氯化物盐冻作用下混凝土构件的耐久性评估与服役寿命设计方法
混凝土结构论文 耐久性论文 除冰盐论文 冻融循环论文 盐冻论文 相对动弹性模量论文 钢筋锈蚀率论文
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水泥混凝土是土木工程最主要的结构材料,混凝土结构的耐久性和服役寿命是国际国内工程界关注的重大科技问题。国内外学术界对混凝土在除冰盐作用下耐久性问题的研究主要集中在抗盐冻剥蚀性方面,即混凝土单面受到除冰盐溶液冻融作用下的表面剥蚀性能,但是没有同时研究混凝土结构内部的冻融损伤、氯离子浓度分布、钢筋锈蚀及结构承载力等变化规律,这对混凝土结构的耐久性和寿命研究是不全面的。本文在我国严寒地区城市主要立交桥和机场高速公路混凝土结构的实地调研分析的基础上,系统进行了引气与非引气的、不掺与掺加矿物掺合料的普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土在3.5%NaCl溶液(除冰盐)作用下的快速冻融耐久性实验,以及在北方冬季严寒的室外自然冻融环境中的除冰盐暴露耐久性实验;研究了混凝土构件在室内快速盐冻条件及室外自然暴露盐冻条件下的相对动弹性模量变化、表面剥蚀及其损伤劣化过程与机理、氯离子扩散规律、抗弯承载力与变形等规律,建立了盐冻作用下钢筋混凝土构件的承载力计算模型和服役寿命预测模型,为混凝土工程结构的耐久性设计提供了理论参考。本文主要研究内容和结果如下:1、通过对沈阳市立交桥的外观检查与无损检测发现,部分立交桥即使经过多次的维修与加固,仍然发生了粗集料外露、钢筋裸露锈蚀、箍筋锈断等非常严重的盐冻耐久性破坏;施工控制不严,混凝土保护层厚度不均,偏差比较大。混凝土碳化、盐冻等环境因素作用下,混凝土的碱性和密实性降低,加速了混凝土损伤及钢筋锈蚀。对现场混凝土及钢筋锈蚀物样品的化学分析和微观结构分析表明,结构混凝土内部的氯离子浓度很高,其浓度分布规律因受到雨水的冲刷影响,在保护层厚度范围内并不符合Fick扩散定律,其寿命设计的氯离子扩散模型必须考虑表层效应,并进行参数修正;结构混凝土的总氯离子浓度和自由氯离子浓度之间成线性关系;计算得出立交桥混凝土的氯离子结合能力只有0.0687,氯盐对混凝土中钢筋的锈蚀破坏作用很大。2、混凝土构件及混凝土试件的快速盐冻试验表明,C30混凝土的抗盐冻性能很差,其盐冻破坏源于混凝土的表面剥蚀现象,混凝土构件由于钢筋的约束作用,将延缓其相对动弹性模量的下降速度。高性能混凝土的抗盐冻破坏能力显著提高;但是过高的粉煤灰掺量将显著地降低高性能混凝土的抗盐冻性能;掺加硅灰的引气混凝土试件具有较高的抗盐冻性能,但是其混凝土构件的抗盐冻性能因其内部自收缩微裂纹的宏观扩展,出现较严重的劣化现象,这种劣化并不因强度等级的提高而有明显的改善。因此,对于掺加硅灰的混凝土,试件的盐冻破坏性能并不能可靠地反映钢筋混凝土构件的抗盐冻性能。3、利用低真空扫描电子显微镜(SEM)观察了硬化混凝土中的气泡结构形貌,运用图像分析软件计算气泡结构的特征参数。研究结果表明,混凝土具有较高抗盐冻性的含气量应提高至5.0%以上;对于掺矿物掺合料的高性能混凝土,具有良好抗盐冻性所要求的气泡间距与强度等级有关,当强度等级低于C50时,平均气泡间距必须小于250μm,当强度等级提高到C60以上时,平均气泡间距可以增大到700μm。4、通过超声平测法研究混凝土构件的盐冻损伤层厚度,探讨了钢筋对超声波测试结果的修正方法,提出了综合描述混凝土结构盐冻破坏的损伤度新概念,当混凝土的损伤层越厚、损伤层混凝土的声速越低时,表示其盐冻损伤度越大。