一般大气环境多因素作用混凝土中性化性能研究

论文摘要

处于一般大气环境中的混凝土结构种类繁多,数量巨大。工业化的进程,导致全球大气污染日趋严重,环境中CO2浓度的加大以及酸雨范围的扩大,使混凝土的中性化问题越来越受关注。混凝土中性化是钢筋锈蚀的前提条件,一般大气环境下混凝土中性化和钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性的主要研究内容。此外,混凝土结构总处于承载状态下,结构的应力状态会对混凝土的耐久性产生影响。研究受荷状态下粉煤灰混凝土在酸雨和碳化共同作用时的中性化性能,为进一步研究混凝土中钢筋的锈蚀与混凝土结构的寿命预测奠定了基础,对混凝土结构的耐久性设计及其评估具有重要的意义。论文选取一般大气环境下影响混凝土结构耐久性的力学因素（弯曲荷载）和环境因素（CO2和酸雨）组合,设计了多因素耐久性试验方案和具体实施方法,通过试验研究了单一、双重和多重影响因素作用下粉煤灰混凝土的中性化性能,揭示了它们的作用机理和性能退化规律,最终建立了一般大气环境粉煤灰混凝土结构中性化深度预测模型。主要研究内容如下:从扩散传质角度分析了气态的CO2和液态的酸雨与混凝土发生中性化反应的过程,揭示了混凝土碳化和混凝土遭受酸雨侵蚀中性化的机理。在对全国酸雨成分调查和分析的基础上,提出了试验室模拟酸雨溶液的配制方法以及采用浸烘循环制度加速酸雨侵蚀的试验方法。分析了国内外耐久性试验加载装置的优缺点,确定了适合于多因素耐久性试验的加载方式,为开展多因素作用下混凝土中性化试验研究,以及建立粉煤灰混凝土中性化深度预测模型奠定了基础。开展了粉煤灰混凝土快速碳化试验,研究了各种因素（水胶比、粉煤灰掺量、浇筑面）对粉煤灰混凝土碳化规律的影响以及CO2二维扩散作用对构件角区碳化深度的影响;进行了粉煤灰混凝土酸雨侵蚀模拟试验,采用混凝土表层溶蚀、质量变化、力学性能降低和中性化深度等评价指标研究了粉煤灰混凝土的酸雨侵蚀规律,分析了不同酸雨侵蚀影响因素对评价指标的影响。结果表明,酸雨不仅使混凝土表面出现剥蚀、骨料外露,还使混凝土质量减小、强度降低、中性化深度加大。首次考虑酸雨和CO2的共同作用,在分析混凝土酸雨侵蚀机理、碳化机理以及二者共同作用特点的基础上,设计了酸雨和碳化共同作用试验模式,通过一般大气环境中酸雨侵蚀和碳化共同作用粉煤灰混凝土的耐久性试验,研究了粉煤灰混凝土在酸雨侵蚀和碳化共同作用下的性能退化规律,分析了二者之间的耦合效应,得出了混凝土酸雨侵蚀和碳化共同作用的机理。考虑应力状态对混凝土耐久性的影响,研究了一般大气环境承载混凝土在不同侵蚀介质作用下的耐久性能,通过承载混凝土试件的快速碳化试验、酸雨侵蚀试验、酸雨和碳化共同作用循环试验,分析了弯曲荷载水平对粉煤灰混凝土侵蚀规律及中性化的影响,提出了混凝土中性化弯曲应力影响系数的计算公式。分析了影响粉煤灰混凝土碳化的主要因素,在粉煤灰混凝土碳化机理的基础上进行了粉煤灰混凝土碳化模型的推导,建立了粉煤灰混凝土的碳化深度预测模型。通过对混凝土水化过程、碳化机理的深入分析,提出了模型参数——完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量m0的计算方法,并给出了工程中常用粉煤灰混凝土的简化实用公式;基于气体在混凝土中扩散机理的分析,给出了另一个重要的模型参数——二氧化碳在混凝土中有效扩散系数De的计算公式。从传质学理论入手,首次建立了酸雨侵蚀混凝土中性化理论模型,研究了模型中各参数的取值,从材料因素和环境因素两方面确立了酸雨侵蚀粉煤灰混凝土有效扩散系数DA的计算公式。以混凝土碳化作用为主,首次建立了一般大气环境下考虑酸雨作用和荷载影响的粉煤灰混凝土中性化深度预测模型。通过模型计算值和试验结果的比较验证了中性化深度预测模型,计算值与试验结果吻合较好,该模型为一般大气环境下粉煤灰混凝土结构的寿命预测提供了科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.1.1 粉煤灰混凝土的工程应用
