（材料学专业论文）基于环境的海工混凝土耐久性试验与寿命预测方法研究.pdf

摘要 基于环境的海工混凝土耐久性试验与寿命预测方法研究 摘要 单一因素作用下砼耐久性标准试验没有基于使用环境，根据试验结果不能对实际环境砼 工程使用寿命作出科学预测，也无法量化指导实际工程砼耐久性设计；针对目前海工砼耐久 性试验与寿命预测研究中存在的问题，本文在以下几个方面做了探索性和创新性研究工作： 1 ) 探讨了不同环境条件下有害物质在混凝土中的传输机制及其与混凝土性能劣化关系 的基本理论，为建立与使用环境相适应的混凝土寿命预测模型奠定基础； 2 ) 对海工砼耐久性与寿命预测中两个基本问题即砼孔溶液制取方法问题及砼中钢筋锈 蚀临界值问题进行了讨论；建立了一种较为简便实用的混凝土人工孔溶液制各方法，初步建 立了这种人工孔溶液与压滤孔溶液之间的相关关系；同时对钢筋锈蚀临界值的分析表明，钢 筋锈蚀临界值不只受氯离子含量一个参数控制，它同时也是混凝土碱度的函数，理论分析和 大量数据表明钢筋腐蚀电位是混凝土中氯离子浓度的对数和混凝土n h 值的线性函数； 3 ) 针对目前砼氯离子扩散系数快速测试方法研究中存在的问题，对应用电化学快速测 试氯离子扩散系数的基本理论、适用条件和修正方法进行了讨论，提出了基于饱海水电阻率 的海工砼氯离子扩散系数测试方法：结果表明饱海水电阻率法不仅在理论上满足了稳态条 件，而且在实践中与海水自然扩散法得到的结果具有良好的相关性；试验结果还表明在砼中 复合掺加粉煤灰和矿渣粉可大幅度降低砼氯离子扩散系数：同时对不同水胶比普通混凝土与 大掺量废渣混凝土在饱海水环境混凝土的使用寿命进行了m o n t ec a r l o 数值模拟 4 ) 采用适度提高压力梯度的方法测试了长龄期与高性能混凝土气体扩散系数，所测结 果较前人基于浓度梯度方法测试结果数量级大致相同；同时基于混凝土毛细吸水动力学特性 的研究分析了混凝土孔结构、计算了其连通孔隙率，发现基于计算得到的连通孔隙率与气体 有效扩散系数高度相关，而计算混凝土理论总孔隙率与气体扩散系数相关性较差，表明连通 孔隙率控制砼气体扩散过程而不是总孔隙率：建立的基于砼连通孔隙率的气体有效扩散系数 计算模型为大气环境混凝土工程质量控制和寿命预测提供了便利条件； 5 ) 在对混凝土碳化模型深入研究基础上，建立了与钢筋锈蚀临界p h 值相联系的修正 的碳化理论模型，从而为碳化与氯离子渗透共同作用下钢筋砼寿命预测奠定基础；初步建立 了模拟海洋大气盐雾环境下砼在氯离子渗透和碳化共同作用下砼耐久性加速试验方法，并对 不同水胶比普通混凝土与掺工业废漓砼损伤失效过程进行了试验研究，根据试验结果建立了 基于氯离子和氢氧根浓度二参数的钢筋锈蚀临界状态方程，同时对不同水胶比普通混凝土与 大掺量废渣混凝土损伤失效过程及使用寿命预测进行了数值计算和分析； 6 ) 建立了考虑毛细管吸入、冻融损伤以及氯离子结合的潮汐环境钢筋砼氯离子扩散模 型；初步建立了模拟海洋潮汐环境砼在冻融循环、干湿交替共同作用下砼耐久性加速试验方 法，并对不同水胶比普通混凝土与掺工业废渣砼损伤失效过程进行了试验研究，建立了基于 氯离子和氢氧根浓度二参数组合的钢筋锈蚀临界状态方程，并且基于试验结果对海洋潮汐环 境下不同水胶比普通混凝土与大掺量废渣混凝土使用寿命进行了m o n t ec a r l o 数值模拟。 本文通过对不同区位环境下海工砼耐久性加速试验方法研究，探索基于区位环境的海工 混凝土损伤失效过程及其规律。建立适用于海水浸渍环境、海洋大气环境、海洋潮汐环境的 海工砼使用寿命预测模型，基本实现根据砼所处环境、水泥与胶凝材料品种、水胶比、砼构 造( 保护层厚度) 等参数对砼使用寿命进行预测，也可以按照指定使用寿命对适用于不同环 境的砼进行设计和控制，为最终实现钢筋砼结构的耐久性设计奠定基础。 关键词：海工混凝土耐久性试验方法使用寿命预测传输机制钢筋脱钝临界值随机方法 东南大学博士学位论文 s t u d yo nm e t h o d so fa c c e l e r a t e dt e s t i n go fm a r i n ec o n c r e t ed u r a b i l i t y b a s e do ns i m u l a t i n ge n v i r o n m e n ta n ds e r v i c el i f ep r e d i c t i o n t h ed u r a b i l i t ya c c e l e r a t e dt e s t i n gm e t h o d sb a s e do ns i n g l e f a c l o ra c t i o na r ei n v a l i di ns e r v i c el i f e p r e d i c t i o na n dd u r a b i l i t yd e s i g no f m a n n ec o n c r e t ei ne n g i n e e r i n gb e c a u s eo f a b s e n c eo f m u l t i - f a c t o r a c t i o n o f s i m i l a ra c t o a le n v i r o n m e n t a i r m i n ga t t h e s e p r o b l e m so f r e a r c h o n d u r a b i l i t y t e s t i n gm e t h o d sa n d m e t h o do f s e r v i c el i f ep r e d i c t i o n ，s o m ei n n o v a t i v es t o d yw o r k a r ee x p l o r e di nt i n sp a p e r t h cm a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r