5、对盐冻损伤的混凝土构件进行力学性能研究发现,混凝土受弯构件在初始荷载作用下,截面的应力状态仍满足混凝土构件平截面假定,因此可以采用现有的钢筋混凝土结构理论,建立盐冻作用下混凝土构件的结构设计模型和计算公式。在历经不同快速冻融循环次数的盐冻作用以后,混凝土内部出现盐冻损伤、表面疏松剥蚀,弹性阶段开裂点不明显,构件的弯曲刚度也随之减小,承载力极限值降低,跨中挠度相应增加。6、基于材料力学的平截面假定,参照现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中受弯构件承载力、刚度和挠度的计算方法,引进盐冻作用的耐久性特征参数,提出了采用相对动弹性模量、盐冻损伤层厚度、钢筋锈蚀率作为盐冻环境下混凝土结构的耐久性设计参数,建立了考虑盐冻作用的钢筋混凝土结构的设计公式,其计算值与实验值吻合较好,可应用于实际工程结构的耐久性设计。7、根据混凝土构件承载力的耐久性退化作用和可靠度理论,建立了盐冻作用下混凝土结构的3阶段服役寿命理论模型:诱导期、劣化期和失效期。基于氯离子扩散、相对动弹性模量变化和混凝土表面剥蚀程度,确立了第一阶段服役寿命的计算依据——即盐冻作用下,随服役时间的延长,混凝土结构表面开始发生剥蚀、内部开始发生冻融损伤以及钢筋表面的自由氯离子浓度开始达到锈蚀临界值的时间时,混凝土结构的承载力才开始衰减,此时对应的时间即达到t1阶段的结束;基于结构混凝土表面开始剥蚀、抗压强度等力学性能开始下降、钢筋开始锈蚀以后,导致混凝土结构承载力的退化,确立了第二阶段服役寿命的计算依据——当结构混凝土的表面剥蚀量大于1500g/m2,内部相对动弹性模量下降至80%、以及钢筋锈蚀率超过6%时,即当混凝土结构的主要材料(混凝土和钢筋)达到其材料耐久性破坏的限值时,此时对应的时间即认为混凝土构件的第二阶段服役寿命t2;当结构继续使用,混凝土结构的承载力降低到设计极限状态时,此时对应的时间即认为混凝土构件的第三阶段服役寿命t3。8、依据系统的耐久性试验研究结果,通过本文建立的3阶段服役寿命理论模型,获得了引气与非引气的、不掺与掺加矿物掺合料的普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土构件在盐冻作用下的承载力退化规律曲线,计算了其服役寿命。结果表明,C30普通混凝土结构的服役寿命计算结果与实际工程调研的结果相符。9、运用本文建立的盐冻作用下混凝土结构的3阶段服役寿命理论模型,对典型盐冻环境下混凝土结构桥梁的主要构件进行了耐久性设计,提供了算例,比较了按照常规设计和耐久性设计结果之间的差异。为我国盐冻作用环境下混凝土结构按照50a或者100a寿命进行耐久性设计,提供了一种可行的设计方法。
摘要 | 第4-7页 |
Abstract | 第7-10页 |
第一章 绪论 | 第21-30页 |
1.1 研究目的和意义 | 第21-22页 |
1.2 国内外研究现状 | 第22-26页 |
1.3 目前研究工作存在的问题 | 第26-28页 |
1.3.1 盐冻试验方法 | 第26页 |
1.3.2 研究方法 | 第26-27页 |
1.3.3 混凝土材料性能 | 第27页 |
1.3.4 混凝土构件与工程结构 | 第27页 |
1.3.5 构件寿命设计模型 | 第27-28页 |
1.4 本文的研究内容 | 第28-29页 |
1.5 本文的研究方法 | 第29-30页 |
第二章 寒冷地区混凝土立交桥的耐久性破坏调查与研究 | 第30-73页 |
2.1 现场调查与试验方法 | 第31页 |
2.1.1 现场调查与无损测试方法 | 第31页 |
2.1.2 试验室分析方法 | 第31页 |
