酸雨環(huán)境下既有混凝土橋梁耐久性評價方法研究.pdf

1、混凝土橋梁結構的耐久性問題是當前學術界和工程界研究的熱點問題，其中鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性能降低的最主要因素，而混凝土中性化是引起鋼筋銹蝕的主要誘因之一，碳化及酸雨侵蝕則是導致混凝土中性化的主要原因。既有橋梁混凝土的中性化涉及到橋位環(huán)境、荷載等多因素作用，同時也與結構的諸多因素如材料和構造等密切相關，是一個復雜的系統(tǒng)問題。隨著人類活動的加劇，工業(yè)化進程的加快，橋位環(huán)境也變得日益復雜，如二氧化碳濃度的升高，高頻率與低酸度酸雨的侵蝕等都給

2、混凝土耐久性帶來嚴峻的考驗。因此，如何研究持荷狀態(tài)下混凝土結構在碳化和酸雨共同作用的中性化性能及其規(guī)律，評價混凝土橋梁結構的耐久性能，預測混凝土橋梁結構的剩余壽命，為今后混凝土橋梁結構的耐久性設計、施工和養(yǎng)護與維修等提供理論指導具有重要的意義。
　　論文選取影響混凝土結構耐久性-混凝土中性化的環(huán)境因素（CO2和酸雨）和力學因素（彎曲荷載、軸心受壓荷載）組合，設計了單一因素和多因素作用下混凝土試件中性化試驗方法，通過理論分析、試驗研

3、究和數(shù)值模擬等方法分析了多因素作用下混凝土構件的中性化性能，揭示了混凝土中性化機理及其規(guī)律，最終建立了多因素作用下混凝土中性化深度統(tǒng)一預測模型，并對混凝土橋梁耐久性評價方法和壽命預測進行了研究。主要研究內容如下:
　　(1)多因素作用下混凝土中性化試驗設計與研究
　　根據(jù)試驗內容和腐蝕環(huán)境，采用碳化箱快速碳化、模擬酸雨池浸泡與晾干循環(huán)腐蝕制度，設計了單獨碳化、單獨酸雨侵蝕、碳化-荷載、酸雨侵蝕-荷載、碳化-酸雨侵蝕-荷載共同

4、作用混凝土構件的中性化試驗方法，并優(yōu)化了試驗操作流程，從而確保試驗順利進行。
　　針對混凝土構件中性化試驗環(huán)境的腐蝕性和多變性、試驗設備容量的限制、混凝土的徐變及加載桿件的松弛等影響，對持荷試件加載裝置進行了設計與研究。通過自平衡加載裝置對緊固件施加扭矩來控制持荷試件的應力水平（彎曲應力、軸心壓應力），并實時監(jiān)測不同材質及環(huán)境下的扭矩系數(shù)、混凝土的徐變和緊固件的應力松弛，以此獲得應力和扭矩的衰減規(guī)律，為試件應力補償提供理論依據(jù)。<

5、br>　　(2)多因素作用下混凝土結構中性化試驗研究
　　試驗重點研究了碳化、酸雨和應力因素中單一、雙重和多重環(huán)境因素下混凝土構件的中性化深度及其發(fā)展規(guī)律，同時對防護涂裝后混凝土構件中性化深度也進行了相應試驗研究。試驗結果表明:試驗驗證了混凝土構件的碳化（或酸雨腐蝕）及應力作用下的碳化（或中性化）規(guī)律，即無論酸雨、碳化等單一因素或雙重因素作用，混凝土中性化深度值與時間平方根呈正比關系;拉應力可促進混凝土中性化，而壓應力抑制其中性化

6、，應力與混凝土中性化深度值之間呈近似線性關系。試驗也得出了多因素作用下混凝土構件中性化規(guī)律，即碳化和酸雨存在耦合現(xiàn)象，酸雨在某種程度上抑制碳化作用，酸雨和碳化耦合系數(shù)小于1，混凝土中性化各因素影響程度由低到高依次為酸雨侵蝕、先酸雨侵蝕后碳化、碳化、先碳化后酸雨侵蝕、碳化和酸雨侵蝕疊加;防護涂裝對混凝土的中性化有明顯的抑制作用。
　　(3)多因素作用下混凝土構件腐蝕機理與數(shù)值模擬分析
　　對混凝土碳化、酸雨侵蝕和荷載作用下單一

7、因素、雙重因素及多重因素作用下的腐蝕機理分別進行了分析與研究。依據(jù)擴散理論、質量守恒定律和有限元數(shù)值模擬，對上述因素作用下的混凝土中性化進行了數(shù)值模擬和有限元分析，研究了混凝土構件中性化區(qū)域的物質含量分布、pH值和中性化深度。數(shù)值模擬和有限元分析結果表明:在混凝土中性化過程中，完全碳化區(qū)內的CO2濃度曲線近似呈直線下降，部分碳化區(qū)內呈非線性下降，整體曲線呈指數(shù)分布，而H+和SO42-呈非線性下降分布;混凝土內部Ca(OH)2含量和pH值

8、是連續(xù)變化的，存在部分中性化區(qū)?；炷敛糠痔蓟瘏^(qū)域的范圍，是由混凝土中碳化反應物質變化的范圍決定的，而不僅僅是pH值?；炷敛糠痔蓟瘏^(qū)的長度大于pH值變化區(qū)域的長度;應力、酸雨與碳化存在耦合效應，酸雨腐蝕初期抑制碳化進行。經(jīng)本文和有關文獻試驗驗證，混凝土中性化深度的數(shù)值模擬具有一定的可信度，可為今后混凝土構件的耐久性研究提供一條思路。
　　(4)建立多因素作用下混凝土構件中性化深度統(tǒng)一預測模型
　　在試驗研究和數(shù)值模擬的基礎

9、上，結合已有混凝土構件中性化深度理論模型，首先建立碳化基本模型和酸雨侵蝕基本模型，然后通過碳化和酸雨侵蝕共同作用下的混凝土中性化規(guī)律，建立碳化和酸雨耦合作用下混凝土中性化基本模型;最后重點考慮應力因素，并參照大量文獻，根據(jù)影響混凝土構件中性化的各因素（材料因子、環(huán)境因子、施工因子等）對基本模型進行了修正，最終建立多因素作用下混凝土構件中性化深度統(tǒng)一預測模型，經(jīng)驗證，統(tǒng)一預測模型具有一定的可信度，具有實用價值。
　　(5)混凝土橋梁

10、耐久性評價方法研究
　　針對影響混凝土橋梁耐久性-混凝土構件中性化的各因素，運用層次分析法和模糊數(shù)學綜合評價法對混凝土橋梁結構耐久性評價方法進行了研究。從混凝土橋梁耐久性設計、施工、環(huán)境因素以及養(yǎng)護管理等方面對其進行了綜合評價，建立了評價模型及評價方法，從而為今后的混凝土橋梁結構的耐久性評估、維修與加固對策乃至設計與施工等提供理論指導。
　　基于混凝土構件中性化深度的概率分布模型、可靠度指標以及試驗與實際環(huán)境相似關系對混凝土