[01365033]硫酸盐侵蚀环境下混凝土损伤层演化规律研究

① 课题来源与背景 该项目为安阳师范学院青年教师基于科研启动经费的自选项目。硫酸盐在我国分布广泛,硫酸盐环境中侵蚀性离子与混凝土中水泥胶凝基体反应生成具有膨胀性的侵蚀产物,最终导致混凝土细观结构产生缺陷,由表及里形成损伤层。随着侵蚀时间增长,混凝土结构的损伤层厚度增加,损伤层混凝土不断劣化,结构的有效截面减小,如果损伤层厚度大于混凝土保护层厚度时,钢筋失去原有的保护,锈蚀速度大幅提高,混凝土结构承载性能加速劣化,严重威胁到混凝土结构的安全性能。因此,研究硫酸盐环境下混凝土损伤层厚度演化规律及损伤层混凝土强度劣化规律,对于硫酸盐环境下混凝土结构的耐久性评估及寿命预测具有重要意义。 ② 技术原理及性能指标 当混凝土遭受冻害、火灾或化学物质侵蚀时,外层混凝土会不同程度的产生损伤,出现微裂缝并导致疏松从而形成一定厚度的损伤层,影响混凝土结构的承载力和耐久性。混凝土损伤层厚度能有效反映混凝土的损伤劣化程度,可以作为衡量混凝土受侵蚀后性能退化的重要指标。随着超声检测技术的发展,损伤层的计算分析更多应用到了混凝土耐久性研究中。本课题系统研究了硫酸盐侵蚀与干湿循环共同作用、硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下的混凝土损伤层厚度变化规律,从损伤层角度分析了混凝土的劣化规律,建立混凝土损伤层厚度预测模型和混凝土损伤速率预测模型,并建立了损伤层混凝土抗压强度计算方法。 ③ 技术的创造性与先进性 本项目采用试验研究及理论分析相结合的方法,利用无损检测技术中的超声波平测,系统研究了硫酸盐侵蚀与干湿循环共同作用、硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下的混凝土损伤层厚度变化规律,从损伤层角度分析了混凝土的劣化规律,建立了硫酸盐侵蚀与干湿循环共同作用下,考虑水胶比、粉煤灰掺量和硫酸盐溶液浓度影响的混凝土损伤层厚度预测模型和混凝土损伤速率预测模型;建立了硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下的混凝土损伤层厚度预测模型和混凝土损伤速率预测模型;并对损伤层混凝土的力学性能进行分析,建立了损伤层混凝土抗压强度计算方法。本项目研究为混凝土结构在硫酸盐环境中的耐久性评估及待建结构的耐久性设计提供参考,并能有效预防和减轻复杂硫酸盐环境对混凝土建筑物的侵蚀破坏。 ④ 技术的成熟程度,适用范围和安全性 当混凝土遭受冻害、火灾或化学物质侵蚀时,外层混凝土会不同程度的产生损伤,出现微裂缝并导致疏松从而形成一定厚度的损伤层,影响混凝土结构的承载力和耐久性。混凝土损伤层厚度能有效反映混凝土的损伤劣化程度,可以作为衡量混凝土受侵蚀后性能退化的重要指标。随着超声检测技术的发展,损伤层的计算分析更多应用到了混凝土耐久性研究中。对于混凝土损伤层厚度的测量,通常采用超声波平测法进行,该方法是无损检测技术的一种,采用NM-4B型非金属超声检测仪,根据脉冲波在混凝土损伤层和未损伤层传播速度的不同来测量并得出混凝土损伤层厚度结果,及时研究了解硫酸盐环境下的混凝土损伤劣化机理和性能退化规律,对于提高大型混凝土工程耐久性与安全性,延长结构的使用寿命有重要意义,从而有效节约能源和减少对环境的污染,对国民经济可持续发展将产生积极的作用。同时,对提升结构工程学科在混凝土结构耐久性和安全评估领域研究水平具有积极的促进作用。 ⑤ 应用情况及存在的问题 在结构耐久性设计、评估及寿命预测方面,根据混凝土建筑物结构类型、结构重要性及环境条件,研究硫酸盐环境下混凝土结构耐久性与结构安全性及使用性的关系,提出硫酸盐环境下混凝土结构的耐久性设计原则,与相应规范相协调,综合考虑耐久性损伤引起的结构性能退化,建立硫酸盐环境下符合实际工程情况的耐久性设计、评估与寿命预测方法。 在工程结构维修决策方面,结合实际工程情况的耐久性评估与寿命预测,综合考虑工程项目结构的耐久性现状、未来环境影响以及使用要求,对混凝土工程修复方案进行优化决策,确定工程最佳修复时机及修复方案;并且基于混凝土耐久性进行建筑工程项目全寿命经济分析,给出已有建筑工程项目维修及经济分析的基本框架。 存在的问题主要是,该项目只针对某些工程背景做了一些初步研究,实际混凝土结构所处的环境更加复杂,在硫酸盐侵蚀的同时,还有碳化、冻融、氯盐侵蚀、荷载作用、外界冲击、磨蚀等多因素的影响,研究空间很大,在此基础上可以开展更符合实际硫酸盐侵蚀环境的研究。此外,本项目研究主要是建立在材料层次上的,而混凝土耐久性设计研究应当从材料过渡到构件,最终过渡到结构上。因此,对混凝土进行构件、结构层面的耐久性试验研究具有重要意义。同时,如何将混凝土材料层面的耐久性研究成果与构件、结构层面的耐久性研究成果更好的结合应用也是混凝土耐久性设计考虑的重要内容。