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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

氯盐⁃硫酸盐环境下钢筋混凝土柱抗震性能退化过程的数值模拟∗

针对氯盐-硫酸盐环境中钢筋混凝土构件抗震性能的劣化问题,利用Fick定律、离子浓度与材料损伤的拟合关系,确定了硫酸盐侵蚀下混凝土的损伤本构模型,根据氯盐环境下钢筋锈蚀特征及法拉第定律建立了钢筋截面积损失时变模型,并通过OpenSees软件分析了柱构件在侵蚀环境中抗震性能的退化情况。结果表明:随着服役时间的增加,柱的受压、受弯承载力及刚度逐渐退化,构件的延性、滞回耗能能力先增大后减小;服役初期,增大轴向力能够提高构件受弯承载力,但服役超过一定时间后,该作用不明显;整个服役周期内,轴向力的增大都将造成构件弹塑性变形能力降低,故高轴向力作用下,构件的延性、滞回耗能能力均降低。     

除冰盐环境下混凝土冻融损伤深度的试验研究

文章对除冰盐环境下混凝土的冻融损伤进行了试验研究,通过对比混凝土外观变化规律、超声设备检测结果以及混凝土触水面渗透情况来获得不同冻融循环次数下混凝土的损伤深度情况。研究结果表明,当经历20次冻融循环后,混凝土冻融损伤开始向混凝土内部扩展。当经历30次冻融循环后,混凝土冻融损伤深度向下快速发展。当经历70次冻融循环后,混凝土冻融损伤向下发展变慢。这是由于前期冻融循环造成混凝土试件顶部产生大量微裂缝足以排出由于结冰产生的开裂应力,从而减弱冻融损伤向下发展的趋势。而在实际混凝土桥梁表面由于磨损存在,冻融损伤会不断向内扩展,值得桥梁管理人员注意。另外,在90次冻融循环后,最大渗透深度达到25mm,即细观裂缝已经接近普通钢筋混凝土结构中钢筋的位置,容易引发钢筋锈蚀问题。本试验研究结果可以为北方寒冷地区混凝土桥梁的抗锈蚀设计提供依据。     

自然潮差环境下混凝土氯离子峰值浓度的时变性

基于自然潮差环境下的现场暴露试验,研究了混凝土氯离子峰值浓度的时变性以及影响因素。测试了7个暴露时间,5种不同水灰比的普通混凝土、5种水胶比均为0.50的不同掺合料混凝土共10组混凝土内的自由氯离子浓度,并采用三点拟合法得到较为准确的对流区深度及对应的氯离子峰值浓度;然后,分析了水灰比及掺合料对混凝土氯离子峰值浓度时变性的影响,建立了其时变模型,并研究了氯离子峰值浓度的稳定趋势;最后,分析了峰值浓度的时变性对预测混凝土氯离子浓度的影响。结果表明,暴露时间和水灰比是影响混凝土中氯离子峰值浓度的重要因素,且掺合料减缓了混凝土中峰值浓度的增加速度;相对较短时间的暴露试验得到的混凝土峰值浓度时变模型,可以预测较长暴露时间后混凝土中峰值浓度;峰值浓度有逐渐趋于稳定的趋势,其稳定时间受水灰比和掺合料影响,加入掺合料缩短了稳定时间;考虑峰值浓度时变性可更为准确地预测不同深度处混凝土中的氯离子浓度。     

锈蚀钢筋高强再生混凝土梁抗弯性能试验研究

为了研究不同再生粗骨料取代率对锈蚀钢筋高强再生混凝土梁抗弯性能的影响,采用电化学腐蚀法获得4个钢筋锈蚀率为5%的试件,并进行抗弯性能试验。试验采用单向重复加载,研究了不同再生粗骨料取代率对锈蚀钢筋高强再生混凝土梁的破坏特征、混凝土应变、耗能及承载力的影响。研究表明:在低锈蚀率下,锈蚀钢筋高强再生混凝土梁正截面受力过程与再生粗骨料取代率无关;极限承载力随着再生粗骨料取代率的增加而稍有降低;再生粗骨料33%取代时,其耗能能力变化不大,再生粗骨料66%和100%取代时,其耗能能力随再生粗骨料取代率的增大而减小。在长期氯盐及其它有害腐蚀环境中,不宜采用100%再生粗骨料取代,且再生粗骨料取代率宜控制在30%左右。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

