详情

原文传递硫酸盐腐蚀作用下山岭隧道衬砌结构劣化及承载力演变研究

论文题名：	硫酸盐腐蚀作用下山岭隧道衬砌结构劣化及承载力演变研究
关键词：	隧道工程;衬砌结构;劣化行为;承载力;硫酸盐腐蚀
摘要：	硫酸盐环境中山岭隧道衬砌的侵腐问题是一个多因素耦合作用下的腐蚀劣化问题，其劣化破坏是离子扩散、化学反应、力学损伤等诸多因素相互耦合、共同作用下的复杂变化过程，各“腐蚀因子”之间并非是简单的“加法”过程，也非纯粹的“乘法”运算，而是各“因子”相互影响、互相放大的过程。目前，对衬砌在硫酸盐腐蚀环境下的侵腐及其承载力劣损-耗散演变规律的研究是一个比较新颖和重要的课题，具有重要的理论意义，对于硫酸盐腐蚀环境中大型、复杂的隧道工程建设也具有十分重要的工程意义。为此，本文以重庆市自然科学基金面上项目“含膏盐地层隧道多场耦合作用致灾效应研究”（项目编号：cstc2020jcyj-msxm X0963）等项目为依托，从有害离子对衬砌材料的腐蚀与多种环境因素耦合作用的视角，综合应用试验研究、理论研究和数值分析方法，探索腐蚀环境下山岭隧道衬砌劣化损伤行为和承载力演变规律。主要研究内容和成果如下：　　（1）设计了有较高适应性的腐蚀-应力-干湿循环耦合试验装置，通过室内试验，测试了试件中硫酸根离子的浓度分布，系统研究多因素影响下的硫酸根离子传输规律。在其影响因素方面，外部环境因素主要考虑温度、荷载、离子浓度、氯离子及干湿循环影响，材料因素则主要考虑不同水灰比的影响。通过对硫酸根离子浓度分布数据进行拟合，得到了混凝土表面硫酸根离子浓度，并分析了表面硫酸根离子浓度的时变规律以及各因素对其的影响，结果表明腐蚀初期表面硫酸根离子浓度快速增加，后期逐渐趋于平缓，采用指数函数能较好地反映其时变规律，并以此提出了表面硫酸根离子浓度时变模型，构建了离子传输方程的时变边界条件。　　（2）通过微观测试方法观察了腐蚀作用下混凝土试件内部微观形貌演化和主要腐蚀产物生长特性。在硫酸盐单盐腐蚀环境和硫酸盐+氯盐复合腐蚀环境下，腐蚀产物及其生长形态基本一致，氯离子的存在并没有改变硫酸盐的腐蚀机理。但处于硫酸盐-氯盐复合环境中的结构将受到更多的腐蚀产物的影响，对钢筋混凝土结构尤其不利。　　（3）采用宏观测试方法研究了腐蚀作用下混凝土及钢筋混凝土试件的宏观性能退化规律。用钢筋混凝土偏压试件模拟隧道衬砌的受力，重点研究了其在腐蚀作用下的承载力演化特征。偏心荷载对腐蚀环境中的钢筋混凝土偏压构件承载力退化具有加速效应，尤其是在高荷载水平下，混凝土内部微裂纹和腐蚀作用将形成相互放大的荷载-传输-劣化耦合效应，加速了承载力的退化。　　（4）基于数学、力学方法，提出了耦合多种环境因素、离子扩散、化学反应及损伤演化影响的非稳态硫酸根离子传输模型，模型在静态扩散-反应理论基础上进行了改进，建立了表面硫酸根离子浓度时变模型，代替静态边界条件，同时放弃了“表观扩散系数”的观念，考虑了扩散系数在扩散域中时间和空间上的差异，提出了扩散系数的时-空模型，通过扩散系数函数和边界离子浓度时变模型，实现荷载、温度、溶液浓度及损伤演化等因素之间的耦合。在上述提出的硫酸根离子非稳态传输模型基础上，进一步考虑硫酸盐-氯盐耦合效应，提出了硫酸根-氯离子耦合传输模型，从理论上刻画了两者共同作用下的离子传输特征。与学术界一般认为的“氯盐和硫酸盐在腐蚀过程中相互抑制”的观点不同，计算结果表明，这种相互抑制效应仅在腐蚀初期成立，后期氯离子将因硫酸盐腐蚀导致的膨胀开裂而加速传输，这种开裂-加速效应在混凝土表层表现得极为明显。　　（5）结合损伤力学理论和腐蚀离子传输模型，提出了腐蚀环境下山岭隧道衬砌承载力演化的预测模型。模型包含了三个子模型，即：腐蚀作用下的混凝土强度退化模型、混凝土-钢筋粘结力退化模型和钢筋剩余面积模型，以此进一步推导了腐蚀环境中衬砌的承载力计算公式，构建了微观腐蚀离子的扩散-反应过程和隧道衬砌宏观力学性能演化之间的直接联系。结果表明钢筋混凝土衬砌受拉区腐蚀导致的承载力衰减较受压区腐蚀更加严重，拱腰和拱脚的承载力退化程度较拱顶更高，山岭隧道衬砌在腐蚀作用下更容易发生大偏心破坏。
作者：	何文正
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	徐林生
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022