ca sf o l l o w s ： 1 ) t h et r a n s f e rm e c h a n i s m so f h a r m f o ls u b s t a n c ei nc o n c r e t ea n dr e l a u o n s h i pb e t w e e nt r a n s f e r m e c h a m s ma n dd e t e r i o r a t i o nm e c h a n i s mo f m a r i n ec o n c r e t ei nv a r i o u se n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a r ed i s c u s s e df o o n d a h e no ns e r v i c el i f ep r e d i c t i o nb a s e do nz o n ee n v f f o n m e n ti se s t a b l i s h e d ， 2 ) t h e t w ob a s i c i s s u e s o f s t u d y o n m a r i n ec o n c r e t e d u r a b i l i t y a n ds e r v i c e l i f ep r e d i c t i o n , w h i c h a r e p o r es o l u t i o nm a k i n gm e t h o do f c o n c r e t ea n dd e p a s s i v a t i o nc r i t i c a lv a l u eo f s t e e lb a re m b e d d e di n c o n c r e t ea r ei n v e s t i g a t e d as i m p l ea n dp r a c t i c a la r t i f i c i a lp o r es o l u t i o nm a k i n gm e t h o do f c o n c r e t e i sp r e s e n t e d ，a n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e rs u c ha s o n - o f t h i sa r t i f i c i a lp o r es o l u t i o n a n dt h a to f e x p r e s s i o np o r es o l u t i o ni se s t a b l i s h e d a n a l y s eo nt h ed e p a s s i v a t i o nc r i t i c a lv a l u eo f s t e e lb a re m b e d d e di nc o n c r e t ei n d i c a t et h a tt h ed e p a s s i v a t i o nc r i t i c a lv a l u eo f s t e e lb a ri sn o to n l y d o m i n a t e d b y t h e p a r a m e t e r o f 【c n , b u t b y t h e p a r a m e t e r o f t o h 1o r a l k a l i n l t y o f c o n c r e t e ，a n da s e r i e so f t h e o r e t i ca n a l y s ea n de x p e r i m e n t a ld a t aa l s oi n d i c a t et h a th a i f - t e l lp o t e n t i a lo f s t e e ib a r e m b e d d e di nc o n c r e t ei st h eb i v a tl i n e a rf u n c t i o no f l o g c l a n dp hv a l u eo f p o r es o l u t i o no f c o n c r e t e 3 ) b a s e do na n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no f r a p i dt e s t i n gm e t h o d sf o rc h i o r i d ed i f f u s i o ne o e f f i c i e n t o fc o n c r e t e ，t w oi s s u e sc o n c e r n e di nt h i sf i e l dh a v eb e e np u tf o r w a r d e d a i m i n ga ts o l v i n gt h e p r o b l e m s ，b a s i ct h e o r y , a p p l i c a t i o nc o n d g i n n , a sw e l la sa m e n d a t o r ym e t h o d so nr a p i dt e s t i n g c h i o r i d ed f f f n s i o nc o e f f i e i e n to f c o n c r e t eb a s o do ne l e c 血o c h c i m s w ym e t h o dh a v eb e e nt h s c u s s e d a n dan e wm e t h o df o rc h l o r i d