锈蚀钢筋混凝土梁斜截面受剪承载力计算

侵蚀环境下混凝土结构中钢筋易于发生绣蚀,造成混凝土、钢筋等材料力学性能劣化、界面粘结性能退化以及构件截面几何尺寸变化,导致服役期混凝土结构承载能力下降,严重影响结构的安全使用。以锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面为研究对象,在分析锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪强度影响的基础上,提出了集中荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁抗剪强度的计算模型,应用拉压杆模型对锈蚀梁的受剪承载力进行了计算,并通过75根锈蚀梁的试验结果对建议计算模型进行验证。结果表明:锈蚀钢筋混凝土梁受剪承载力试验值与计算值之比的平均值为1.226,方差为0.028,试验值与理论值的相关性系数为0.968,建议模型抗剪强度预测值与试验结果吻合较好。     

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。     

钢筋与再生混凝土粘结性能及影响因素研究

研究并制作了一种进行钢筋与混凝土粘结滑移性能试验的新型梁式试件,该梁式试件具有同一试件分次完成左右两个不同钢筋锚固长度梁段的粘结滑移性能试验的特点。利用该装置完成了10个梁式试件、20个梁段的粘结滑移性能试验,分析了钢筋与再生混凝土之间粘结性能的影响因素,对实测粘结-滑移曲线进行了拟合,构造了本构模型。研究表明:再生骨料取代率、混凝土强度、钢筋外形、钢筋锚固长度、钢筋直径是影响试件粘结滑移性能的关键因素;与细骨料为天然砂、再生粗骨料的取代率为33%~66%的混凝土相比,钢筋与全再生粗细骨料混凝土的粘结强度明显降低;与光圆钢筋相比,变形钢筋与混凝土的粘结强度显著提高;钢筋与混凝土的粘结强度随钢筋锚固长度增大而减小;在相对锚固长度相等的条件下,钢筋直径越小,钢筋与混凝土的粘结强度越大。     

氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力分析∗

为研究氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土短柱轴压承载性能的变化规律，设计了 16 个试件并完成轴压试验。在试验研究的基础上根据极限平衡条件，提出了氯盐腐蚀条件下钢管再生混凝土短柱轴压承载力的计算公式，选取不同的侧压系数进行对比优化；采用国内外常用规范对试件承载力进行计算，将计算值与试验值进行对比并提出使用建议。结果表明给出的侧压系数建议值与试验结果吻合较好，通过折减壁厚的方法计算承载力是可靠的，对氯盐腐蚀圆钢管再生混凝土柱的理论研究和工程应用有一定的指导意义。     

锈蚀钢筋与再生混凝土的黏结性能试验研究

为研究锈蚀钢筋-再生混凝土黏结滑移性能,进行了30个棱柱体试件拉拔试验研究。试验参数为混凝土水胶比、混凝土再生粗骨料取代率、钢筋锚固长度、钢筋锈蚀率。基于试验结果,分析了再生粗骨料取代率、锈蚀率、锚固长度及混凝土强度对黏结滑移的影响。研究表明:再生粗骨料取代率、混凝土强度、钢筋锚固长度及锈蚀率为影响试件黏结滑移性能的关键因素;锈蚀钢筋-再生混凝土黏结破坏分为三种形式,即钢筋达极限拉力的钢筋拉断破坏,钢筋拔出的黏结滑移破坏,钢筋拔出的混凝土劈裂破坏;锈蚀钢筋-再生混凝土的黏结滑移曲线与普通钢筋-再生混凝土黏结滑移曲线相似,但随锈蚀率的增加,试件黏结强度降低;锈蚀钢筋与再生混凝土黏结强度随锚固长度的增加而减小,而黏结强度提高比例随混凝土强度的增加而减小。