自然潮差环境弯曲荷载作用下混凝土氯离子峰值浓度的分布

混凝土中氯离子的峰值浓度是基于钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性寿命预测的主要参数之一,其时变性和随机性取决于侵蚀环境、材料性能和作用荷载等因素。通过自然海洋潮差环境弯曲荷载作用下的混凝土构件暴露试验,在测得纯弯段混凝土的自由氯离子浓度的基础上,研究了弯曲荷载对混凝土中氯离子峰值浓度随机分布的影响。结果表明,自由氯离子峰值浓度的均值受弯曲荷载水平、水灰比及暴露时间的影响很大;而无论是在受压区还是受拉区,弯曲荷载作用下的混凝土氯离子侵蚀峰值浓度绝大多数服从对数正态分布;弯曲荷载水平、混凝土水灰比和暴露时间对混凝土中自由氯离子峰值浓度的分布类型的影响很小。     

模拟自然潮差环境混凝土氯离子侵蚀对流区深度的相似性与随机性

对流区深度是氯盐侵蚀环境下水泥基材料及其构件耐久性寿命评价的主要参数之一,由于受环境及材料等随机性因素的影响,对流区深度为随机变量。通过在人工气候模拟环境下的暴露试验,测得不同暴露时间后不同水灰比混凝土中的自由氯离子浓度及其对流区深度;对比自然潮差环境下的试验结果,研究了人工气候模拟环境条件下混凝土氯离子对流区深度的相似性与随机性。结果表明,在两种试验环境条件下,混凝土氯离子侵蚀具有一定的相似性,混凝土试件均在暴露一段时间后形成了明显的对流区,且对流区深度都在4 mm左右;人工气候模拟环境下,水灰比对混凝土氯离子对流区的深度及其分布类型无明显影响,而暴露时间和环境因素的影响较为明显;在人工气候模拟环境下,混凝土氯离子对流区深度总体上服从均值为3.76 mm标准差为0.92 mm的正态分布。     

自然潮差环境下掺合料对混凝土氯离子扩散性能衰减的影响

以海洋潮差区环境暴露时间为60 d,120 d,240 d和360 d的现场试验为基础,研究了水灰比及掺加硅粉、粉煤灰、火成岩纤维对混凝土氯离子扩散性能衰减的影响,推导了混凝土扩散系数的时间衰减系数的计算公式,引入氯离子扩散系数衰减速率后进一步分析了长期暴露后混凝土扩散性能的衰减规律,并以已有研究成果分析了不同氯盐环境下掺合料对该扩散性能衰减的影响。结果表明:水灰比越大,混凝土氯离子扩散系数的时间衰减系数越小;单掺粉煤灰、火成岩纤维时扩散系数的时间衰减系数均增大,对氯离子扩散性能的衰减影响明显;掺入硅粉,能有效降低混凝土的氯离子扩散性,但对其时间衰减系数的影响较小;复掺硅粉和粉煤灰对扩散性能的早期衰减影响最为显著,其改善效果可达普通混凝土46.5%;掺合料对混凝土氯离子扩散性能的衰减系数的影响随时间逐渐减小,氯离子扩散系数的衰减速率最终趋于稳定;混凝土暴露的时间越长,掺合料对扩散性能的衰减影响越显著。     

自然潮差环境下粉煤灰混凝土微观结构的时变过程

基于自然潮差环境下在较长时间的暴露试验,获得了混凝土中自由氯离子浓度,并用压汞法测定了不同暴露时间后的不同掺量粉煤灰混凝土的微观结构参数;分析了粉煤灰掺量对混凝土孔隙率、孔径分布及其时变性和自由氯离子浓度的影响;在此基础上,探讨了粉煤灰混凝土中的孔径占比和孔隙率等微观结构参数与其自由氯离子浓度的时变关系。结果表明:粉煤灰可以有效的减少混凝土孔隙率,改善了其孔径分布,增加了10 nm～100 nm的孔径占比,降低了100 nm～1 000 nm的孔径占比;随着暴露时间的延长,混凝土中100 nm～1 000 nm和1 000 nm以上孔径的贡献孔隙率逐渐降低,但对于10 nm以下的贡献孔隙率没有明显的影响;同一暴露时间后,混凝土氯离子峰值浓度随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低,且在暴露后期,粉煤灰对混凝土中自由氯离子浓度分布的影响更加显著。     

