基于可靠度的滨海化工园区结构混凝土耐久性设计和评估方法

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综合考虑交通运输条件以及稀释水供应等因素,我国大型化工园区大多建在海边。在此类化工园区中,工程结构所用混凝土将同时遭受海洋环境和化工园区的酸性气体等多重腐蚀作用,容易产生严重的混凝土耐久性问题,进而大大缩短了工程结构的使用寿命,严重威胁了人民的生命财产安全。  本课题结合灌河大桥实际工程系统研究了滨海化工园区结构混凝土的耐久性设计与评估方法。通过对该桥所处环境进行资料调研和实地环境监测,揭示了滨海化工园区环境中影响混凝土耐久性的主要因素,并给出了混凝土耐久性设计指标以及原材料质量控制指标。通过对关键结构部位混凝土耐久性提升技术的研究,提出了高耐久性混凝土的设计与制备方法,建立了基于可靠度的混凝土寿命预测模型,并且结合现场测得的相关参数,对灌河大桥桩基、承台、墩身和索塔结构进行寿命预测。最后,研究了盐冻和酸雨侵蚀对混凝土服役寿命的影响以及渗透性模板布技术(CPF)和ZX有机阻锈剂对混凝土耐久性的改善作用。  基于试验和理论研究得出以下主要结论:  根据抗渗性、抗冻性、体积稳定性等指标优化混凝土配合比参数,提出了大桥不同结构部位混凝土配合比设计与制备技术。参照优化后的配合比制备出来的混凝土能够满足施工和耐久性要求,并在灌河大桥工程中得到应用。对承台部位大体积混凝土进行热工计算,通过调整水泥用量和矿物掺合料掺量,进一步优选配合比,实现了混凝土温控及防裂。同时,研究了渗透性模板布技术和ZX有机阻锈剂对混凝土耐久性的改善作用。研究结果表明,渗透性模板布能够减少混凝土表层区域的孔隙,提高了混凝土的密实度,进而降低了有害物质的侵入。而ZX高效有机阻锈剂则能明显降低钢筋腐蚀反应速率,抑制了腐蚀反应。  在胶凝材料总量不变的情况下,分别研究了混凝土在不同盐溶液(纯水、3.5%NaCl溶液、5%Na2SO4溶液、3.5%NaCl和5%Na2SO4复合溶液)中冻融循环破坏机理以及矿物掺合料和引气剂对混凝土抗冻性的影响。实验结果表明,纯水冻融主要造成混凝土内部损伤,氯盐和复盐冻融主要造成混凝土表面的剥落,而硫酸盐冻融下,两种损伤均存在,硫酸盐的存在减轻了混凝土氯盐冻融表面剥蚀程度。双掺粉煤灰和矿渣对混凝土抗硫酸盐冻融性能最有利,单掺矿渣对混凝土抗复盐冻融性能最有利,而不掺矿物掺合料的混凝土抗氯盐冻融能力最强。引气剂也可以改善混凝土抗冻性,并且混凝土由于冻融循环破坏产生的质量损失和动弹性模量的损失服从二次多项式关系。  研究了460FA15SL30A(C50)与460FA15SL30B(C25)两种强度等级的混凝土在模拟酸雨环境下干湿循环和长期浸泡后的质量、抗压强度、抗氯离子扩散能力,揭示酸雨腐蚀对混凝土耐久性的影响规律。借鉴冻融循环试验方法中试件损坏的判别方法和失效标准,建立了混凝土抗酸雨侵蚀能力的评价体系。实验结果表明,混凝土的质量、抗压强度、抗氯离子扩散能力随着酸雨循环次数的增加,呈现先增大后减小的趋势;460FA15SL30A及460FA15SL30B均是质量损失先达到破坏标准,且水胶比低的混凝土抗酸雨侵蚀能力较强。干湿循环和长期浸泡这两种酸雨腐蚀制度下混凝土的性能损失变化规律一致,但是干湿循环制度作用下混凝土性能劣化速度较快。酸雨中的H+降低混凝土的碱度,促使C-S-H等物质的分解,逐层溶蚀混凝土的表面。SO42-主要生成石膏,干燥时石膏在孔隙中结晶膨胀,导致混凝土发生破坏。因此,酸雨对混凝土的侵蚀是酸雨中H+和SO42-共同作用的结果。  基于Fick第二定律,同时考虑扩散系数的时间依赖性和环境温度的影响,结合MonteCarlo方法,建立了基于可靠度的混凝土寿命预测模型。大桥桩基、承台、墩身和索塔在不考虑环境影响因素时,均满足100年的设计寿命要求。CPF技术与ZX有机阻锈剂均能大幅度提高混凝土的服役寿命,并且提高幅度达到40%以上,当ZX有机阻锈剂与CPF技术同时使用时,各结构部位混凝土的服役寿命提高一倍以上。混凝土服役寿命随着复盐冻融循环次数和酸雨干湿循环次数的增加而减小,冻融和酸雨对混凝土服役寿命的影响不可忽略,需采取一定的防护措施。复盐冻融时混凝土服役寿命可分为三个阶段,并且混凝土服役寿命变化具有突变性;酸雨干湿循环时混凝土的服役寿命呈现逐步减小的趋势,与酸雨腐蚀混凝土的损伤机理一致。
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