提高海工混凝土结构耐久性寿命成套技术及推广应用——获2011年度国家科学技术进步奖二等奖

处于海水环境中的海工混凝土结构,因氯盐腐蚀引起钢筋锈蚀、混凝土结构破坏是威胁我国乃至世界混凝土结构安全使用寿命的首要病害.长期以来,如何攻克海工混凝土结构耐久性技术难题、提高海工混凝土     

基于可靠度随机有限元法的海洋混凝土结构耐久性分析

为了准确分析氯盐侵蚀下海洋混凝土结构的耐久性,根据可靠度随机有限元法分析了材料参数、结构几何参数和环境作用参数的随机性对混凝土结构服役寿命的影响。首先基于氯盐侵蚀下混凝土结构的正常使用极限状态方程,利用摄动随机有限元法(PSFEM)建立了混凝土结构可靠度分析的梯度优化迭代分析方法,根据预设可靠度水平确定混凝土结构的服役寿命。进而利用灵敏系数分析了氯盐腐蚀下混凝土结构服役寿命对不同随机变量的敏感性。算例分析验证了本文方法具有较高的计算精度和效率。研究表明,混凝土保护层厚度对混凝土结构耐久性影响最大,需要在设计中予以特别注意,而且参数随机性对混凝土结构服役寿命具有显著影响,一旦忽略将导致设计结果偏于不安全。     

氯盐干湿循环作用下混凝土力学性能与孔结构变化研究

为探究淡水区和氯盐环境下干湿循环对混凝土构件的影响差异,分别模拟了无氯盐和有氯盐作用的干湿循环环境,测试干湿循环前后混凝土的抗压强度、动弹模量、微观孔结构参数及孔径分布情况,比较了宏微观指标变化程度。结果表明,两种干湿循环作用均对混凝土抗压强度有少许增强作用,微观表现为孔隙率的减小;两种干湿循环均会降低混凝土的动弹模量,使混凝土内部出现损伤,微观表现为混凝土孔径分布情况变差,特别是大孔含量有增加。一般干湿循环会使混凝土抗渗性增强,氯盐干湿循环会降低混凝土抗渗性,微观表现为一般干湿循环后混凝土临界孔径减小,而氯盐干湿循环后,混凝土临界孔径增大。     

大粒径骨料混凝土抗氯盐性能评价试验研究

混凝土的抗氯盐性能评价方法是评价氯盐环境下混凝土耐久性的重要手段。由于受到试件尺寸的影响,常规的电量法和RCM法适用于最大骨料粒径不超过25 mm的混凝土。采用不同水胶比和不同胶凝材料组成、不同骨料粒径的混凝土进行了对比试验,研究了最大骨料粒径为20,63 mm的混凝土抗氯盐性能。通过对试验结果的分析,确定了最大骨料粒径为63 mm的混凝土抗氯盐性能的评价指标。     

不同环境中杂散电流对钢筋混凝土腐蚀影响

研究了在一般环境、氯化物环境、冻融-氯化物环境中,杂散电流对普通钢筋混凝土和添加适量活性掺合料的耐腐蚀钢筋混凝土腐蚀程度的影响。试验结果表明,在氯盐-杂散电流双重因素腐蚀条件下,氯化物环境加速杂散电流对建筑钢筋混凝土结构的腐蚀。与同水胶比普通混凝土相比,耐腐蚀混凝土内钢筋产生锈蚀的电流密度可提高5倍。耐腐蚀混凝土极大延缓氯盐环境中杂散电流腐蚀破坏时间,较同水胶比的普通混凝土延长15倍。杂散电流的存在加剧了混凝土在氯化物环境中的冻融破坏。     

钢筋混凝土结构电场阻盐防护计算与验证

根据氯盐环境中钢筋混凝土腐蚀破坏的机理,利用氯离子在电场作用下向外迁移的原理,从而阻滞其向混凝土内侵入,提出了钢筋混凝土结构物电场阻盐(ERC)防护新技术.对水灰比为0.45的混凝土试件进行了ERC试验,在0.75和1.00 V的电压下阻盐处理240 d时,氯离子侵入量分别下降39%和52%,结果证实了该技术阻止环境中氯离子侵入的有效性;采用有限元方法计算了ERC条件下混凝土中氯离子质量分数分布,计算结果与实测值基本吻合,相关系数达到0.98以上,表明理论计算结果较为可靠.计算分析了混凝土结构在0.75和1.00 V电压下,服役100 a时氯离子在混凝土中的分布,结果表明:在100 a的服役后混凝土保护层内氯离子含量明显低于钢筋腐蚀的临界浓度,因而可保持混凝土结构在100 a使用寿命内不因钢筋的腐蚀而破坏.     

