海洋钢筋混凝土结构氯离子腐蚀耐久性研究

摘要

本文对混凝土电阻率、电通量、钢筋锈裂损伤以及氯离子侵蚀进行了试验研究，结合氯离子扩散理论、工程模糊集理论和生存分析理论，建立了海洋钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀模型和耐久性寿命预测、统计评估分析。主要研究工作包括：
　　 (1)利用RESI四电极混凝土电阻率测试仪，对两种湿度环境下的不同类型混凝土电阻率进行了测试研究。通过改变配制混凝土的材料因素，对养护28天的4种单方混凝土水泥用量、3种水胶比、4种粉煤灰掺量、3种磨细矿渣掺量以及4种硅灰掺量的混凝土试件进行了详细分组测量。结果表明，各种材料因素对混凝土电阻率均有不同程度的影响。其中，以水胶比和掺入矿物掺合料对混凝土电阻率影响比较明显。水胶比越小、掺合料的掺量越大，则混凝土电阻率也越大；在3种矿物掺合料中，以硅灰对混凝土电阻率的影响最为显著。少量的硅灰能够明显提高混凝土的电阻率，而粉煤灰和磨细矿渣却需要较高比例的掺量才能提高混凝土电阻率。通过该试验所测的混凝土电阻率大小变化情况为研究混凝土中氯离子扩散速度提供了试验参考依据。
　　 (2)通过电化学加速钢筋锈蚀试验，对7组共42个(包括3种水胶比、3种保护层厚度、3种钢筋直径以反掺入40％粉煤灰、1％瓦克有机硅粉等材料因素)钢筋混凝土试件的钢筋锈裂损伤形态进行了研究，分析了钢筋锈蚀后混凝土保护层的裂缝开展规律。结果表明，材料因素对钢筋混凝土裂缝初裂时间、发展速度以及裂缝开展形态都有一定影响。水胶比越小，裂缝出现得越早；保护层厚度越大，裂缝开展越慢；钢筋直径越小，裂缝出现得越早。然后按照不同的表面裂缝宽度(即0.2mm、0.4mm、0.7mm、1.Omm和1.5mm)分别从各组中破型一个试件，利用钢筋除锈方法确定钢筋锈蚀率，最后得出裂缝宽度与钢筋锈蚀率之间的拟合曲线模型。
　　 (3)对不同水胶比以及掺入粉煤灰、硅灰的混凝土进行了电通量和氯离子扩散特性试验，分析了水胶比、粉煤灰和硅灰等矿物掺合料对海洋钢筋混凝土结构抵抗氯离子侵蚀的耐久性能的影响。试验表明，掺加适当的粉煤灰和硅灰后可以明显降低混凝土试件的电通量，能改善混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久性能。同时，建立了水胶比与电通量、氯离子扩散系数之间的拟合模型，并对不同材料特性的混凝土耐久性寿命进行了预测。
　　 (4)采用改进的Fick第二扩散定律来描述混凝土内氯离子的扩散过程，对混凝土内钢筋开始锈蚀的时间乃进行了预测。再根据氯高子侵蚀双向渗透性导致钢筋沿着其长度方向和垂直于长度方向的锈蚀速度不同步的特点，建立了氯离子引起钢筋锈蚀变化的点腐蚀模型-椭球模型。算例表明，该模型充分考虑了氯离子扩散系数衰减值m的影响作用，比其他腐蚀模型更适合氯离子侵蚀下的钢筋混凝土结构。它的建立对海工混凝土结构从钢筋开始发生锈蚀到功能明显退化所需时间Tc+Td的确定具有指导意义。
　　 (5)利用生存分析中的生存函数乘积限估计方法分析海洋钢筋混凝土结构的耐久寿命，结合混凝土结构耐久性失效的特点，将模糊综合评判法融入其中，研究耐久性评判等级和隶属度对海工混凝土结构耐久寿命估计的贡献，建立了删失示性函数模糊特征值的计算公式，得到使混凝土结构耐久性寿命统计更加合理的分析结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 混凝土耐久性研究进展

1.3 海洋钢筋混凝土结构外观腐蚀状况与防护研究

1.3.1 海洋钢筋混凝土结构的腐蚀特征

1.3.2 影响海洋钢筋混凝土结构腐蚀的因素

1.3.3 提高耐久性的有效措施

1.4 钢筋腐蚀理论和试验研究进展

1.4.1 腐蚀环境

1.4.2 氯离子侵蚀理论

1.4.3 钢筋锈蚀机理

1.4.4 混凝土电阻率影响因素

1.4.5 混凝土腐蚀损伤

1.4.6 结构耐久性寿命预测

1.5 本文的主要工作

2 材料因素对混凝土电阻率的影响

2.1 引言

2.2 测量混凝土电阻率的方法

2.3 试验方案简介

2.3.1 试件制作

2.3.2 混凝土电阻率测量方法

2.3.3 环境条件

2.4 试验结果与分析

2.4.1 水泥用量对混凝土电阻率的影响

2.4.2 水胶比对混凝土电阻率影响

2.4.3 矿物掺合料对混凝土电阻率的影响

2.5 小结

3 钢筋混凝土锈蚀损伤影响因素

3.1 引言

3.2 试验方案设计

3.2.1 试件设计

3.2.2 钢筋快速锈蚀方法

3.2.3 确定钢筋锈蚀率

3.2.4 材料参数

3.2.5 混凝土配合比

3.3 试件制作

3.4 钢筋锈蚀电流分析

3.5 试验现象及结果分析

3.5.1 试验现象分析

3.5.2 混凝土水胶比对锈蚀开裂形态的影响

3.5.3 保护层厚度对锈蚀开裂形态的影响

3.5.4 钢筋直径对混凝土锈蚀开裂形态的影响

3.5.5 矿物掺合料对混凝土锈蚀开裂形态的影响

3.6 小结

4 海工混凝土结构氯离子侵蚀试验

4.1 引言

4.2 试验方案及试件成型

4.2.1 试件分组设计

4.2.2 材料参数

4.2.3 配合比试配和坍落度测试

4.2.4 试件制作成型

4.3 电通量试验

4.3.1 试验过程

4.3.2 试验结果及分析

4.4 氯离子扩散系数测试

4.4.1 扩散特性试验

4.4.2 试验结果及分析

4.4.3 氯离子扩散系数与水胶比的关系

4.5 海洋混凝土结构抗氯离子侵蚀耐久寿命预测

4.5.1 抗氯离子侵蚀耐久寿命的界定

4.5.2 氯离子侵蚀理论

4.5.3 其它影响因素

4.5.4 抗氯离子侵蚀耐久寿命预测及分析

4.6 小结

5 氯离子腐蚀下海洋钢筋混凝土结构抗力衰减模型

5.1 引言

5.2 氯离子扩散理论

5.3 钢筋锈蚀速度模型

5.3.1 均匀腐蚀模型

5.3.2 点腐蚀模型

5.4 算例

5.5 小结

6 混凝土结构耐久寿命统计的模糊生存分析

6.1 引言

6.2 生存函数的乘积限估计和删失数据

6.2.1 生存分析考虑因素

6.2.2 乘积限估计(P-L估计)

6.2.3 删失数据的类型

6.3 基于模糊删失数据的生存分析

6.4 模糊综合评判

6.4.1 隶属函数与隶属度

6.4.2 模糊综合评判原理

6.4.3 模糊综合评判步骤

6.5 算例

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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