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多重环境时间相似理论及其在沿海混凝土结构耐久性中的应用

作　者: 金立兵
导　师: 金伟良
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土结构耐久性试验方法相似理论氯离子扩散系数表面氯离子浓度时间衰减系数对流区深度寿命预测跨海大桥
分类号: TU375
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

混凝土结构耐久性问题是当今工程界所普遍关注的问题,它不仅关系到混凝土结构维护与再建成本的控制,而且与节能减排、环境保护和社会的可持续发展息息相关。本文对多重环境时间相似理论(Multi-Environmental Time Similaritytheory,METS)及其在沿海混凝土结构耐久性中的应用进行了研究。多重环境时间相似理论通过引入与研究对象具有相似环境条件且具有一定服役年限的第三方参照物,可以解决室内试验环境与现场实际环境之间的相似性问题,为通过室内试验对现场实际结构进行耐久性寿命预测和评估奠定了理论基础。文中详细分析了METS方法在沿海混凝土结构耐久性中的应用,为混凝土结构耐久性环境层次的研究迈出了关键的一步。具体研究内容如下:1.以经典的相似理论为基础,通过引入与研究对象服役环境相同或相似的参照物作为联系现场试验与室内加速模拟试验的桥梁,提出了多重环境时间相似理论。METS理论根据室内加速模拟试验和现场检测试验的结果,建立室内加速模拟环境与现场实际环境之间的时间相似关系,从而利用室内加速试验实现对现场实际结构进行有效、准确的预测与评估。通过对沿海混凝土结构耐久性的主要影响因素的分析,对METS方法在沿海混凝土结构耐久性寿命预测与评估的实现过程进行了研究。2.进行了混凝土结构耐久性试验METS方法的试验设计研究。对METS方法中第三方参照物的现场检测试验、研究对象的现场暴露试验、二者对应混凝土试件的室内人工气候模拟加速试验方法进行了研究。为METS方法在实际工程中的应用奠定基础。3.通过现场实测与室内加速试验均发现不同环境分区氯离子在混凝土侵蚀程度不同,并呈现潮差区最严重,浪溅区次之,大气区在不同深度的氯离子含量和侵蚀深度均比干湿交替区域低很多,说明室内人工加速模拟的试验环境与现场实际环境具有一定的相似性。4.研究了混凝土的氯离子扩散系数随表面氯离子浓度随时间的变化规律。根据室内加速试验结果,建立了不同环境分区(水下区、干湿交替区、大气区)混凝土时间衰减系数n与混凝土材料组成之间的关系式,该关系式表达形式简单,使用方便,与试验结果吻合较好。根据本文建立的时间衰减系数关系式,对室内加速和现场实际环境氯离子扩散系数的相似性进行了研究,得出不同环境分区氯离子扩散系数的相似率。利用Boltzmann变量,拟合得到在对流区深度处的氯离子浓度,并以此作为氯离子扩散的起点,建立了室内加速环境与现场实际环境中表面氯离子浓度随时间的累积关系,得出不同环境分区表面氯离子浓度基于室内环境与现场环境的相似率。5.基于METS方法,利用氯离子扩散系数和表面氯离子浓度的相似率和室内加速试验的结果,以距混凝土表面深度60mm处的水溶性氯离子含量0.05%(相对混凝土质量的百分比)为参照对象,考虑氯离子扩散系数和表面氯离子浓度的时变效应,通过数值模拟的方法得到了室内加速环境在不同环境分区相对现场实际环境的时间相似率。6.基于混凝土结构耐久性试验的METS方法,对杭州湾跨海大桥实际工程混凝土结构耐久性进行了寿命预测。根据METS方法,利用现场检测试验、室内加速试验、现场暴露试验的检测结果建立了不同环境之间氯离子扩散的相似关系,用数值模拟方法分析了氯离子对杭州湾跨海大桥混凝土结构主要构件的侵蚀过程并进行了寿命预测,预测过程中考虑了氯离子扩散系数与表面氯离子浓度的时变性,更加接近混凝土的实际退化机理,预测结果合理、可信、有说服力。

多重环境时间相似理论及其在沿海混凝土结构耐久性中的应用

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