不同氯盐浓度下堆石坝混凝土面板冻融循环耐久性试验研究

混凝土结构是水利设施的重要组成部分,寒区滨海和盐渍区的水利工程的混凝土结构会受到冻融和氯盐的双重作用,对混凝土结构造成损伤。文章通过实验室试验的方式,研究了不同氯盐浓度下堆石坝混凝土面板冻融循环耐久性特征,结果显示中等氯盐浓度下混凝土试件的抗冻融性能最差,需要在工程设计中予以重视。     

钱塘江感潮河口地区水工混凝土氯盐侵蚀特征

钱塘江河口是强感潮地区，其自然侵蚀环境不同于海洋环境。在钱塘江感潮环境下，水工混凝土受含盐潮水的作用，形成了特定的侵蚀环境。根据调查与测试的结论，分析了一座水闸的闸墩、闸门和底板等典型混凝土构件的氯离子侵蚀情况，研究了自然环境下水工混凝土受氯盐侵蚀的特征，研究的结论为该环境下水工混凝土耐久性评价提供了一定的依据。     

氯盐侵蚀环境下水工混凝土结构耐久性分析

该文根据某围海工程钢筋混凝土排涝闸的过早劣化致耐久性失效的调查,对照国内外有关耐久性混凝土规范和研究成果,探讨氯盐侵蚀环境下钢筋锈蚀机理和氯离子在混凝土中的侵入规律,提高对水工混凝土结构耐久性的重视。     

混凝土结构防氯盐锈蚀研究

影响混凝土结构耐久性的原因很多,但钢筋锈蚀是最主要的原因,而氯盐离子是引起混凝土结构中钢筋锈蚀的元凶。根据氯盐进入混凝土的途径、在混凝土中的存在形式及锈蚀机理,提出了防止氯盐锈蚀钢筋的措施:重视概念设计、合理设置保护层厚度、采用高性能混凝土、掺入钢筋阻锈剂、掺入引气剂等。     

基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型

通过不同配合比混凝土试件的气体渗透性测试、吸水性测试及氯离子侵蚀试验,分析了混凝土氯离子扩散系数与渗透性能之间的关系,建立了基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型,并以某临海水闸工程为例对所建模型进行验证。结果表明:空气渗透性系数、吸水性系数及氯离子扩散系数均随着水灰比的增大而增大;不同水灰比情况下,氯离子扩散系数均随空气渗透性系数、吸水性系数的增大而增大,且呈现一定的相关性;建立的基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型,只需进行混凝土结构渗透性能的试验,即可预测混凝土结构的使用寿命;以某临海水闸工程为例对所建模型进行验证,认为该模型是可行的。建立基于渗透性能的混凝土耐久性预测模型对在氯离子环境下的混凝土结构工程直接利用渗透性能预测其使用寿命具有重要意义。     

抗海水腐蚀混凝土在吴川市低(土勇)水闸闸门重建工程中的应用

简介了笔者近年来在抗海水腐蚀混凝土领域的最新研究成果，指出在海洋环境下，采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的钢筋混凝土建筑物的使用寿命至少为采用普通混凝土时的3～4倍；并重点介绍了第一个采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的海工工程——广东省吴川市低（土勇）水闸闸门重建工程的情况．     

海洋环境结构混凝土耐久性试验研究综述

综述了海洋环境结构混凝土暴露试验及室内加速试验的特征及现状,总结了国内外海洋环境结构混凝土耐久性试验方法,指出该领域的发展趋势是对不饱和状态、载荷与环境多因素耦合作用下的混凝土耐久性进行研究,进而探索海洋暴露试验与室内模拟环境加速试验之间的相关性,并建立结构混凝土的损伤劣化与寿命预测模型,从而利用室内模拟环境加速试验的模型预测海洋环境下结构混凝土损伤劣化规律和使用寿命。     

