临涣矿区立井井壁腐蚀机理与结构可靠性研究

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临涣矿区的地下水中,普遍含有高浓度的S042-和Ca2+离子。该矿区部分立井的基岩段,有大量腐蚀性水流淌的部位腐蚀程度较轻,而有少量渗水的部位却腐蚀严重。以童亭副井为例,对这种腐蚀现象的机理进行研究后,建立了一种基于室内加速腐蚀试验的,对腐蚀井壁进行可靠性评价和剩余寿命预测的方法。使用超声平测法和混凝土回弹法,对童亭副井典型部位的腐蚀程度进行评价后,通过腐蚀性水的离子成分分析和腐蚀产物、过水面井壁及其附着致密层的物相分析,对井壁腐蚀机理进行了研究。研究结果表明:腐蚀性水中的CaSO4已经饱和,当这种腐蚀性水在井壁表面流淌时,CaSO4结晶形成的致密层,有效减少了混凝土与腐蚀性水的接触,延缓了腐蚀性水中S042-对井壁的腐蚀;当腐蚀性水从浇筑缝流出时,由于渗水量小且蒸发作用大,CaSO4在浇筑缝内结晶膨胀,促进了硫酸盐腐蚀的发生。腐蚀发生后,井壁结构是否安全以及还能服役多久,是最令人关心的问题,这显然与其强度相关。目前腐蚀结构剩余强度的时间预测,多基于加速腐蚀试验,需要解决加速腐蚀试验的当量加速关系,以及加速腐蚀试验中混凝土强度劣化规律这两个关键问题。为了解决这两个问题,分别进行了三点弯曲梁和立方体试件的加速腐蚀试验。三点弯曲梁加速腐蚀的试验环境,包括三种浓度(清水、9%和15%)的浸泡腐蚀和一种浓度(15%)的干湿循环腐蚀。腐蚀试件的物相分析表明,这三种加速腐蚀环境下发生的硫酸盐腐蚀反应基本与井壁腐蚀相同,加速腐蚀对现场腐蚀具有代表性。使用GM(1,1)模型建立试件腐蚀厚度和弹性模量的时间函数,将干湿循环腐蚀厚度的时间函数与现场腐蚀深度的对比,得到干湿循环腐蚀的当量加速关系。再结合15%浸泡与干湿循环弹性模量时间函数的相互对比,得到了15%浸泡腐蚀试验的当量加速关系。立方体试件在进行0、14和21MPa的加载后,分别放入清水和15%硫酸盐溶液进行浸泡腐蚀试验。利用不同腐蚀龄期时的单轴抗压试验,使用GM(1,1)模型建立了腐蚀试件轴心抗压强度的时间函数。假设以抗压强度与弹性模量为指标的当量加速关系相等,结合15%溶液浸泡腐蚀的当量加速关系,建立起了井壁腐蚀段轴心抗压强度的时间函数。以童亭副井四个腐蚀段为研究对象,以等比例降低材料参数的方式,使用FLAC3D对不同腐蚀程度井壁的应力分布进行了数值模拟。结果表明腐蚀段全部失效时,井壁应力的最大改变率也不超过10.2%,并且影响范围有限。忽略腐蚀对井壁应力分布影响后,结合井壁腐蚀段轴心抗压强度的时间函数和圆形井壁的弹性力学解,建立了童亭副井结构可靠度指标的时间函数。若服役环境不发生改变,童亭副井的结构失效概率达50%时的服役时间为47.3年,自2014年起还有22.3年,目前可不急于进行加固。而如果在施工期,井壁经历了相当于14MPa或21MPa的损伤,那么其结构失效概率达50%时的服役时间将会分别降低至24.4和20.2年。当地下水中含硫酸盐等腐蚀介质时,应当特别注意施工节奏,避免早期受力对混凝土形成损伤,造成井壁服役寿命降低。
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