氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性与安全性研究

摘要

混凝土结构的耐久性失效问题已成为当今困扰土建工程的一个世界性问题，大量实际工程和研究表明，已建的海港工程多数达不到设计寿命的要求，严重的甚至影响正常使用，需长期进行维修加固，造成巨大的经济损失。氯盐和钢筋腐蚀是影响我国沿海地区混凝土结构耐久性的首要因素，加强混凝土结构的耐久性研究，提高设计水平和施工质量，延长结构的使用寿命，是摆在我们面前的一个很重要的现实课题和任务。对北部湾港主要泊位混凝土码头耐久性进行调查研究，主要调查混凝土码头的使用状况，分析混凝土码头的破损类型、原因和特点。对北部湾港混凝土码头进行耐久性检测试验，主要检测其混凝土强度、保护层厚度、裂缝的深度和宽度、钢筋直径及其位置、混凝土碳化程度和氯离子浓度，分析研究其损坏程度和实际受力状态。
　　结合北部湾港口工程的特点，基于Fick第二定律建立了氯盐腐蚀环境下考虑环境温度、混凝土材料对氯离子结合作用、氯离子扩散系数的时间性、混凝土应力状态和材料劣化效应的氯离子扩散理论模型，与试验结果对比分析表明该理论模型有较好的适用性。在此基础上研究氯盐腐蚀环境下混凝土结构氯离子有效扩散系数的计算方法，并对相对氯离子扩散系数进行研究，研究表明，氯离子有效扩散系数在水位变动区、浪溅区相对大气区较大，相对氯离子扩散系数随着距混凝土表面深度的增加而增大但增大趋势趋于减缓。提出了氯盐腐蚀环境下预测混凝土结构使用寿命的方法，对北部湾港混凝土码头使用寿命进行预测与分析并提出设计建议，为混凝土码头今后定期检测与维护提供科学的依据。对氯离子侵蚀造成混凝土结构中钢筋锈蚀的主要过程进行了分析并建立钢筋均匀锈蚀和局部锈蚀模型，结合耐久性检测试验的结果对氯盐腐蚀环境下均匀锈蚀和局部锈蚀钢筋的净截面面积随时间变化的规律进行研究，为氯盐腐蚀环境下混凝土结构抗力衰减的研究提供理论基础。
　　由于混凝土结构可靠性指标估计值存在随机性问题，可靠性指标的精度对结构的安全判别至关重要，提出混凝土结构可靠性指标置信区间的计算方法，并指出可靠性指标置信区间研究的意义。基于氯盐腐蚀环境下混凝土结构的特点建立考虑氯离子渗透与钢筋腐蚀影响的污染分布模型，对污染分布模型在氯盐腐蚀环境下混凝土结构可靠度研究中的应用进行推导，推导出的数学模型能够科学合理地考虑氯离子渗透与钢筋腐蚀对结构抗力参数的影响，计算所得可靠性指标能真实地反映混凝土结构的可靠性。基于模糊理论和层次分析法对氯盐腐蚀环境下混凝土结构的安全性进行研究，以重力式混凝土码头为例，根据其结构特点提出重力式码头结构质量安全风险分析的模糊综合评价方法，基于层次性原则建立在役重力式码头结构质量安全风险评价系统模型和码头结构质量安全风险评价分级标准，划分安全风险分析考核指标的等级，其中，把考虑氯离子渗透与钢筋腐蚀影响的污染分布模型应用于研究重力式码头承载能力退化，采用可靠性指标表征码头结构的承载能力并建立相应的评价分级标准。码头各组成部件及其影响因素的权重采用层次分析法确定，通过实际工程证明了该方法的合理性与实用性，为在役重力式混凝土码头现状分析和维修决策的制定提供依据，基于模糊理论和层次分析法建立的重力式码头结构质量安全风险综合评价方法也可以应用于其他结构形式的混凝土码头。

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第一章 绪论

1.1研究的工程背景

1.2混凝土结构耐久性研究的重要意义

1.3氯盐腐蚀环境下混凝土结构耐久性研究现状

1.4本文的主要研究工作

第二章 北部湾港混凝土码头耐久性调查研究

2.1北部湾经济区和北部湾港概况

2.2北部湾港主要泊位混凝土码头耐久性状况调查

2.3北部湾港混凝土码头破损主要特点

2.4本章小结

第三章 北部湾港混凝土码头耐久性检测试验

3.1工程概况

3.2混凝土强度的检测

3.3结构裂缝的检测

3.4保护层厚度、钢筋直径及其位置的检测

3.5混凝土碳化和氯离子的检测

3.6本章小结

第四章 氯离子扩散模型的建立和结构使用寿命研究

4.1氯离子扩散影响因素分析

4.2氯离子扩散经典模型

4.3考虑多重影响因素的氯离子扩散理论模型的建立

4.4氯离子有效扩散系数与相对扩散系数

4.5氯盐腐蚀环境下混凝土结构的寿命预测

4.6氯盐腐蚀环境下钢筋锈蚀模型研究

4.7本章小结

第五章 污染分布模型在混凝土结构可靠性研究中的应用

5 .1结构可靠性指标置信区间的估计

5.2污染分布模型

5.3污染分布下混凝土结构参数均值与方差的修正

5.4污染分布下的混凝土结构可靠性分析

5.5工程算例

5.6本章小节

第六章 基于模糊理论和层次分析法混凝土结构安全性研究

6.1模糊理论原理及其评价步骤

6.2层次分析法

6.3结构质量安全分析模型的建立

6.4风险分析考核指标等级的划分

6.5采用AHP法确定结构各层次指标的权重

6.6结构质量安全风险等级的模糊综合评价

6.7工程算例

6.8本章小结

第七章 结论与展望

7 .1本文主要结论

7.2论文创新点

7.3研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文情况

致谢

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