基于可靠度的混凝土结构服役寿命预测

本文基于可靠度理论提出了混凝土结构服役寿命的四个阶段,建立了基于性能的服役寿命预测模型,并通过海洋环境中钢筋混凝土抗弯构件试验进行了对比验证。结果表明:混凝土开裂诱发钢筋锈蚀约发生在18%构件服役寿命;从钢筋锈蚀引起构件过大变形、丧失正常使用功能始,至结构安全失效止,约占13%构件服役寿命。钢筋锈蚀混凝土结构服役寿命各阶段预测可作为结构修复与加固决策的依据,对钢筋混凝土基础设施维护成本控制具有重要意义。     

基于相似理论的海工预应力混凝土构件寿命预测

根据经典相似理论及海工预应力混凝土结构耐久性的主要表征量,以氯离子扩散系数为纽带建立了室内加速模拟环境试验结构与现场环境结构之间的时间相似关系。参考连云港港区氯盐侵蚀环境,设计了相应的人工气候模拟侵蚀条件;浇筑了2根与现场构件材料组成相同、结构特征相似的试验梁。对现场构件及侵蚀后的试验梁钻取混凝土粉末试样,通过快速氯离子检测方法(即RCT法)测得氯离子含量。按照Fick第二扩散定律并通过Matlab拟合得到氯离子扩散系数,并根据其时间衰减关系得到该地区对应的海洋大气区时间相似系数,实现现场服役结构耐久性寿命预测。     

XYPEX增强混凝土抗冻性能的试验研究

冻融破坏是季节冻土区水工混凝土建筑物的主要破坏形式,轻则影响建筑物的观瞻,重则威胁工程的使用寿命和安全运行.本文根据XYPEX增强混凝土抗冻性能的试验,研究分析了XYPEX对混凝土抗冻性能的影响,并对XYPEX增强混凝土抗冻性能的作用机理进行了探讨.     

海工混凝土防腐涂层防护技术研究

在海洋环境下，钢筋混凝土的使用功能会随着时间而劣化，有效的防腐措施可以防止混凝土结构在设计服役寿命内钢筋腐蚀破坏的发生。本文针对永定新河防潮闸所处的海水环境．开展了3种防腐涂料的混凝土抗腐蚀性能试验。结果显示，在混凝土表面进行涂层处理，可以大大提高混凝土的耐久性。     

基于概率分析的锈蚀钢筋混凝土结构寿命预测

钢筋锈蚀是导致混凝土结构破坏的主要原因,合理预测锈蚀钢筋混凝土结构的使用寿命对减少工程的经济损失、保证结构的安全运行具有重要意义。针对锈蚀钢筋混凝土结构在不同寿命评估准则下的使用寿命预测问题,基于混凝土结构耐久性现状检测结果,采用概率分析可靠度方法,通过抗力和荷载效应的统计特征求得结构的时变可靠指标,从而对结构的裂缝宽度寿命和承载力寿命进行分析预测。以拱坝孔口和水电站厂房吊车梁为例进行计算,研究结果表明：结构的动态可靠指标随着服役时间的增加呈下降趋势,概率分析法的寿命预测结果在合理的预测区间内。研究成果可在实际工程中为钢筋混凝土结构的维修和加固提供决策依据。     

海工混凝土氯离子分布概率模型分析与应用

在海工混凝土结构中,由于氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀问题十分普遍。为准确判断钢筋初锈时间,预测结构耐久性劣化规律,在现有氯离子扩散模型的基础上,基于蒙特卡罗理论,利用MATLAB软件对钢筋周围氯离子浓度分布进行随机抽样模拟。结果表明一定时间段内（10年、50年、100年）钢筋周围氯离子浓度服从对数正态分布,并提出判断钢筋锈蚀的概率模型,以概率方法判断钢筋锈蚀,其可靠性将大大增加。结合该模型对连云港港区现场服役混凝土构件进行了氯离子含量预测,现场取粉试验结果基本符合该模型分布,其均值吻合较好,并对港区混凝土结构耐久性使用寿命失效概率进行了风险评估。