2.2 混凝土立交桥现场调查结果与分析 | 第31-67页 |
2.2.1 文化路立交桥 | 第31-39页 |
2.2.2 黄河大街立交桥 | 第39-45页 |
2.2.3 其他寒冷地区混凝土结构破坏 | 第45-64页 |
2.2.4 桥梁结构的钢筋锈蚀机理分析 | 第64-67页 |
2.3 机场道面现场调查结果与分析 | 第67-70页 |
2.3.1 机场道面破损现状 | 第67-68页 |
2.3.2 道面混凝土的微观结构分析 | 第68-70页 |
2.4 本章小结 | 第70-73页 |
第三章 原材料、配合比与实验方法 | 第73-79页 |
3.1 原材料 | 第73-74页 |
3.2 配合比 | 第74-75页 |
3.3 钢筋混凝土构件与混凝土试件 | 第75-76页 |
3.4 试验方法 | 第76-77页 |
3.4.1 快速盐冻试验 | 第76页 |
3.4.2 常温浸泡实验 | 第76-77页 |
3.4.3 自然盐冻暴露试验 | 第77页 |
3.5 测试方法 | 第77-79页 |
3.5.1 相对动弹性模量测试 | 第77-78页 |
3.5.2 质量损失测试 | 第78-79页 |
第四章 混凝土材料试件与钢筋混凝土构件的抗盐冻性能 | 第79-89页 |
4.1 气泡结构的试验方法及数据处理 | 第79-81页 |
4.2 混凝土试件的抗盐冻性能 | 第81-83页 |
4.2.1 引气混凝土的气泡特征 | 第81页 |
4.2.2 抗盐冻性与气泡特征参数之间的关系 | 第81-83页 |
4.3 混凝土构件的抗盐冻性能 | 第83-88页 |
4.3.1 引气剂对混凝土构件抗盐冻性能的影响 | 第83-85页 |
4.3.2 粉煤灰引气 HPC 构件的抗盐冻性能 | 第85-86页 |
4.3.3 硅灰引气 HPC 构件的抗盐冻性能 | 第86-88页 |
4.4 本章小结 | 第88-89页 |
第五章 混凝土结构表面的盐冻损伤规律 | 第89-98页 |
5.1 混凝土表层盐冻损伤的定量测试与分析 | 第89-93页 |
5.1.1 测试方法及其钢筋修正 | 第89-92页 |
5.1.2 盐冻损伤度的定义及其钢筋修正 | 第92-93页 |
5.2 混凝土结构表面的盐冻损伤 | 第93-95页 |
5.2.1 引气剂对混凝土结构表面盐冻损伤的影响 | 第93-94页 |
5.2.2 矿物掺合料对引气混凝土结构的盐冻损伤的影响 | 第94-95页 |
5.3 盐冻作用下混凝土结构保护层厚度的建议 | 第95-96页 |
5.4 本章小结 | 第96-98页 |
第六章 盐冻作用下混凝土的氯离子渗透扩散与钢筋锈蚀 | 第98-114页 |
6.1 试验部分 | 第99-102页 |
6.1.1 取样方法 | 第99-100页 |
6.1.2 分析方法 | 第100-101页 |
6.1.3 数据处理 | 第101-102页 |
6.2 盐冻作用下混凝土构件的氯离子扩散特性 | 第102-110页 |
6.2.1 自由氯离子浓度与扩散深度的关系 | 第102页 |
6.2.2 表面自由氯离子浓度 | 第102-105页 |
6.2.3 氯离子结合能力 | 第105-108页 |
6.2.4 自由氯离子扩散系数 | 第108-110页 |
6.3 钢筋锈蚀损伤 | 第110-112页 |
6.4 本章小结 | 第112-114页 |
第七章 盐冻损伤条件下混凝土构件的承载力 | 第114-130页 |
7.1 混凝土构件的弯曲试验方法 | 第114-115页 |