ed i f l u s i o nc o e f f i c i e n to fm a r i n ec o n c r e t es a t u r a t e dw i t hs e a w a t e r g r o u n do ne l e c t r i c a lr e s l s t i v i t ym e a s u r e m e n th a sb e e ns u g g e s t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h i sn e wm e t h o di sn e to n l yc o r r e c ti nt h e o r yb u td e p e n d a b l ei np r a c t i c e a tt h e 戤u mt i m et h e e x p e r i m e n t a lr e s u i t sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h ec h l o r i d ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n tc e nb ed e c r e s c dg r e a t l y b ya d d m g2 5 f aa n d2 5 s gr e p l a c i n g5 0 c e m e n ti nc o n c r e t e ，s e r v i c el i f ep r e d i c t i o no l l n o r m a lc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hh i g hc o n c t e n tf aa n ds go fv a r i o u s 啪i sc o m p l e t e db y n s m gm o n t e c a 订os t o c h a s t i cs i m u l a t i o nm e t h o d 4 ) o n t h eb a s i so f s m d yo f g a st r a n s f e r sm e c h a n i s mi n t op o r o u sm e d i u mm a t e r i a l s ，ac a l c u l a t i o n f o r m u l ao f g a se f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e 伍c i e n to f c o n c r e t eb a s e do up r e s s u r eg r a d sh a sb e e n d e d u c e da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt h e o r y ，a n dan e wr a p i dt e s t i n gm e t h o df o rg a sp e n e t r a b i l 酊o f h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea n do l dc o n c r e t ew i t hh i g h e rp r e s s u r eg r a d sh a sb e e nd e v e l o p e d m a k i n gu s eo f t h er e l a t i o n s l u pm o d e lb e t w e e nt h eg a se f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to f c o n c r e t e a n dt h eg a sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti ns t r a i g h tc a p i l l a r yp o r e ，t h ec a l c u l a t t o nf o r m u l ao f p o r e t o r t u o s l r yf a c t o ri nc o n c r e t eh a sb e e ne s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et e s t i n gm e t h o da n dc a l c u l a t i o n f o r m u l a ，t h eg a se f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e f f i o e n to f h p ca n do l dc o u c r e t ew i t hh i g l l e rp r e s s u r eg r a d s h a sb e e nt e s t e da n dc a l c u l a t e d t h ee x p c r i m e n t a lr e s u l t si sb a s i c a l l yc o i n c i d ew i t ht h a to f s w i t z e r l a n ds c h o l a rh o n s tfia n dw i t t m a n nyfu s i n gc o n c e n t r a f i o ng r a d sm e t h o d 1 h ea n a l y s i s i i 摘要 o f p o r es m l c t u f e i n d i c a t e s t h a t t