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原文传递酸雨环境下既有混凝土桥梁耐久性评价方法研究

论文题名：	酸雨环境下既有混凝土桥梁耐久性评价方法研究
关键词：	混凝土桥梁;酸雨环境;结构应力;统一预测模型;耐久性评价
摘要：	混凝土桥梁结构的耐久性问题是当前学术界和工程界研究的热点问题，其中钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性能降低的最主要因素，而混凝土中性化是引起钢筋锈蚀的主要诱因之一，碳化及酸雨侵蚀则是导致混凝土中性化的主要原因。既有桥梁混凝土的中性化涉及到桥位环境、荷载等多因素作用，同时也与结构的诸多因素如材料和构造等密切相关，是一个复杂的系统问题。随着人类活动的加剧，工业化进程的加快，桥位环境也变得日益复杂，如二氧化碳浓度的升高，高频率与低酸度酸雨的侵蚀等都给混凝土耐久性带来严峻的考验。因此，如何研究持荷状态下混凝土结构在碳化和酸雨共同作用的中性化性能及其规律，评价混凝土桥梁结构的耐久性能，预测混凝土桥梁结构的剩余寿命，为今后混凝土桥梁结构的耐久性设计、施工和养护与维修等提供理论指导具有重要的意义。　　论文选取影响混凝土结构耐久性-混凝土中性化的环境因素（CO2和酸雨）和力学因素（弯曲荷载、轴心受压荷载）组合，设计了单一因素和多因素作用下混凝土试件中性化试验方法，通过理论分析、试验研究和数值模拟等方法分析了多因素作用下混凝土构件的中性化性能，揭示了混凝土中性化机理及其规律，最终建立了多因素作用下混凝土中性化深度统一预测模型，并对混凝土桥梁耐久性评价方法和寿命预测进行了研究。主要研究内容如下: 　　(1)多因素作用下混凝土中性化试验设计与研究　　根据试验内容和腐蚀环境，采用碳化箱快速碳化、模拟酸雨池浸泡与晾干循环腐蚀制度，设计了单独碳化、单独酸雨侵蚀、碳化-荷载、酸雨侵蚀-荷载、碳化-酸雨侵蚀-荷载共同作用混凝土构件的中性化试验方法，并优化了试验操作流程，从而确保试验顺利进行。　　针对混凝土构件中性化试验环境的腐蚀性和多变性、试验设备容量的限制、混凝土的徐变及加载杆件的松弛等影响，对持荷试件加载装置进行了设计与研究。通过自平衡加载装置对紧固件施加扭矩来控制持荷试件的应力水平（弯曲应力、轴心压应力），并实时监测不同材质及环境下的扭矩系数、混凝土的徐变和紧固件的应力松弛，以此获得应力和扭矩的衰减规律，为试件应力补偿提供理论依据。　　(2)多因素作用下混凝土结构中性化试验研究　　试验重点研究了碳化、酸雨和应力因素中单一、双重和多重环境因素下混凝土构件的中性化深度及其发展规律，同时对防护涂装后混凝土构件中性化深度也进行了相应试验研究。试验结果表明:试验验证了混凝土构件的碳化（或酸雨腐蚀）及应力作用下的碳化（或中性化）规律，即无论酸雨、碳化等单一因素或双重因素作用，混凝土中性化深度值与时间平方根呈正比关系;拉应力可促进混凝土中性化，而压应力抑制其中性化，应力与混凝土中性化深度值之间呈近似线性关系。试验也得出了多因素作用下混凝土构件中性化规律，即碳化和酸雨存在耦合现象，酸雨在某种程度上抑制碳化作用，酸雨和碳化耦合系数小于1，混凝土中性化各因素影响程度由低到高依次为酸雨侵蚀、先酸雨侵蚀后碳化、碳化、先碳化后酸雨侵蚀、碳化和酸雨侵蚀叠加;防护涂装对混凝土的中性化有明显的抑制作用。　　(3)多因素作用下混凝土构件腐蚀机理与数值模拟分析　　对混凝土碳化、酸雨侵蚀和荷载作用下单一因素、双重因素及多重因素作用下的腐蚀机理分别进行了分析与研究。依据扩散理论、质量守恒定律和有限元数值模拟，对上述因素作用下的混凝土中性化进行了数值模拟和有限元分析，研究了混凝土构件中性化区域的物质含量分布、pH值和中性化深度。数值模拟和有限元分析结果表明:在混凝土中性化过程中，完全碳化区内的CO2浓度曲线近似呈直线下降，部分碳化区内呈非线性下降，整体曲线呈指数分布，而H+和SO42-呈非线性下降分布;混凝土内部Ca(OH)2含量和pH值是连续变化的，存在部分中性化区。混凝土部分碳化区域的范围，是由混凝土中碳化反应物质变化的范围决定的，而不仅仅是pH值。混凝土部分碳化区的长度大于pH值变化区域的长度;应力、酸雨与碳化存在耦合效应，酸雨腐蚀初期抑制碳化进行。经本文和有关文献试验验证，混凝土中性化深度的数值模拟具有一定的可信度，可为今后混凝土构件的耐久性研究提供一条思路。　　(4)建立多因素作用下混凝土构件中性化深度统一预测模型　　在试验研究和数值模拟的基础上，结合已有混凝土构件中性化深度理论模型，首先建立碳化基本模型和酸雨侵蚀基本模型，然后通过碳化和酸雨侵蚀共同作用下的混凝土中性化规律，建立碳化和酸雨耦合作用下混凝土中性化基本模型;最后重点考虑应力因素，并参照大量文献，根据影响混凝土构件中性化的各因素（材料因子、环境因子、施工因子等）对基本模型进行了修正，最终建立多因素作用下混凝土构件中性化深度统一预测模型，经验证，统一预测模型具有一定的可信度，具有实用价值。　　(5)混凝土桥梁耐久性评价方法研究　　针对影响混凝土桥梁耐久性-混凝土构件中性化的各因素，运用层次分析法和模糊数学综合评价法对混凝土桥梁结构耐久性评价方法进行了研究。从混凝土桥梁耐久性设计、施工、环境因素以及养护管理等方面对其进行了综合评价，建立了评价模型及评价方法，从而为今后的混凝土桥梁结构的耐久性评估、维修与加固对策乃至设计与施工等提供理论指导。　　基于混凝土构件中性化深度的概率分布模型、可靠度指标以及试验与实际环境相似关系对混凝土桥梁耐久性剩余寿命预测进行了研究，为今后桥梁的维修与加固策略提供了理论支撑。
作者：	许崇法
专业：	结构工程
导师：	曹双寅
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文