港口工程混凝土结构氯离子侵入与耐久性评估

摘要

海洋环境下，氯离子入侵引起的钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最主要原因。钢筋腐蚀导致混凝土保护层开裂、剥落和分离，钢筋截面面积的减少，使得混凝土对钢筋的握裹性能下降，并最终导致钢筋混凝土结构的耐久性和安全性下降。本文基于北部湾港混凝土码头耐久性检测试验数据，分析了海洋环境下钢筋混凝土结构的最不利暴露环境；提出了改进的K-S假设检验方法；研究了混凝土保护层厚度、表观氯离子扩散系数等重要参数的随机特性及其对混凝土耐久性的影响；运用随机分析方法预测钢筋初锈时间，并通过确定性和随机性预测模型，对比分析了混凝土保护层腐蚀开裂时长问题。本文主要研究工作如下：
　　1、基于实测数据研究了混凝土结构的最不利暴露环境以及耐久性参数的随机特性。通过分析不同区域氯离子浓度的空间分布规律，得出海洋环境下钢筋混凝土结构的最不利暴露环境是浪溅区的结论。提出改进的K-S检验方法，算例分析显示该方法通过选择合理的样本容量，在提高K-S检验效率的同时又有效的降低了犯第Ⅱ类错误的概率。实测数据的统计检验结果表明混凝土保护层厚度、表征氯离子时变扩散特性的时间因子近似服从正态分布，并验证了临界氯离子浓度服从对数正态分布。根据上述参数的正态分布特性，在样本容量不足10时，提出极限误差准则判别实测数据的粗大误差。
　　2、对基于Fick第二定律的氯离子扩散模型进行修正，利用最优化理论预测钢筋初锈时间并分析耐久性参数对钢筋初锈时间的敏感性。本文的修正模型将干湿交替区域细分为潮差区和浪溅区，并综合考虑了环境温湿度的影响。基于实测和模拟数据，通过与Life365模型、LNEC E465模型的对比分析，验证了该修正模型能更加准确地表征氯离子的传输规律。在给定的目标可靠度指标为1.3的条件下，本文算法和蒙特卡罗方法1,000,000次模拟得到被检测混凝土码头的钢筋初锈时间均约为40年。通过考虑参数的随机特性和变异系数大小的敏感性分析表明：影响钢筋初锈时间最重要的因素是混凝土保护层厚度，其次是氯离子扩散系数，而表面氯离子浓度、临界氯离子浓度和时间因子的影响相对较小。
　　3、基于确定性模型和随机模型研究了混凝土中钢筋的腐蚀发展阶段计算时长tp。在确定性模型中，应用弹塑性理论的混凝土保护层腐蚀开裂时长预测模型，计算得到tp为11.5年。在随机性预测模型中，综合考虑了裂缝宽度限值的随机性以及锈蚀速率的时变特性，计算得到tp为12.7年。考虑到钢筋腐蚀对钢筋混凝土结构可靠性的不利影响，算例分析表明本文采用的在经典测量误差理论基础上的污染分布模型能客观地反映氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构构件抗力退化的影响。
　　4、以混凝土码头的墙身，胸墙和附属构件为评估对象，采用模糊层次分析法对被检测混凝土码头进行整体耐久性评估。评估考虑了氯离子侵蚀、混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土裂缝、混凝土质量和损伤的影响。结果显示被检测混凝土码头结构整体耐久性状态良好，不需要进行整体维修。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 北部湾港口混凝土的氯离子侵蚀行为分析

2.1 引言

2.2 北部湾被检测码头概况

2.3氯离子浓度检测

2.4 暴露环境对氯离子分布的影响

2.5 数据的分布检验与误差分析

2.6 关键耐久性参数的随机特性分析

2.7 本章小结

第3章 港口混凝土构件的钢筋初锈时间预测

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 随机性计算方法

3.4 钢筋初锈时间预测

3.5 本章小结

第4章 港口混凝土构件的保护层腐蚀开裂时长分析

4.1 引言

4.2 确定性预测模型

4.3 随机性预测模型

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第5章 港口混凝土码头的耐久性模糊综合评估

5.1 引言

5.2 层次分析法

5.3 模糊综合评估

5.4 实例分析

5.5 维修建议

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 论文创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文