冻融环境多因素耦合作用混凝土结构耐久性研究

摘要

混凝土结构耐久性已成为国内外土木工程界的热点研究领域。我国北方全部和南方大部分地区混凝土结构都不同程度地遭受冻融破坏,因此,冻融循环是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。本课题将对混凝土在冻融环境多因素耦合作用下的耐久性进行研究,以期充分认识多种环境因素之间的相互作用,根据理论分析和试验结果,研究耦合作用下混凝土损伤规律和耐久性能退化规律等,为冻融环境混凝土耐久性研究奠定基础,具有重大的理论和应用价值。本文选取冻融环境影响混凝土结构耐久性的主要因素(冻融循环)和引起混凝土中性化的环境因素(CO2和酸雨)组合,设计了多因素耐久性试验方案和具体实施方法,通过试验研究了单一和双重影响因素作用下混凝土的抗冻规律及中性化性能,揭示了它们的作用机理和耦合作用效应,建立了冻融环境混凝土结构中性化深度预测模型,并进行了冻融环境下混凝土可靠性分析及承载力寿命预测。
　　本文进行了混凝土快速冻融试验,研究了各种因素(水胶比、粉煤灰掺量、含气量)对混凝土抗冻规律的影响,分析了冻融循环下混凝土质量损失、动弹性模量以及抗压强度的变化规律。首次建立了冻融环境下考虑混凝土水胶比、粉煤灰掺量、引气剂掺量等因素的混凝土抗压强度衰减模型。设计并开展冻融循环和碳化共同作用混凝土耐久性试验,研究了冻融循环和碳化共同作用下混凝土质量、动弹性模量、抗压强度变化规律及中性化规律,分析了冻融循环和碳化共同作用机理及二者之间的耦合效应。通过分析得出结论:冻融循环和碳化共同作用试验模式下,混凝土质量损失和强度损失都大于单一冻融循环试验结果,相对动弹性模量小于单一冻融循环试验模式下的结果。设计并开展冻融循环和酸雨共同作用混凝土耐久性试验,研究了冻融循环和酸雨共同作用下混凝土质量损失、动弹性模量、抗压强度变化以及中性化规律,分析了酸雨对混凝土冻融损伤的影响。结果表明:在冻融循环和酸雨共同作用下,混凝土呈现表面剥落以及力学性能劣化,其损伤以冻融破坏为主,混凝土质量损失、动弹性模量损失及强度损失都大于单一冻融循环试验模式下的情况。从宏观损伤力学理论出发,将混凝土损伤分为冻融循环引起的损伤和单轴压引起的损伤,建立了混凝土在冻融循环,冻融循环和碳化,以及冻融循环和酸雨共同作用下的损伤演化方程,推导给出了与冻融循环次数相关的混凝土单轴损伤本构关系。分析了影响混凝土孔隙率的主要因素,在混凝土碳化机理的基础上，提出了冻融环境混凝土中性化深度预测模型。深入分析气体在混凝土中的扩散机理,通过试验数据回归给出了考虑冻融循环影响的混凝土二氧化碳有效扩散系数 eD计算公式,并最终建立了冻融环境下混凝土的碳化深度预测模型。基于混凝土中性化深度、损伤演化过程及承载力可靠性分析,提出了冻融环境混凝土结构寿命预测的基本思路,并对冻融环境下钢筋混凝土结构进行了可靠性分析及承载力寿命预测。

目录

声明

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2混凝土抗冻耐久性研究现状

1.3本文的研究内容

参考文献

2 本文试验设计与试验方法

2.1 试验设计

2.2 试验方法

参考文献

3 冻融作用下混凝土耐久性试验研究

3.1试验目的及内容

3.2混凝土外观损伤分析

3.3混凝土质量损失规律

3.4混凝土动弹性模量变化规律

3.5混凝土抗压强度劣化规律

3.6 混凝土孔隙率变化

3.7 冻融循环作用下混凝土动弹性模量与抗压强度的关系

3.8 本章小节

参考文献

4 冻融－碳化复合作用下混凝土耐久性试验研究

4.1 试验目的及内容

4.2 混凝土外观损伤分析

4.3 混凝土质量损失规律

4.4 混凝土动弹性模量变化规律

4.5 混凝土抗压强度劣化规律

4.6 混凝土中性化规律研究

4.7冻融循环与碳化作用相互影响分析

4.8 本章小结

参考文献

5 冻融－酸雨共同作用下混凝土耐久性试验研究

5.1 试验目的及内容

5.2 冻融循环－酸雨作用下混凝土外观损伤分析

5.3 冻融循环和酸雨共同作用混凝土质量损失规律

5.4 冻融循环和酸雨共同作用混凝土动弹性模量变化规律

5.6冻融循环和酸雨共同作用混凝土中性化规律研究

5.7 酸雨作用对冻融循环损伤效应影响分析

5.8 本章小结

参考文献

6 混凝土在冻融环境的损伤分析

6.1混凝土冻融损伤分析

6.2 混凝土在冻融循环和碳化共同作用下的损伤演化方程

6.3 混凝土在冻融循环和酸雨共同作用下的损伤演化方程

6.4 本章小节

参考文献

7 冻融循环与碳化共同作用下混凝土碳化深度预测模型

7.1混凝土碳化深度预测模型研究进展

7.2 混凝土碳化机理

7.3气体在混凝土中扩散的基本理论

7.4混凝土水化产物含量及孔隙率的计算

7.5冻融环境下混凝土碳化深度预测模型

7.6 冻融环境下混凝土碳化模型的验证

7.7 本章小结

参考文献

8冻融环境混凝土结构寿命预测

8.1基于混凝土冻融损伤的寿命预测

8.2基于混凝土中性化的寿命预测

8.3冻融环境下基于承载力的混凝土结构寿命预测

8.4本章小节

参考文献

9 结论与展望

9.1 主要研究成果与结论

9.2 本文主要创新点

9.3 开展进一步研究的建议

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的主要科研项目