7.2 混凝土构件的弯曲力学性能 | 第115-120页 |
7.2.1 引气混凝土构件的荷载—挠度曲线 | 第115-116页 |
7.2.2 HPC 构件的荷载—挠度曲线 | 第116-120页 |
7.3 盐冻作用下混凝土受弯构件的承载力计算模型 | 第120-126页 |
7.3.1 基本假定 | 第120页 |
7.3.2 正截面受弯承载力的计算模型 | 第120-121页 |
7.3.3 盐冻作用下混凝土构件的特征参数 | 第121-124页 |
7.3.4 盐冻作用下混凝土受弯构件的挠度计算 | 第124-126页 |
7.4 计算模型验证 | 第126-128页 |
7.4.1 荷载—挠度曲线的验证 | 第126页 |
7.4.2 盐冻作用下构件承载力的计算值与实测值比较 | 第126-128页 |
7.5 盐冻作用下混凝土受压构件的承载力计算 | 第128页 |
7.6 本章小结 | 第128-130页 |
第八章 盐冻作用下混凝土结构服役寿命的设计模型与计算方法 | 第130-151页 |
8.1 盐冻作用下混凝土结构的服役寿命及破坏准则 | 第131-133页 |
8.1.1 盐冻作用下混凝土结构的服役寿命 | 第131-132页 |
8.1.2 材料耐久性的极限状态——混凝土冻融破坏准则 | 第132-133页 |
8.1.3 材料耐久性的极限状态——钢筋锈蚀破坏准则 | 第133页 |
8.1.4 材料耐久性的极限状态——混凝土表面剥蚀破坏准则 | 第133页 |
8.2 寿命的确定与计算 | 第133-139页 |
8.2.1 诱导期T_1 | 第133-136页 |
8.2.2 劣化期T_2 | 第136-138页 |
8.2.3 失效期T_3 | 第138页 |
8.2.4 寿命预测计算结果 | 第138-139页 |
8.3 基于可靠度理论的寿命预测 | 第139-146页 |
8.3.1 混凝土构件基于可靠度的服役寿命评估 | 第140页 |
8.3.2 寿命评估实例 | 第140-145页 |
8.3.3 计算结果分析 | 第145-146页 |
8.4 算例:盐冻作用下城市立交桥主要构件的耐久性设计 | 第146-149页 |
8.4.1 设计基本资料 | 第146页 |
8.4.2 横断面及计算简图 | 第146-147页 |
8.4.3 简支梁桥空心板的正截面抗弯承载力计算(强度设计) | 第147页 |
8.4.4 耐久性设计技术指标 | 第147页 |
8.4.5 考虑耐久设计参数的正截面抗弯承载力计算(耐久性设计) | 第147-149页 |
8.5 本章小结 | 第149-151页 |
第九章 全文结论与建议 | 第151-157页 |
9.1 全文结论 | 第151-155页 |
9.1.1 严寒地区城市桥梁的耐久性调研 | 第151-152页 |
9.1.2 混凝土材料试件和混凝土构件在盐冻作用下的耐久性研究 | 第152-153页 |
9.1.3 混凝土结构在盐冻作用下的承载力计算模型、服役寿命模型与耐久性设计 | 第153-154页 |
9.1.4 对现有桥梁规范和混凝土结构耐久性设计规范的建议 | 第154-155页 |
9.2 主要的创新点 | 第155-156页 |
9.3 展望 | 第156-157页 |
参考文献 | 第157-170页 |
致谢 | 第170-171页 |
在学期间的研究成果及发表的学术论文 | 第171-173页 |
附录博士期间完成的科研项目与取得的成果 | 第173页 |
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