电化学阻抗谱  78-83
    5.2.2 极化曲线  83-87
  5.3 本章小结  87-88
结论  88-91
参考文献  91-98
攻读硕士学位期间取得的研究成果  98-99
致谢  99-100
答辩委员会对论文的评定意见  100

弯曲荷载及杂散电流与腐蚀介质复合作用下地铁混凝土的抗侵蚀性能

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