基于全寿命理论的海工混凝土耐久性优化设计

摘要

本文将以混凝土结构全寿命理论为指导，以建设期海工混凝土的耐久性劣化为主要研究对象，在混凝土原材料高性能化、混凝土结构耐久性检测以及混凝土配合比优化三方面进行研究：(1)针对细骨料级配特征对混凝土耐久性能影响进行研究，分析细骨料级配特征与混凝土抗氯盐侵蚀性能之间的关系；(2)分析混凝土抗氯盐侵蚀性能变化规律及各内因、外因的影响规律，对海工混凝土的耐久性设计提出要求；(3)基于耐久性和低碳绿色环保要求，对氯盐侵蚀环境中混凝土配合比的设计进行优化和改进，并编制设计软件。
　　 具体研究内容如下：
　　 1、将分形理论引入细骨料的级配特征的分析，提出用体积分形维数这一富含空隙率、骨料密度、级配特征等信息的参数来描述细骨料；并对砂浆和混凝土试件的抗氯离子扩散性能进行试验，提出细骨料体积分形维数和混凝土性能之间的对应关系。对骨料随机分布进行二维数值模拟，将骨料的不同级配转化为二维数值模拟时的骨料面积率，对骨料随机分布模型进行有限元计算，并结合混凝土试件氯盐侵蚀试验，分析不同骨料级配对混凝土抗氯盐侵蚀性能的影响。
　　 2、通过①对浙江沿海港口、日本沿海部分港口的现场原位氯离子侵蚀检测，②对杭州湾大桥暴露试验站和日本港湾空港技术研究所(PARI，Port and AirportResearch Insitute)暴露试验站内试件的氯离子侵蚀状态检测，③对进行室内加速试验的试件的氯离子侵蚀状态检测，以及④对文献资源的搜集整理，获得各类混凝土受到盐侵蚀后的耐久性检测原始检测数据；并通过收集整理相应的混凝土资料和必要的环境水文信息等资料，利用Web技术与Django技术编制了基于网络平台的数据库管理系统，配合使用MySQL技术进行数据库的操作设计和连接，完成数据库管理系统的编写，其中包括了混凝土材料信息、环境作用、结构服役年限、试验方法、检测方法完备的信息。通过分析这些不同来源的检测数据。得到影响沿海、近海混凝土结构耐久性劣化的关键因素及耐久性劣化规律，用作沿海及近海混凝土结构全寿命管理的重要信息来源和基础，并为评价混凝土抗氟盐侵蚀性能劣化规律提供重要的数据支持。
　　 3、基于混凝土对氯离子侵蚀的抗力为耐久性能研究指标，对服役初期的混凝土在养护条件和服役环境耦合作用下的抗氯离子性能发展变化进行试验研究，分析养护条件和后期服役环境在混凝土抗氯盐侵蚀性能变化上的耦合效应。对服役初期的混凝土在养护条件和服役环境耦合作用下的抗氯离子性能发展变化进行试验研究，比较某一服役环境中氯离子扩散系数及稳态电迁移系数随早期养护龄期不同的变化规律，针对不同的后期服役环境的腐蚀特点对初期养护工艺提出要求。
　　 4、基于已建立的服役海工混凝土结构氯离子侵蚀检测数据库，归纳整理采用不同试验方法获得的数据，对氯离子扩散系数的时变效应进行分析，结合混凝土配合比特征参数给出不同混凝土的氯离子扩散系数的时间衰减系数。根据我国《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的建议，确定以28天基准龄期时的快速电迁移系数DRCM，28作为基于耐久性要求的混凝土设计时的抗力指标；基于数据库中丰富的检测数据及养护条件与暴露环境耦合作用的试验结果，讨论不同的混凝土氯离子抗力指标(Da和DRCM)间的联系和转换规律，并给出设计指标的材料影响(内因)系数kmaterial、环境影响(外因)系数ke等的经验公式或经验取值，为进行基于抗氯离子侵蚀性能要求的混凝土材料优化设计建立基础。
　　 5、采用非线性分析方法建立混凝土的抗氯盐侵蚀性能指标与混凝土配合比设计参数之间的映射关系，确定基于混凝土材料组成的氯离子快速电迁移系数DRCM，28的预测模型。在传统混凝土配合比设计方法的基础上，将混凝土的抗氯离子扩散性能作为重要的判定依据引入设计流程，并结合节能减排的要求考虑混凝土建设期的CO2排放量，对海工混凝土的配合比设计进行优化计算，编写混凝土配合比优化设计的软件系统；综合考虑建设成本的经济性和延长混凝土使用寿命，获得混凝土优化设计后的经济效益和社会效。