氯离子环境下混凝土钢筋坑蚀深度的随机性研究

以Fick第二定律为基础,推导了考虑氯离子扩散系数时变性的预测混凝土中钢筋最大坑蚀深度的随机时变模型,并以人工气候氯盐环境下的试验结果为例,分析了影响钢筋最大坑蚀深度的主要因素及其敏感性;以Monte Carlo方法,分析了人工气候氯盐环境下混凝土内钢筋最大坑蚀深度的概率分布特性,并预测了不同暴露时间内钢筋的最大坑蚀深度。结论表明,混凝土的保护层厚度对钢筋最大坑蚀深度的影响最大,钢筋的最大坑蚀深度服从正态分布;人工气候氯盐环境下混凝土内钢筋的最大坑蚀深度随侵蚀时间的增长而呈近似线性增大,且与试验结论相符。     

暴露与养护时间对混凝土氯离子扩散性能的影响

随着暴露于实际环境中时间的延长,氯离子在混凝土中的扩散性能逐渐衰减。获取氯离子扩散性能与时间的关系是困难的,而养护时间对混凝土氯离子扩散性能也有影响。通过设计的人工气候环境下暴露和养护时间因素试验,测定了不同配合比、不同养护时间和暴露时间的混凝土中自由氯离子的浓度,并利用Fick第二定律分析了试验混凝土的氯离子扩散系数。分析和试验的结果表明,混凝土扩散系数随着暴露时间和养护时间的延长而降低,而暴露时间对混凝土氯离子扩散性能的影响更加明显,且扩散系数的降低幅度有减缓的趋势。     

潮差环境下混凝土氯离子扩散时变性与孔隙分形特征的关系

通过人工气候模拟潮差区氯离子环境下混凝土的暴露试验,测定了不同暴露时间后的混凝土自由氯离子浓度,分析了其扩散系数及其时变性;以MIP法测定了不同暴露时间下混凝土的总孔隙率和孔径分布等孔隙特征参数,分析了其时变性;研究了潮差环境下混凝土扩散系数与孔隙微观参数的时变性关系,混凝土孔表面分形维数与扩散系数的关系。结果表明:在模拟潮差环境下,随着暴露时间的延长,混凝土氯离子扩散系数和总孔隙率均逐渐减小,而孔表面分形维数逐渐增大;不同暴露时间后,混凝土氯离子扩散系数与其各级孔隙率有较好的相关关系;混凝土不同孔径范围的孔表面分形维数与其氯离子扩散系数之间的相关性不同,其中以孔径范围为100~1000 nm的大毛细孔的孔表面分形维数相关性最高。     

基于混凝土氯离子扩散系数时变性的钢筋坑蚀面积随机时变模型

基于Fick第二定律,建立了考虑混凝土氯离子扩散系数时变性的钢筋坑蚀面积随机时变模型,分析了影响钢筋坑蚀面积的主要因素及其敏感性;以Monte Carlo方法和实测的临海既有混凝土自由氯离子浓度,研究了该环境下既有混凝土内钢筋坑蚀面积的概率分布特性,并分析了混凝土氯离子扩散系数时变性和保护层厚度对钢筋坑蚀面积的影响。结果表明,混凝土氯离子扩散系数时变性和保护层厚度对钢筋坑蚀面积的影响最大,钢筋坑蚀面积服从对数正态分布;在该临海氯盐环境下,考虑混凝土扩散系数时变性计算的钢筋坑蚀面积为不考虑时变性的2倍多,考虑混凝土扩散系数时变性的计算结论与实测结果吻合。     

不同因素对电化学除氯处理后混凝土残留氯离子分布的影响

研究了矿物掺合料、施加电压、电解质溶液等因素对混凝土试件在电化学除氯处理后残留氯离子分布的影响规律。试验采用20~60 V稳压电源、两种不同电解质溶液和钛金属网阳极对不同配合比混凝土试件进行了连续14 d的电化学除氯处理,并在试件不同部位取样测试其残余氯离子含量。结果表明:经过电化学除氯处理,混凝土试件中沿着钢筋界面向混凝土外缘方向的氯离子含量逐渐递增,外层残余氯离子浓度约为内层浓度的3至4.5倍;除氯电压越大,则混凝土中内外层氯离子含量的差距越大;相同条件下,Na_3BO_3溶液的除氯效果优于饱和石灰水溶液,但两者对除氯后试件中氯离子的分布并无明显影响;由于掺硅灰和矿渣提高了混凝土的密实度,导致除氯后混凝土中残留氯离子含量有所增加。     

