二氧化碳和硫酸根对隧道衬砌混凝土的侵蚀规律研究

摘要

隧道作为隐蔽工程，受到荷载和周围环境的多重作用，对其耐久性提出了严峻的挑战。隧道常见的耐久性病害包括：衬砌裂损、衬砌腐蚀（包括碳化、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀等）、冻害等。 本文以侵蚀性介质在混凝土内部的扩散传输机理为依据，围绕衬砌混凝土分别在大气环境中的碳化和溶液长期浸泡条件下的硫酸根侵蚀作了探讨。本文的研究工作有： 1.对我国隧道服役期间的常见病害进行了综合分析，并在此基础上着重针对碳化和硫酸根侵蚀对衬砌混凝土的侵蚀和危害进行了分析。 2.根据相关的数据，在碳化扩散理论模型和前人研究的基础上，分析了不同因素对混凝土碳化速度的影响，提出了多参数碳化深度预测公式。 3.对隧道混凝土中硫酸根侵蚀的可能来源进行了分析，对各种侵蚀途径的影响和作用机理进行了有针对性的研究。 4.利用Fick第二扩散定律和傅立叶变换，针对隧道衬砌混凝土在环境水浸泡下的硫酸根侵蚀，建立了硫酸根侵蚀的基准扩散模型；考虑扩散过程中吸附作用的影响，建立了考虑吸附作用的改进扩散模型。 5.根据经典相似理论，运用Fick第一定律，研究了自然碳化和快速碳化之间的相关规律；运用Fick第二定律，研究了硫酸根自然侵蚀和快速侵蚀之间的相关规律。 6.研究了硫酸根侵蚀造成的混凝土膨胀开裂全过程，分析了生成物石膏和钙矾石分别对混凝土体积膨胀的影响。考虑混凝土孔隙率、收缩、极限拉应变等因素的影响，提出了硫酸根侵蚀下不同的产物类型引起的混凝土最终体积膨胀量计算公式。提出了硫酸根浓度阈值的概念，并根据硫酸根侵蚀产物的不同类型，分别提出了硫酸根浓度阈值的计算公式。 本论文得到高等学校博士学科点专项科研基金项目“现代混凝土结构早期开裂敏感性与微裂缝演化规律对服役性能影响研究”（批准号：20070335087）和国家高科技研究发展计划（863计划）“综合环境下大型土木工程基础设施耐久性试验技术”（项目编号：2006AA042415）的资助。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2在役隧道碳化的研究现状

1.3在役隧道硫酸根侵蚀的研究现状

1.4本文研究内容及研究目标

1.4.1研究内容

1.4.2研究目标

参考文献

第二章 CO2对衬砌混凝土的侵蚀舰律研究

2.1衬砌混凝土碳化的全程分析

2.2碳化作用下衬砌混凝土的破坏规律研究

2.3多参数碳化深度预测公式的建立与验证

2.3.1化理论模型及既有预测公式

2.3.2本文预测公式的建立

2.3.3本文碳化深度预测公式的预测效果验证

2.4本章小结

参考文献

第三章 衬砌混凝土中硫酸根来源分析与传输机理研究

3.1隧道衬砌混凝土中硫酸根的来源分析

3.2不同来源的硫酸根对混凝土耐久性能的影响

3.2.1原材料中的硫酸根对混凝土性能的影响

3.2.2外界环境中渗入的硫酸根的影响

3.3隧道环境对衬砌混凝土的侵蚀等级判定

3.4本章小结

参考文献

第四章基于扩散理论的硫酸根侵蚀理论模型

4.1不同条件下硫酸根在混凝土内的传输机理

4.2溶液长期浸泡下硫酸根的扩散模型研究

4.2.1基于扩散理论的So2根侵蚀的基准模型

4.2.2考虑吸附效应的改进SO2-根扩散模型

4.3本章小结

参考文献

第五章基于扩散理论的碳化及硫酸根侵蚀的相似性研究

5.1经典相似理论

5.2自然碳化与快速碳化之间的相似规律研究

5.2.1相似准则的理论推导

5.2.2自然碳化与快速碳化的时间换算关系

5.3硫酸根自然侵蚀与快速侵蚀之间的相似规律研究

5.3.1相似准则的理论推导

5.3.2自然侵蚀与快速侵蚀的时间换算关系

5.3.3温度对SO2-侵蚀的影响研究

5.4SO2-根侵蚀过程的相似试验设计方法探讨

5.5本章小结

参考文献

第六章SO2-侵蚀下混凝土膨胀规律研究

6.1SO2-侵蚀下混凝土的膨胀理论

6.1.1石膏的膨胀特性

6.1.2钙矾石的膨胀特性

6.2SO2-侵蚀下混凝土膨胀破坏的全程分析

6.3混凝土体积膨胀量的理论计算公式

6.3.1石膏为膨胀源的计算

6.3.2钙矾石膨胀源的计算

6.3.3石膏和钙矾石并存型

6.4混凝土中SO2-浓度的阈值计算

6.4.1石膏膨胀型硫酸根浓度阈值

6.4.2钙矾石膨胀型硫酸根浓度阈值

6.4.3石膏和钙矾石并存型

6.5对膨胀量计算各影响因素的讨论

6.6本章小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