荷载和酸雨耦合作用下混凝土性能劣化规律研究及寿命预测

摘要

结构混凝土受酸雨侵蚀时往往还伴随有荷载的耦合作用，严重影响了其服役寿命。针对我国南方日益广泛并严重的硫酸型酸雨的问题，现有的研究方法及评价手段尤显不完善，结构混凝土受酸雨侵蚀后的性能劣化规律缺乏针对性研究。本文考虑南方酸雨的典型特征，通过设计并开展实验室模拟酸雨侵蚀加速试验，研究了混凝土在两种应力水平荷载分别酸雨侵蚀环境耦合作用下的性能劣化规律，并结合微观机理测试和宏观建模分析，探究了酸雨对混凝土的侵蚀机理及荷载对酸雨侵蚀过程的耦合机理，最后选用合适的劣化评价指标对酸雨及荷载和酸雨耦合条件下混凝土的服役寿命进行预测。本文的主要研究内容如下：
　　（1）模拟荷载—酸雨侵蚀加速试验方法研究，主要包括模拟酸雨侵蚀试验方法和持续荷载施加方法研究。针对我国南方的降雨特征以及实验室加速侵蚀试验的要求设计模拟酸雨侵蚀制度，包括酸雨组成设计，降雨量设计和侵蚀制度设计；针对现有的持续荷载装置的特征并结合模拟试验的要求，设计持续荷载施加方法，包括荷载试件制作工艺及其配套的防腐蚀处理；针对混凝土材料的力学特征，提出了采用同配比的C40素混凝土和C40纤维混凝土，分别按0.0、0.35和0.5的低应力比及0.5、0.6和0.7的高应力比加载的方案；
　　（2）酸雨侵蚀环境下荷载混凝土的性能劣化规律研究。采用实验室加速侵蚀试验方法，分别研究了低应力比及高应力比荷载和酸雨侵蚀环境耦合作用下混凝土的性能劣化规律，并采用酸雨溶液每隔24h后pH值变化、混凝土外观变化、质量及类吸水率变化、力学性能变化、酸性化深度变化、侵蚀层厚度变化等指标对混凝土的受侵蚀程度进行表征。结果表明，各组模拟酸雨溶液的pH值存在整体降低和整体稳定两个阶段；各应力比下混凝土受侵蚀后均有表面变黄、侵蚀产物沉积、细集料掉落和粗集料裸露等现象，低应力比的素混凝土受侵蚀后出现“哑铃型”及“凹台型”特征，而高应力比的纤维混凝土由于纤维的“束缚作用”而外观及尺寸变化不明显；各应力比下混凝土随侵蚀龄期延长，累计质量变化（率）呈增大趋势，类吸水率随呈迂回增长趋势，抗折强度变化不明显，而抗压强度均会在某个侵蚀阶段产生突变；各应力比的拉应力均能加速混凝土的侵蚀，高低应力比的压应力能延缓混凝土的侵蚀，而低应力比的压应力对混凝土的受侵蚀速率影响不大。
　　（3）荷载和酸雨耦合条件下混凝土的劣化机理及侵蚀模型研究。通过XRD、TG、IR、SEM等微观测试方法，研究了酸雨对水泥浆体的侵蚀过程：受侵蚀净浆试件表面会形成侵蚀层和部分侵蚀层，侵蚀层主要是石膏和石英等侵蚀产物，而部分侵蚀层主要是石膏、石英、未被侵蚀的Ca(OH)2、低Ca/Si比的C-S-H凝胶以及 AFt等；通过对混凝土的近表面结构进行分析，提出了受酸雨侵蚀混凝土的近表面结构侵蚀速率分阶段递减模型；通过分析对混凝土受酸雨侵蚀程度与其所受荷载大小及荷载作用性质的关系，提出了外加应力对酸雨侵蚀的荷载影响率：Fj=-1.356x2+1.556x+0.964（0≤x≤0.5），Fj=0.455x2+0.903x+0.986（0.5≤x≤0.7），Fj=1（-0.5≤x≤0）以及Fj=0.597x2+0.870x+0.990（-0.7≤x≤0）；通过灰色关联分析及GM（1，1）模型对受侵蚀混凝土的质量变化率、类吸水率、抗折强度和抗压强度与酸性化深度之间的关系进行分析，提出并验证了荷载和酸雨耦合侵蚀及单独酸雨侵蚀条件下混凝土性能劣化指标的简化等同模型。
　　（4）荷载和酸雨耦合条件下混凝土的寿命预测。分别基于耗酸量和酸性化深度提出了综合考虑保护层厚度、年均降雨量及年均降雨pH值的C40F20配合比混凝土的寿命预测模型：T=10*(56.81L-4.98)*0.01/(c*e(2.71*(2.5-pH)))和T=10*(56.81L/(-1.35632+1.55σ+0.9643-4.98)*0.01/( c*e(2.71*(2.5-pH)))；通过引入荷载影响率Fj对基于酸性化深度的寿命预测模型进行修正，提出了同时考虑混凝土荷载影响率、保护层厚度、年均降雨量及年均降雨pH值四个因素的混凝土寿命预测模型：T=10*(56.81L/F-4.98)*0.01/(c*e(2.71*(2.5-pH)))。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与目的意义

1.2 国内外研究概况

1.3 以往研究中存在的问题

1.4 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题；

第二章 模拟酸雨侵蚀试验方法研究

2.1原材料及其基本性能

2.2 混凝土配合比的选定

2.3酸雨侵蚀环境下持续荷载的施加方法研究

2.4 模拟酸雨侵蚀加速试验方法研究

2.5混凝土受酸雨侵蚀后性能测试

第三章 荷载和酸雨耦合作用下混凝土的性能劣化规律

3.1 低应力比荷载和酸雨耦合下素混凝土的性能劣化规律

3.2 高应力比荷载和酸雨耦合下纤维混凝土的性能劣化规律

3.3 本章小节

第四章 荷载和酸雨耦合作用下混凝土劣化机理研究

4.1 水泥浆体受酸雨侵蚀机理研究

4.2荷载混凝土受酸雨侵蚀机理研究

4.3 基于灰色理论的混凝土性能劣化指标分析

4.4 本章小节

第五章 荷载和酸雨耦合作用下混凝土的寿命预测

5.1酸雨侵蚀下混凝土的寿命预测

5.2 荷载和酸雨耦合条件下混凝土的寿命预测

5.3 本章小节

第六章 结论与创新点

6.1 结论

6.2 创新点

致谢

参考文献

附录