h e t o t a l p o r er a t i o o f c o n c r e t ec a l c u l a t i n g f r o m c e m e n t p a s t ep o r e r a t i ob yu s i n gm 口t h c h n i q n ac a nb r i n gp r o d i g i o u se r r o rb a c a u s eo f p l e n u f u ls t o c h a s t i cc r a c k sa t t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ep a s t ea n da g g r e g a t e ，a n dc a c u l a t i n gt h ei n t e r c o m m u n i c a t i n gp o r er a t i o o f c o n c r e t eb ym e a s u r i n gs a t u r a t e da b s o r p t i o no f w a t e ri sf e a s i b l e an e wm o d e le s t a b l i s h e d b e t w e e nt h eg a se f f e c t i v ed i f f o s i o nc o e 伍c i e n to f c o n c r e t ea n d 也ei n t e m o m m u m c a t m gp o r er a t i o h a ss u p e r i o rp r e c i s i o n a n dc a r b o n i z a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o wt h a td a t eo f g a se f f e c t i v e d i f f u s i o nt o e 伍c i e n to f c o n c r e t ec a l c u l a t e db yt h i sm o d e li sm o r ev a l i da n df e a s i b l et h a nt h a to f m a t h e m a t i c sm o d e ld e v e l o p e db yg r e e c es c h o l a rp a p a d a k i sv g f o rg a se f f e c t i v ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n to f c o n c r e t e ，s oi ti se o n v e m e n tf o rq n a h t yc o n t r o la n ds e r v i c el i f ep r e d i e t m no f c o n r e t e a ta n o s p 嘲ce n v i r o n e n t 5 ) o nt h eb a s i so f r e s e a r c ho f t h ec a r b o n i z a t i o nt h e o r ym o d e lo f c o n c r e t e ，a i m i n ga ts o l v i n gt h e p r o b l e m so f l a r g ed e p a r t u r eo f c a r b o n i z a t i o nd e p t hb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d c a c u l a t i n gr e s u l t so f p a p a d a l a sc a r b o n i z a t i o nm o d e lf o rt h ec o n c r e t ew i mh i 曲e o n c t a n ti n d u s t r y w a s t er e s l d u e am e l i o r a t e dg e n e r a lc a r b o n i z a t i o nm o d e lo f c o n c r e t ej n v o l v e di nt h es t e e l b a r d e p a s s i v a t t o np hv a l u eo f c o n c r e t ep o r es o l u t i o n ，w h i c h b ea p p l c a b l et on o r m a lc o n c r e t e ， c o n c r e t ew i t hh i g he o n c t e n to f f aa n ds ga sw e l la sc o n c r e t ec o n t a m i n a t e dw i t hc h l o r i d eh a s b e e ns u g g e s t e d s of o u n d a t i o ni sb o l i tf o rt h es e r v i c ef i f ep r e d i c t i o no f r e i n f o r c e dc o n c r e t ea t t a c k e d b yc h l o r i d ep e n e t r a t i o na n dc a r b o n a t i o nt o g e t h e r ab e wd u r a b i l i t ya c c e l e r a t e dt e s t i n gm c ：d a o do f c o n c