钢筋对受盐冻混凝土氯离子扩散的影响

基于受盐冻混凝土中氯离子扩散规律的试验研究,修正Fick第二定律解析解,建立了盐冻环境氯离子扩散模型,分析了钢筋对混凝土中氯离子扩散的阻滞效应,研究了不同保护层厚度与钢筋直径比值对混凝土中氯离子扩散的影响。研究结果表明,受盐冻混凝土中钢筋表面的氯离子浓度增大系数、混凝土保护层厚度与钢筋直径比值相关;受盐冻混凝土构件中钢筋表面氯离子浓度受钢筋与混凝土保护层厚度的共同影响,随保护层厚度增大,混凝土中氯离子扩散系数增大;钢筋表面的氯离子浓度增大系数具有时变特征,随结构服役时间先升后降,并存在增大效应终止的临界时间。     

考虑空间效应的毒气扩散当量危害研究

为揭示空间尺寸对扩散毒气当量危害的影响规律,参考毒气危害程度评价标准,提取有限空间毒气危害程度评价因素,运用均一质量浓度模型与仿真方法,以毒物负荷准则为基础,融合空间毒气动态变化浓度与暴露时间等因素,构建毒气扩散当量危害模型。模拟不同尺寸空间的毒气扩散浓度与人群疏散时间,生成不同有限空间中毒气扩散浓度动态变化曲线,仿真计算人群暴露时间,揭示空间效应对扩散毒气当量危害的影响机制,量化分析有限空间中扩散毒气的危害程度。模拟结果表明:随着空间尺寸的增加,毒气扩散当量危害值呈现先增后减的趋势,并在空间大小达到某一值时,毒气当量危害值达到峰值,在峰值点的左右邻域内,空间尺寸越大,毒气扩散当量危害值的增长与衰变速率就越低。     

钱塘江河口水体氯离子含量及对混凝土的侵蚀

通过对钱塘江河口感潮环境表层水体中氯离子含量及其海塘上水工混凝土表面氯离子浓度的检测，考察了水体中氯离子含量与离河口距离及护坡混凝土表面氯离子浓度的关系。结果表明，河口感潮环境下水体中的氯离子含量，总体上是距离河口越近则表层水体中的氯离子含量越高，并与混凝土表面氯离子浓度之间具有较好的相关性，而混凝土表面氯离子浓度与其不同深度时的浓度之间近似完全正相关。设法减少水体中的氯离子入侵，是提高钱塘江河口感潮段混凝土结构抗氯离子侵蚀耐久性的关键措施。     

水灰比对高温下混凝土质量损失及抗压强度影响试验研究

为研究水灰比对不同温度作用下混凝土残余抗压强度、质量损失的影响,对不同受火温度和不同水灰比的混凝土标准立方体试件进行高温下及高温后的抗压强度试验和质量损失测试。试验结果表明:随着水灰比的增大,高温下及高温后混凝土抗压强度、混凝土质量损失均呈现出整体下降的趋势。通过试验拟合回归分析,建立了高温下混凝土抗压强度、质量损失与受火温度之间的关系式,可通过质量损失、受火温度来预估高温下混凝土残余抗压强度。     

氯盐环境下钢筋混凝土构件锈胀开裂风险概率分析

为了研究时间和空间等不确定因素下钢筋混凝土构件的锈胀开裂损伤,针对氯离子腐蚀环境,将钢筋锈蚀划分为2阶段3个特征时刻,分析了锈蚀初始时间、锈胀开裂时间以及锈胀开裂至界限宽度时间的概率特征,建立了钢筋混凝土构件生命周期内锈蚀损伤的风险概率模型,讨论了锈蚀损伤影响参数的敏感性。结果表明:钢筋锈蚀对其影响因素的敏感程度依次为混凝土保护层、临界氯离子浓度、扩散系数和混凝土表面氯离子浓度;钢筋混凝土构件从发生锈胀开裂到裂缝达到界限宽度的时间很短,界限宽度的取值对锈蚀损伤的影响并不显著。     

弯曲荷载对混凝土氯离子扩散与钢筋初锈时间的影响

通过设计的人工气候环境下水工混凝土梁加载侵蚀对比试验,分析了弯曲荷载作用下梁的纯弯区与无荷载作用下混凝土的氯离子浓度分布,并以F ick第二定律和Monte Carlo方法为基础,研究了弯曲荷载对水工混凝土的氯离子扩散参数与钢筋初始锈蚀时间的影响。结论表明,弯曲荷载对受压区混凝土的氯离子扩散有抑制作用,并延缓了受压区钢筋初始锈蚀时间。     

