【摘 要】
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温室气体的排放量近似呈指数型增长,全球变暖,温度和CO2浓度的升高必将缩短钢筋混凝土结构的碳化寿命。特别是对于水工混凝土结构而言,加之库区的碳源作用,耐久性更值得关注。目前既有混凝土结构碳化寿命的预测主要以碳化深度为主,而实际上大气环境下混凝土中钢筋锈蚀的诱因本质为碳化程度;其次,混凝土碳化深度的预测模型中环境相对湿度为主要变量,忽略了混凝土内部含水率的影响;此外,混凝土碳化深度几乎均被默认为酚酞
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温室气体的排放量近似呈指数型增长,全球变暖,温度和CO2浓度的升高必将缩短钢筋混凝土结构的碳化寿命。特别是对于水工混凝土结构而言,加之库区的碳源作用,耐久性更值得关注。目前既有混凝土结构碳化寿命的预测主要以碳化深度为主,而实际上大气环境下混凝土中钢筋锈蚀的诱因本质为碳化程度;其次,混凝土碳化深度的预测模型中环境相对湿度为主要变量,忽略了混凝土内部含水率的影响;此外,混凝土碳化深度几乎均被默认为酚酞喷涂不显色区深度,而试验表明,当试件含水率较高或较低时,测试结果均存在较大误差。因此,为了更加准确地评估在役混凝土结构碳化寿命,本文从测试手段、试验方法、理论模型、服役结构受力特征等方面构建了水泥基材料碳化程度的评测方法,确定了碳化作用效应,进而基于试验和理论分析探明了钢筋开始锈蚀时其周围混凝土的碳化程度,以此为阈值,明确了临界碳化程度,从而类似于结构正常使用极限状态,构建出碳化作用效应与临界碳化程度的关系,提出了以达到临界碳化程度为标准的在役混凝土结构寿命预测方法。主要工作及结论如下:（1）分析总结了酸碱指示剂法,孔溶液分析法和物质成分分析法等三类水泥基材料碳化常用测试方法的特点,针对传统酚酞酒精指示剂法测试碳化深度的不足,在课题组已发明固形物上端扫描仪的基础上,采用python语言对扫描图片进行数值化处理,更准确得到平均碳化深度;规范了模拟孔溶液法测试流程,能更准确的间接表征碳化程度;自主研发设计制作精密微型数显碳化测量装置,通过测试试件中Ca CO3的含量,可以直观反映混凝土的碳化程度;基于试验结果对比分析,建立了3种方法测试结果间的相关性;（2）研究了预处理方法对碳化试验结果的影响,结果表明:规范中采用的试件预处理方法并不合理,采用该法处理后的试件在碳化过程中存在水分交换,影响试验结果;采用本文提出的湿稳态预处理方法对试件进行预处理后,碳化过程中,试件处于湿均匀分布状态,试验结果更真实,能反映实际工程中混凝土构件的碳化性能;湿稳态状态下,环境相对湿度为53%时,酚酞酒精指示剂法测试碳化深度最大,环境相对湿度为70%时,完全碳化区内碳化程度最大;（3）基于理论分析,建立了考虑水分传输的水泥基材料碳化程度理论预测模型,对比分析不同内外湿差试件的试验与模型计算结果,验证了该模型的适用性,进一步研究分析表明:水泥基材料碳化区域的分布特征受环境相对湿度和孔隙水饱和度共同影响;当孔隙水饱和度为0.7,环境相对湿度为50%时,完全碳化区长度最大;当孔隙水饱和度为0.9,环境相对湿度为90%时,完全碳化区长度最小;当环境湿度为50%,孔隙水饱和度为0.1时,部分碳化区长度最大;当孔隙水饱和度为0.8,环境相对湿度为90%时,部分碳化区长度最小;（4）试验研究了不同拉应力水平下轴心受拉试件的碳化性能,试验结果表明:不同应力等级下酚酞指示剂法测试碳化深度无明显差异;随着拉应力水平的增大,基于碳酸盐含量法测得碳化深度先减小后增大;水泥基材料碳化体积收缩与荷载水平相关性较弱,主要受原材料成分影响;总体积应变是影响不同拉应力水平下,同种水泥基材料试件碳化深度（碳酸盐含量法）的根本原因,总体积应变收缩量越大,碳化深度越小;对于普通混凝土而言,当拉应力水平达到0.8ft时,对碳化程度的影响不可忽略,碳化程度影响系数宜取为1.5;（5）通过加速碳化试验,采用电化学测试、宏观观测和微观检测,研究了水泥基材料中钢筋开始锈蚀时的临界碳化程度,结果表明,钢筋开始锈蚀时,周围的混凝土被部分碳化,临界碳化程度约为55%;以此为阈值,基于已建立的碳化程度理论预测模型,提出了以达到临界碳化程度为标准的在役混凝土结构寿命预测方法。
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