r t ea c t e db yc h l o r i d ep e n e t r a t i o na n dc a r b o n a t i o nt o g e t h e ri nt h es i m u l a t i n gm a n n e a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti se s t a b l i s h e dp r i m a r y l y t h ep r o c e s s e so f d a m a g ea n df a d u r eo f n o r m a l c o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hi l i 空hc o n t e n tf aa n ds ga tv a r i o u sw ba r ee x p e r i m e n t e d t h ec r i t i c a l s t a t ee q n a t i u no f r e i n f o r c e ds t e e lb a re o r r o s i o ni se s t a b l i s h e d ，a tt h es a m et i m et h ep r o c e s s e so f d a m a g ea n d f a i l u r ea n dt h es e v i c el i f ep r e d i c t i o no f n o r m a lc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i n lh i g h c o n t e n tf aa n ds ga tv a r i o u s 、 忸i sc a c n l a t e da n da n a l y s e d 6 ) an e wc h l o r i d ed i f u s s i o nm o d e lo fc o n c r e t ei nt i d a le n v i r o n m e n tw h i c hc o n s i d e r i n gc a p i l l a r y a b s o r p t i o n , f r e e z i n ga n dt h a w i n gd a m a g ea sw e l la sc h l o r i d ec o m b i n a t i o ni sb u h t a n dan e w a c c e l e r a t e dt e s t i n gm e t h o do f c o n c r e t ea t t a c k e db yc y c l i cf r e e z i n ga n dt h a w m ga n dc y c l i cw e t t i n g a n dd r y i n gt o g e t h e ri nt h es i m u l a t i n gm a r i n at i d a le n v i r o n m e n ti se s t a b l i s h e dp n m a r y l y t b e p r o c e s s e so f d a m a g ea n df a i l u r eo f n o r m a lc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hh i g hc o n t e n tf aa n ds ga t v a r i o u sw ba r ee x p e r i m e n t e d ，t h ec r i t i c a ls t a t ee q u a t i o no fr e i n f o r e e ds t e e lb a rc o r r o s i o ni s e s t a b l i s h e d a n dt h es e v i e el i f ep r e d i c t i o no fn o r m a lc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hh i g hc o n t e n tf a a n ds ga tv a r i o u s 啪i sc a c u l a t e db a s e do l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yu s i n gm o n t ec a r l o s t o e h a s t i cs i m u l a t i o nm e t h o d t h ea i mo f t h i sr e s e a r c hw o r kj st oe x p l o r et h el a wo f d 8 m a r ea n df a i l u r ep r o c e s so f m a r i n e c o n c r e t ea n dt oe s t a b l i s ht h es e r v i c el i f ep r e d i c t i o nm o d e l sw i n c ha p p l y t on l a r l n ec o n c r e t e e n g i n e e r i n gi ns e a w a t e rs a t u r a t i o ne n v i r o n m e a t , m a r i n ea t 1 0 s p b 耐ce n v k o n e n l a n dm e t i t a l o n v i r o n e n