硫酸盐腐蚀下混凝土损伤行为研究

摘要

围岩中硫酸盐通过扩散进入混凝土井壁内部,并与混凝土组分发生一系列化学反应,反应生成物中含有钙矾石等膨胀性物质,这样造成混凝土井壁腐蚀。
　　在混凝土腐蚀过程中,硫酸盐等组分浓度发生变化,引起混凝土损伤,即机械性能的弱化,进而引起混凝土位移场和应力场的变化;位移场和应力场的变化反过来影响混凝土中硫酸盐的扩散系数和浓度场。因此,混凝土井壁中机械运动(变形)与非机械运动(化学反应)之间存在耦合作用。这种耦合作用将引起井壁局部材料的损伤,当材料损伤到一定程度,混凝土井壁局部或全部发生破坏。因此,混凝土腐蚀损伤会严重地影响井筒的安全。
　　本文综合运用试验、理论分析和数值计算的方法研究混凝土变形运动、硫酸盐扩散和化学反应耦合系统的复杂动力学行为,揭示硫酸盐腐蚀下混凝土的损伤机理。论文的主要研究内容及成果如下:
　　(1)对实验室配置的高强度混凝土试样进行了四因素五水平的人工加速硫酸钠腐蚀试验,测试了试样某一截面在不同龄期的硫酸盐浓度,并利用误差函数计算出相应的扩散系数,建立了扩散系数分别与水胶比、环境中硫酸盐溶液浓度、养护时间和应力比之间的函数关系,并给出四因素综合影响下的扩散系数计算公式。
　　(2)对混凝土水化反应和腐蚀反应进行了合理简化,分析了各组分的质量变化方式,根据化学反应与扩散过程中各组分的质量守恒关系,建立了含八个反应速率常数和十五种组分质量浓度的反应速率方程。利用数值方法计算了不同水胶比、环境中硫酸盐溶液浓度、养护时间和应力比下十五种组分的质量浓度场、硫酸盐溶液扩散速度场,得到了四种因素对各组分质量浓度场演化的影响规律。
　　(3)对实验室配置的高强度混凝土试样进行了四因素五水平的人工加速硫酸钠腐蚀试验,测试了不同腐蚀时间混凝土的抗压强度,并以抗压强度为指标定义了损伤度,建立了损伤度分别与水胶比、环境中硫酸盐溶液浓度、养护时间和应力之间的函数关系,并给出四因素综合影响下的损伤度计算公式。
　　(4)根据质量守恒定律,建立了混凝土腐蚀应变率—组分浓度变化率方程,给出了应力和腐蚀共同作用下混凝土应变分量表达式,给出了考虑腐蚀应变影响的混凝土破坏状态的变化条件,基于Drucker-Prager准则和Lagrange准则分别建立了腐蚀损伤过程中混凝土剪切屈服和拉伸破坏后的流动法则。
　　(5)建立了一种混凝土井壁和围岩变形—水化和腐蚀反应—硫酸盐扩散耦合系统动力学模型,设计了系统响应计算方法,编制了响应计算程序,计算了不同水胶比、不同养护时间及不同初始条件和边界条件下系统的响应,得到了水胶比、养护时间、围岩中硫酸盐浓度等因素对井壁破坏状态、应力、位移、组分浓度等物理量变化的影响。
　　(6)分析了井壁变形—硫酸盐扩散—混凝土组分化学反应之间的相互影响关系,结合腐蚀—损伤耦合作用框图,揭示了硫酸盐腐蚀引起混凝土井壁损伤的机理。
　　该论文有图91幅,表30个,参考文献148篇。

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变量注释表

1.1 研究意义与目的(Significance and Objective of Research)

1.2 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.3 主要研究内容和方法(Main Contents and Method of Research)

1.4 研究技术路线(Techniques of Research)

2硫酸盐在混凝土中扩散试验研究

2.1材料的选择(Experimental Materials)

2.2试验方案(Experimental Method)

2.3试验结果及分析(Experimental Results)

2.4扩散系数的确定(Diffusion Coefficient Determination)

2.5 本章小结(Summary)

3硫酸盐在混凝土中扩散数值研究

3.1 硫酸盐在混凝土中扩散模型(Model of Sulfate Diffusion in Concrete)

3.2扩散过程数值计算(Numerical Analysis of Diffusion Process)

3.3计算结果分析(Numerical Results Analysis)

3.4本章小结(Summary)

4混凝土腐蚀过程反应动力学

4.1 腐蚀过程中的化学反应(Chemical Reaction in Corrosion Process)

4.2 反应动力学定解问题(Fixed Problem in Reaction Kinetics) 4.2.1反应速率方程(Reaction Rate Equation)

4.3 算法说明(Algorithm Introduction)

4.4 算例及分析 (Case of Calculating and Analysis)

4.5本章小结(Summary)

5硫酸盐腐蚀下混凝土损伤模型

5.1试验设计(Experimental Design)

5.2试验结果分析(Results Discussion)

5.3 硫酸盐腐蚀下混凝土损伤模型(Concrete Damage Model under Sulfate Corrosion)

5.4 本章小结(Summary)

6硫酸盐腐蚀下混凝土本构关系

6.1腐蚀应变(Corrosion Strain)

6.2弹性本构关系(Stress-Strain Equation of Corrosion Concrete)

6.3腐蚀混凝土破坏准则(Failure Criterion of Corrosion Concrete)

6.4 腐蚀混凝土流动法则(Flow Destruction Law of Corrosion Concrete)

6.5 复杂应力状态下的扩散系数和损伤度(Diffusion Coefficient and Damage Degree under Complex Stress Condition)

6.6本章小结(Chapter Summary)

7混凝土井壁腐蚀和损伤耦合过程分析

7.1工程背景(Engineering Background)

7.2 腐蚀与损伤耦合关系(Coupling Relationship Between Corrosion and Damage)

7.3动力学模型(Dynamic Model)

7.4算法简介(Algorithm)

7.5结果分析(Results Discussion)

7.6 混凝土井壁腐蚀损伤机理分析(Corrosion Damage Mechnism Analysis of Concrete Shaft Lining)

7.7本章小结(Chapter Summary)

8 主要结论与展望

8.1主要结论 (Main Conclusions)

8.2 展望(Future Works)

参考文献

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