基于可靠度的盐冻环境下结构混凝土耐久性评估与提升技术分析

摘要

氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是造成海洋环境下钢筋混凝土结构损伤的最重要的原因。我国北方地区的桥梁结构冬季还经常遭受冻融损伤的影响。本论文重点研究氯盐侵蚀以及氯盐和冻融耦合作用下混凝土的损伤劣化以及混凝土结构在这种环境下的服役寿命的变化，并定量分析各种耐久性提升措施对钢筋混凝土服役寿命的影响。
　　 本研究采用C35和C50两种强度等级的混凝土，其中C35的含气量分为2％和3％，C50的含气量分为2％、3％和5％，研究其28d龄期和84d龄期时的冻融劣化规律以及冻融循环对氯离子扩散系数的影响。为了研究宏观行为产生的原因，本研究采用扫描电子显微镜、CT、压汞测孔法、硬化混凝土气泡参数分析等微观试验方法对其微结构的发展进行分析，用微观结构的变化解释宏观行为。
　　 试验结果表明，含气量和水胶比是影响抗冻性和氯离子扩散系数的主要因素，在一定范围内，含气量越高，水胶比越低，强度等级越高，抗冻性就越好，氯离子扩散系数也越小。气泡间距系数越小，氯离子扩散系数越低。混凝土试件在试验前期在淡水中的吸水率较高，后期在盐水中的吸水率就会超过在淡水中的吸水率。
　　 对微结构进行观察发现，冻融之后的混凝土与冻融前相比，水化产物的结构状态发生了变化，由冻融前的堆积状密实状态逐步变成疏松状态，且水化产物结构中出现了微裂缝，这些微裂缝数量和宽度随着冻融过程的增加而增多和加宽，这些裂缝为氯离子的传输提供了通道，所以氯离子扩散系数随着冻融循环次数的增加而变大。在混凝土中掺入优质的引气剂或引气减水剂，可使混凝土内部形成大量微小、稳定、分布均匀的封闭气泡，缓解孔隙水结冰时产生的膨胀压，提高其抗冻性能，降低氯离子扩散系数。
　　 建立基于可靠度的混凝土结构寿命预测模型，对各种影响因素进行分析表明，氯离子扩散系数、临界氯离子浓度和保护层厚度对海工混凝土结构的服役寿命影响很大，为了降低钢筋锈蚀概率，提高服役寿命，有必要提高混凝土的质量，使用临界氯离子浓度较高的耐蚀钢筋和不锈钢钢筋或者掺入适量阻锈剂并配以合适的保护层厚度。
　　 施工方法以及质量的不同会对混凝土保护层产生较大影响，其保护层厚度的波动较大会对结构产生不利影响。粗糙的现场施工技术会使结构的可靠度指标降低0.2以上，腐蚀概率增加5％左右。使用表面硅烷浸渍可以延缓氯离子进入混凝土基体的时间，一般情况都能满足10年左右的延缓期，在氯盐侵蚀下可以延长服役寿命10年以上，但是对于盐冻情况下，混凝土结构耐久性能又不高的情况，依靠表面硅烷浸渍技术不能够使服役寿命有显著提高。
　　 双岛港特大桥浪溅区的钢筋混凝土结构服役环境较为恶劣，但是混凝土的氯离子扩散系数降低到很低、使用优质引气剂以及提高保护层厚度条件下，因此能够满足盐冻条件下的设计使用要求。但是由于结构往往会受到多种因素的侵蚀，推荐根据成本合理选择耐蚀钢筋或者阻锈剂以提高结构的可靠度水平，保持足够的安全裕度值。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海工混凝土的耐久性的研究现状

1．2．2 钢筋锈蚀

1．2．3 氯离子侵蚀

1．2．4 冻融循环破坏

1．2．5 寿命预测模型的研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 本课题的主要研究内容和方法

1．4．1 本课题的主要研究内容

1．4．2 本课题的主要研究方法

1．5 本章小结

第二章 试验原材料及方法

2．1 前言

2．2 试验原材料

2．3 配合比与试件制备技术

2．3．1 试验配合比

2．3．2 试件的制备

2．4 试验方法

2．4．1 冻融试验

2．4．2 RCM法测试氯离子扩散系数

2．4．3 硬化混凝土气泡特征参数实验

2．4．4 压汞测孔法(MIP)

2．4．5 CT扫描

2．4．6 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．7 吸水率实验

2．5 本章小结

第三章 混凝土冻融劣化规律研究

3．1 前言

3．2 不同强度等级下的混凝土冻融劣化规律研究

3．2．1 冻融过程中相对动弹性模量变化

3．2．2 冻融过程中质量损失率变化

3．3 不同含气量下混凝土冻融劣化规律研究

3．4 不同冻融介质下混凝土的表面剥蚀及原因分析

3．5 冻融过程中混凝土微结构的劣化时变规律

3．5．1 气泡间距系数对混凝土的抗冻性的影响

3．5．2 扫描电镜(SEM)的微结构分析

3．5．3 CT的微结构分析

3．6 超声脉冲法测试相对动弹性模量的方法分析

3．7 本章小结

第四章 冻融循环对氯离子扩散系数的影响

4．1 前言

4．2 RCM法测试氯离子扩散系数结果的统计分析

4．3 冻融循环前混凝土初始氯离子扩散系数的分析

4．4 冻融循环过程中混凝土氯离子扩散系数的分析

4．5 微结构对氯离子扩散系数的影响

4．5．1 气泡特征参数

4．5．2 混凝土试件吸水率测试结果及分析

4．5．3 压汞测孔法(MIP)对孔结构的分析

4．6 本章小结

第五章 基于可靠度的海工混凝土结构耐久性评估方法的研究

5．1 前言

5．2 基于可靠度的氯盐侵蚀的寿命预测模型的建立及参数分析

5．2．1 氯离子侵蚀引起结构损伤概述

5．2．2 混凝土中氯离子的浓度

5．2．3 氯离子扩散系数的时变性

5．2．4 表面氯离子浓度

5．2．5 临界浓度氯离子

5．2．6 Monte Carlo方法的误差估计

5．3 基于可靠度的氯盐侵蚀的寿命预测模型实例分析

5．3．1 氯盐侵蚀的混凝土结构寿命预测之一

5．3．2 氯盐侵蚀的混凝土结构寿命预测之二

5．3．3 氯盐和冻融耦合作用下钢筋混凝土结构的服役寿命

5．3．4 荷载和氯离子耦合作用下混凝土结构的寿命预测

5．4 本章小结

第六章 混凝土耐久性提升技术对其服役寿命的影响

6．1 前言

6．2 不锈钢钢筋对钢筋混凝土结构服役寿命的影响

6．3 使用特定耐蚀钢筋对钢筋混凝土结构服役寿命的影响

6．4 表面硅烷浸渍对钢筋混凝土结构服役寿命的影响

6．5 阻锈剂对钢筋混凝土结构服役寿命的影响

6．6 保护层厚度波动对钢筋混凝土结构服役寿命的影响

6．7 青荣城际铁路浅海区桥梁结构混凝土结构耐久性防护措施建议与评估

6．7．1 工程背景分析

6．7．2 双岛港特大桥浪溅区桥梁结构混凝土服役寿命预测

6．7．3 优质引气剂对双岛港特大桥浪溅区桥梁结构混凝土服役寿命的影响

6．7．4 耐蚀钢筋或者阻锈剂对双岛港特大桥浪溅区桥梁结构混凝土服役寿命的影响

6．8 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简介

致谢