tr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h ea c c e l e r a t e dt e s t i n gm e t h o d s b a s e do nt h em o d e l sa n d a c h i e v e m e n t sa c q u i r e di nt h i sp a p e r , t h es e r v i c el i f ep r e d i c t i o n ，q u a l i t yc o n t r o l a sw e l la sd u r a b i l i t y d e s i g no f m a r i n ec o n c r e t e nb ea c h i e v e da c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n l k m d so f c e m e n ta n d c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s , w a t e rt ob i n d i n gm a t e r i a lr a t i o a sw e l la st h ec o v e rt h i n c k n e s so f c o n c r e t e , a n d t h e f o u n d a t i o n o f s t e e j b a rr e i n f o r c e d c o n e r 咖d u r a b i l i t y d e s i g n i s a c h i e y e d f i n a l l y k e yw o r d s ：m a r i n ec o n c r e t e ；d n r a b i l i t y ；a c c e l e r a t e dt e s t i n gm e t h o d s ；s e r v i c el i f e p r e d i c t i o n ；t r a n s f e rm e c h a n i s m ；d e p a s s i v a t i n nc r i t i c a lv a l u eo fs t e e lb a r ； m o n t ec a r i os t o c h a s t i cs i m u l a t i o nm e t h o d i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 卯乃。jl 苎 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景依据及意义 从1 0 0 多年前人类在海边建造第一座简单的海港码头到今天结构复杂、规模庞人的跨海 大桥、港口码头、海底隧道、海上石油钻井平台等，世界上已经建造了各种各样的海洋构筑 物，在这些人鼍的海洋上稃中钢筋混凝土直是使用量最人和最基本的i ：稃材料，据预测今 后相当长的一段时间无论是海岸、海中或海底1 ：程结构材料仍将以钢筋混凝十材料为主，这 不仅冈为钢筋砼原料丰富、价格低廉、力学性能优越，更主要由丁水泥砼的高碱度为钢筋表 面形成钝化膜提供了有利条件，使得衿结构中的钢筋在一般环境条件f 不易生锈，因而就总 体而言钢筋混凝土是一种耐久性较女，的结构材料，但是，对于海r 砼结构则由于海洋环境中 氯离子极强的穿透力和去钝化作用而使钢筋钝化膜容易遭剑破坏并使其产生锈蚀，钢筋一旦 发生锈蚀其体积将逐渐膨胀直至达剑原钢筋体积的2 1 0 倍，这将对保护层砼产生很人拉廊 力，当拉府力超过砼抗拉强度时衿保护层将开裂、起层、剥落甚至使结构失效。当骱结构有 了上述可见劣化特征时此时钢筋已经严重锈蚀而且冈氯离子引起的钢筋锈蚀多为点蚀，部 分钢筋截面的减少很容易在钢筋砼结构内部引起应力集中，这不仅使结构使用寿命人大降 低，而且维修成本也大幅度提高。因此客观上要求海洋环境t 程砼必须具有较蚶的耐久性利 较高的使用寿命。 但是，由于过去人们对砼耐久性问题认识不足、重视不够，很多国家都面临着衿耐久性 不良的严重问题，一些国家的重要衿结构如海港、码头、人坝和桥梁在没有达到使h j 寿命前 就已严重老化，不得不花巨资进行维修或重建，给经济发展带来很大的损失。在这方面国内 外的教训都十分深刻1 1 4 j 。因钢筋锈蚀引起建筑物破坏已成为世界性问题，仅美国每年用于 桥梁维修费_ h j 就有1 5 5 0 亿美元，英国每年_ l j 于维修的费_ l i j f 建筑i 业年成交颥的1 1 ，已 成为英国一个沉重的财政负担。我国从已有的凋杏结果看因钢筋锈蚀引起的破坏十分普遍和 严重，除造成惊人的盲接经济损失外，带来的资源和能源浪费、对环境污染以及其他负面影 响也不容忽视。钢筋锈蚀是海r 混凝十耐久性筹和提前破坏的主要原冈，是决定海一1 2 混凝七 使用寿命的关键，因氯离子引起钢筋锈蚀局部化稃度高，且外观不易观察剑，这是十分危险 的。我国曾对设计寿命3 0 5 0 年的海港码头衿进行大面积调杏 9 1 ，发现使用7 2 0 年的码头 破坏十分严重不得不着手修补加同和重建，耗资惊人。分析造成这种状况的原冈我们认为 主要有二个方面：一是由于过去用丁i 海工j 二稃砼的水灰比较大，衿施一f 地没有达剑应有的质 草要求，造成其抗海水侵蚀、耐海水冲刷和抗冻融性能不能满足海洋【样的特殊要求；二是 过去在单一因素作用下的醉耐久性试验研究本身存在问题，骱耐久性研究没有与使川环境相 对席，而是在统一标准条件1 - 取得的，其结果只能起剑横向比较作 j ，无法量化指导实际- l = 稃的耐久性设计与施工；三是没有建立起科学的与使j j 环境相适戍的_ | l 争损伤欠效模式及寿命 计算模型，在衿耐久性的试验结果与舱的使用寿命之间没有建立起应有的联系。