• 1.1.2 混凝土结构所处的环境状况
• 1.1.3 混凝土耐久性现状
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 混凝土碳化研究现状
• 1.2.2 酸雨侵蚀研究现状
• 1.2.3 承载混凝土中性化研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 2 混凝土中性化机理
• 2.1 酸性物质在混凝土中的扩散传质
• 2.1.1 扩散传质方程
• 2.1.2 扩散传质过程求解
• 2.2 混凝土碳化机理
• 2气体在混凝土中的扩散传质'>2.2.1 CO₂气体在混凝土中的扩散传质
• 2.2.2 混凝土碳化机理
• 2.3 酸雨侵蚀混凝土中性化机理
• 2.3.1 酸雨在混凝土中的扩散传质
• 2.3.2 酸雨侵蚀混凝土中性化机理
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 一般大气环境混凝土多因素耐久性试验内容和方法
• 3.1 一般大气环境混凝土多因素耐久性试验内容
• 3.1.1 耐久性因素选取原则
• 3.1.2 试验内容
• 3.1.3 需解决的问题
• 3.2 酸雨侵蚀试验的试验室模拟
• 3.2.1 我国酸雨成分的调查与分析
• 3.2.2 模拟酸雨溶液的配置
• 3.2.3 实验室酸雨侵蚀制度的设计
• 3.3 加载装置的选取
• 3.3.1 根据杠杆原理设计的荷载构架
• 3.3.2 根据虎克定律利用弹簧加载
• 3.3.3 拉杆加载系统
• 3.4 试验设备
• 3.5 试验原材料与配合比
• 3.5.1 原材料
• 3.5.2 混凝土配合比和抗压强度
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 4 粉煤灰混凝土碳化试验研究
• 4.1 试验目的及内容
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 碳化试验考察因素及试件分组
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 试验步骤
• 4.2.2 碳化深度的测试方法
• 4.3 粉煤灰混凝土碳化试验结果
• 4.3.1 混凝土试件各面碳化深度测试结果
• 4.3.2 角区混凝土二维碳化深度测试结果
• 4.4 粉煤灰混凝土碳化试验结果分析
• 4.4.1 水胶比对混凝土碳化深度的影响
• 4.4.2 粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响
• 4.4.3 浇筑面对混凝土碳化深度的影响
• 4.4.4 钢筋存在对混凝土碳化深度的影响
• 2二维扩散对角区混凝土碳化深度的影响'>4.4.5 CO₂二维扩散对角区混凝土碳化深度的影响
• 4.5 本章小结
• 5 粉煤灰混凝土酸雨侵蚀试验研究
• 5.1 试验目的及内容
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 酸雨侵蚀试验考察因素及试件分组
• 5.2 试验方法及评价指标
• 5.2.1 试验步骤
• 5.2.2 混凝土酸雨侵蚀评价指标
• 5.3 粉煤灰混凝土酸雨侵蚀规律研究
• 5.3.1 酸雨环境下粉煤灰混凝土外观侵蚀分析