回填土钻孔灌注桩-承台混凝土水化作用效应现场试验

混凝土早期水化作用释放大量热量,会引起桩身温度和桩身应力变化,从而影响桩基承载性能。通过开展现场试验,研究回填土地基中钻孔灌注桩-承台混凝土水化热对桩身及桩基周围土体的影响,实测并分析了桩身及桩基周围土体温度随时间、深度的变化规律和桩基应力随时间的变化规律。研究结果表明,试桩混凝土浇筑完成后,0.7 d时桩体不同深度处的温度均达到最大值,21.4d时其温度基本稳定;桩体温度随时间变化规律可分为快速上升、快速下降、缓慢降低和基本稳定4个阶段。承台混凝土水化热效应仅对桩基周围浅层土体温度有一定影响,当深度大于3 m时,其对土体的温度作用效应基本可以忽略。桩基约束应力变化表现为先迅速增长再缓慢下降最终趋于稳定,最大约束应力值与混凝土轴心抗拉强度十分接近。     

混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型试验研究

通过长达2年的干湿循环试验,得到了48个锈蚀钢筋混凝土试件;采用数理统计相关知识,对试件的锈蚀特征进行了分析,建立了与保护层厚度、表面裂缝宽度、钢筋直径、混凝土强度等级及箍筋间距相关的混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型;对模型进行参数敏感性分析表明,表面锈胀裂缝宽度是影响钢筋锈蚀深度的最主要因素,而较小的箍筋间距对纵向钢筋锈蚀深度也具有较明显影响;经试验数据验证表明,该模型具有较好的适用性。     

锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验与本构关系模型∗

为了研究揭示锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压特性,基于36组锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验,获得了不同锈蚀程度箍筋约束混凝土的应力—应变曲线试验数据,分析了箍筋质量锈损率对约束混凝土的峰值应力、峰值点应变、极限应变以及破坏形态的影响规律,并分别建立相应的计算模型,进而研究提出了锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压本构关系模型。结果表明:随着箍筋质量锈损率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值点应变和极限应变逐渐降低;箍筋体积配箍率越小,箍筋质量锈损率对峰值应力和极限应变的影响越显著;当箍筋质量锈损率分别超过15%、10%和30%左右时,大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂;锈蚀箍筋约束混凝土单轴受压本构关系模型的计算值与试验数据吻合较好,说明该模型能够合理描述箍筋锈蚀程度对约束混凝土单轴受压应力—应变曲线的影响规律。     

冻融循环作用后钢筋混凝土电化学除氯效果研究∗

为探究盐冻环境钢筋混凝土结构经电化学除氯后的残余氯离子分布规律,本文设计快速冻融试验,对冻融循环作用后的钢筋混凝土开展电化学除氯试验,研究冻融循环次数、除氯时间和粉煤灰掺量等因素对钢筋混凝土电化学除氯效果的影响。研究表明,粉煤灰混凝土电化学除氯效率受冻融循环作用影响和粉煤灰二次水化的共同影响,冻融循环作用引起的混凝土性能劣化导致电化学除氯后混凝土内残余氯离子呈凸型分布,集聚在距混凝土表面 15~25 mm 范围,钢筋附近残余氯离子含量最低。结果表明,冻融循环作用会引起混凝土电化学平均除氯效率上升,相较于未冻融试件,冻融循环作用 100 次的试件上升约 12.5%;随电化学除氯时间增加,平均除氯效率会增大,混凝土内残余氯离子含量下降和外迁总量正相关;随粉煤灰掺量增加,混凝土电化学除氯效率增大,掺 10%、 20%、30% 的粉煤灰混凝土,其 28 d 平均除氯效率分别达到 51.2%、54.5%、59.9%。     

火灾后混凝土结构损伤检测方法研究与探讨

研究了火场最高温度、持续时间对混凝土材性的影响,采用逐层深入-劈拉法研究了沿深度方向的不同损伤情况。研究表明,混凝土力学性能,包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量等,随温度升高而显著降低;抗压强度、抗拉强度均随持续时间的增长而下降。逐层深入-劈拉法试验表明,在最高受火温度基本相同的情况下,残余强度随受火时间不同而有较大的差别;受火时间短的试件强度曲线呈明显的非线性,而受火时间长的试件强度曲线则趋于线性。对于火灾后混凝土构件的检测,在钻芯法的基础上提出了多次横向劈拉法;基于混凝土受损趋势为双曲线模型的假定,提出了首波传播路径为抛物线的改进超声波检测法。