对丁海j 二硫 由丁：过去人都以饱和舱即水p 碎作为耐久性研究的重点，醉配合比设计和使_ h j 寿命计算也都 是建立在氯离子在饱平砼中以扩散为主要机制渗入柠内部升逐渐达剑钢筋表面使钢筋锈蚀 的假设之上的，通常采用f i c k 定律或修正的f i c k 定律描述钢筋砼损伤失效过拌i l ，预测达 剑钢筋 l 争结构使用寿命第一阶段的时间较长，但海j j 混凝十结构往往是一个帮体，它既有水 一p 部分也有水上部分，结构耐久性与使用寿命的关键取决于晟薄弱辽环，如果以氯离子在饱 和砼中单纯发生f i c k 扩散机制的研究结果应_ i j 剑同时存在多种劣化机制的潮汐防、浪溅阿 以及大气区筲不饱和砼中其风险可能会人大提高，这是由丁j 潮汐及浪溅防骱土要遭受干湿交 替、盐分结晶、海浪冲刷、磨蚀以及寒冷地区冻融循环等多种破坏机制共同作刚使l f 争性能劣 东南人学博t 学位论文 化并导致钢筋锈蚀速度要比单纯氯离子扩散机制导致钢筋锈蚀速度快得多，同样海洋大气区 砼主要遭受- 二氧化碳与氯盐的共同作用使钢筋产生锈蚀的机制与单纯氯离子扩散机制也有 很人不同，砼的寿命预测模型自然会有很人羊别，可见海_ r 砼实际遭受的侵蚀与破土f 、作_ 【 ；j 与 其所处犀位环境密切相关，是环境条件与多种闪素综合作用的结果，所处环境条什不同其耐 久性损伤失效机理不同，相廊的使用寿命也不会相同即使是国内外普遍认同适用于f i c k 扩散定律的浸渍区砼，由于采j i 不同浓度氯盐长期浸泡或采心各种加速试验方法测出的氯离 子扩散系数会有很人著别，相应的使州寿命预测结果也会大相径庭；冈此醉的耐久性试验方 法及其寿命预测模型必须与使用环境相似或相同才具有较高的预测精度和可靠性，不可能得 山一个放之四海皆准的普适寿命预测模型，传统的骱耐久性失效模式、耐久性试验方法在很 大稃度上不符合实际环境卜j 砼损伤失效规律，其寿命预测模犁也不能对实际环境砼作出科学 预测和决策，正如吴中伟院士曾指出：“耐久性研究本身存在缺点，如习惯单一破坏冈素的 研究试验。与实际t 稃中多因素的联合作用脱节；采h j 不正确的简化，外推、归纳甚至夸大 的方法” 1 1 1 3 。这样的耐久性对丁i 实际多种环境及多重因素综合作_ h j 的情形必然有很人的偏 差，这就是我们为什么经常看到许多按照规范设计的可服役3 0 一5 0 年的醉一l ：稃在不剑几年或 十几年就出现较大问题的重要原冈。由此石米传统的的砼耐久性研究及使用寿命预测方法在 很大稃度上不符合多种环境条件和多种因素作用卜骱损伤，大效规律，迫切需要有针对性地对 不同环境条件下骱的耐久性及其使_ f 寿命预测方法及模犁加以研究。 日前国内外对海工砼耐久性的研究主要是测定饱和伸的氯离子扩散系数，其测试方法人 多采圳长期浸泡法，然后通过钻心取样分析氯离子浓度分布，再拟台得剑氯离子扩散系数， 这种方法较为可靠，但时间长的缺点显而易见，目前国内外已经研究了一些快速测定氯离子 扩散系数的方法，但由于各种测试方法的理论基础不同，造成无法对不同方法测得的结果进 行比较，因此迫切需要建立一套理论正确、实践可靠、麻方便的快速测试氯离子扩散系数 的方法，此外由于应用f i c k 定律时使钢筋锈蚀始发的临界值浓度采_ 【i j 氯离子 砼或胶凝材 料总苗卣分率一个参数，使钢筋产生锈蚀的临界参数不包括衿碱度参数，这就是说预测骱的 使用寿命与佾碱度无关，如果说这种情形对于使川碱度较高的普通水泥水r 混凝十结构适川 的话，那么对丁海洋潮汐区、浪溅犀以及海洋人气犀环境的砼结构可能就不适用，这些环境 的砼不仅由_ 丁二不是饱和衿f i c k 定律不能适刚而且由于混凝十碱度随时间发生很人变化，使 钢筋产生锈蚀的因素可能不仅仅限于氯离子含阜，而是取决丁：氯离子含苗和混凝十碱度2 个方面。冈此沿川过去的饱海水碎耐久性的试验方法、耐久性损伤丈效模式、使钢筋锈蚀始 发的临界参数利临界值在很人程度上可能不符合海洋大气环境静、海洋潮汐区及浪溅区环境 混凝十的损伤失效规律，其寿命预测模犁也不可能真实反映这些环境砼的实际状况，客观上 要求海i 混凝十耐久性的研究必须建立在与使环境相适应的衿加速试验方法及其损伤失 效模式基础上，才有可能接近真实环境的实际状况，对混凝十使刚寿命预测才有可能准确有 效，按照指定使_ h j 寿命对砼结构进行耐久性设计才可能实现。 当前无论从保让结构安全、提高投资效铺还是从约资源、保护环境的角度都要求水泥 竹成为员有更灯【作性、更高强度和更好耐久性的j 科材料，对此各国上l 在人力发展高性能 水泥混凝士，制备高性能混凝十目前主要的选择途径是采用高效减水荆大幅度降低水胶比和 同时掺加优质活性矿物质材料如优质粉煤灰或超细矿渣掺和料，以有效改善混凝七孔结构_ 手| j 界面结构，增强混凝+ 密实度并显著提高混凝t 抗环境侵蚀性能和耐久性能，已有大母研究 表明采_ h j 人掺苗i 业废清水泥混凝土已经成为提高饱海水混凝十结构使_ j 寿命的重要技术 措施i l2 1 4 - 1 7 这不仅由丁人掺龉j 业废渣有很拯的刍! i 合氯离子能力，而且由丁二水p 砼结构 缺乏氧气供应使得钢筋锈蚀十分缓慢，然而对丁海洋潮汐耳、浪溅阿和海洋人气区混凝十由 于其火效机理不仅仅是氯离子的扩散渗透，同时还可能伴随着氢氧化钙的侵山和混凝十的碳 化问题，而这些都可以使本身碱度较低的人掺颦l 。业废滴水泥混凝十的碱度进一步降低。我 第一章绪论 们知道混凝十中钢筋保持不生锈的重要条件之一就是有其内部有较高的碱度，一旦钢筋周围 混凝土碱度降低剑一定程度，没有氯离子或只要有少茸氯离子渗入钢筋就开始锈蚀，由于这 些环境中氧气供应充分，从而使钢筋锈蚀速度很快，醉结构使用寿命人丈降低，这也是海洋 潮汐区、浪溅区甚至海洋大气区混凝士上稃耐久性问题比水f 区混凝十耐久性凸显严重的重 要原因之一。随着经济的快速发展，海洋及沿海环境条件f 砼工稃日益增多，备类港口、跨 海大桥，堤坝等重要和重大海洋工稃都在加速建设，计划或正在建造的人犁海洋j 二程均采用 了水泥混凝十结构，并且对_ 稃的及耐久性和使用寿命提出了具体的要求，这时沿_ h j 传统单 一的停耐久性试验方法、氯离子扩散模型及碳化模璎