• 5.3.2 酸雨环境下粉煤灰混凝土质量变化规律
• 5.3.3 酸雨环境下粉煤灰混凝土抗压强度变化规律
• 5.3.4 酸雨侵蚀环境下粉煤灰混凝土中性化规律
• 5.3.5 粉煤灰混凝土在模拟酸雨溶液中的反应速度分析
• 5.3.6 最不利酸雨腐蚀环境粉煤灰混凝土的性能退化
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6 酸雨和碳化共同作用下粉煤灰混凝土耐久性试验研究
• 6.1 试验目的及内容
• 6.1.1 试验目的
• 6.1.2 酸雨和碳化共同作用试验内容及试件分组
• 6.1.3 试验方法
• 6.2 酸雨和碳化共同作用混凝土质量变化规律
• 6.3 酸雨和碳化共同作用混凝土抗压强度变化规律
• 6.4 酸雨和碳化共同作用混凝土中性化规律研究
• 6.4.1 酸雨和碳化共同作用试验混凝土中性化试验结果
• 6.4.2 粉煤灰掺量对混凝土中性化深度的影响
• 6.4.3 不同试验模式下混凝土中性化规律
• 6.4.4 酸雨和碳化共同作用耦合程度分析
• 6.5 混凝土酸雨侵蚀和碳化共同作用机理分析
• 6.6 本章小结
• 7 承载混凝土中性化规律研究
• 7.1 试验目的及内容
• 7.1.1 试验目的
• 7.1.2 承载混凝土中性化试验考察因素及试件分组
• 7.2 试验方法
• 7.2.1 弯曲荷载的施加和控制
• 7.2.2 中性化深度的测量方法
• 7.3 承载混凝土碳化试验结果及分析
• 7.3.1 承载普通混凝土碳化规律研究
• 7.3.2 承载粉煤灰混凝土碳化规律研究
• 7.3.3 粉煤灰掺量对承载混凝土碳化规律的影响
• 7.4 承载混凝土酸雨侵蚀中性化试验结果及分析
• 7.4.1 弯曲荷载对承载混凝土酸雨侵蚀中性化规律的影响
• 7.4.2 粉煤灰掺量对承载混凝土酸雨侵蚀中性化规律的影响
• 7.4.3 承载粉煤灰混凝土酸雨侵蚀中性化规律研究
• 7.5 酸雨和碳化共同作用下承载混凝土试验结果及分析
• 7.5.1 弯曲荷载对酸雨和碳化共同作用混凝土中性化的影响
• 7.5.2 承载混凝土在酸雨和碳化共同作用下耦合程度分析
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 8 粉煤灰混凝土碳化深度预测模型
• 8.1 影响粉煤灰混凝土碳化的因素
• 8.1.1 材料因素
• 8.1.2 环境因素
• 8.1.3 施工因素
• 8.2 粉煤灰混凝土碳化深度理论模型
• 8.2.1 理论模型的基本假定
• 8.2.2 理论模型的提出
• 8.3 粉煤灰混凝土碳化模型参数的确定
• 0的确定'>8.3.1 模型参数m₀的确定
• e的确定'>8.3.2 模型参数D_e的确定
• 8.3.3 粉煤灰混凝土碳化模型
• 8.4 粉煤灰混凝土碳化模型的验证
• 8.5 本章小结
• 参考文献
• 9 一般大气环境粉煤灰混凝土中性化深度预测模型
• 9.1 酸雨侵蚀粉煤灰混凝土中性化模型的提出及其验证
• 9.1.1 酸雨侵蚀粉煤灰混凝土中性化理论模型的提出
• 9.1.2 模型参数的确定
• 9.1.3 酸雨侵蚀粉煤灰混凝土中性化深度模型验证
• 9.2 一般大气环境粉煤灰混凝土中性化模型的提出及其验证
• 9.2.1 一般大气环境下粉煤灰混凝土中性化模型的提出
• 9.2.2 一般大气环境下粉煤灰混凝土中性化深度模型验证
• 9.3 本章小结
• 参考文献
• 10 结论与展望
• 10.1 主要研究成果与结论
• 10.2 本文主要创新点
• 10.3 开展进一步研究的建议
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 附录