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钢筋锈蚀、冻融以及侵蚀环境引起的物理化学作用是混凝土结构耐久性失效的主要原因,且钢筋锈蚀最为突出,而氯离子侵蚀又是引起钢筋锈蚀的主要原因。对于干湿交替区域的海工混凝土(RC)结构而言,服役荷载与海洋环境耦合作用使其处于不同的应力及开裂状态,必然影响其抗氯离子侵蚀能力,继而影响该类结构的耐久性。本文在国家自然科学基金“氯盐侵蚀环境下横向裂缝开裂参数对钢筋锈蚀影响规律研究(50908103)”的资助下,采用试验研究与理论分析等方法,开展了氯盐干湿交替下开裂RC梁内氯离子侵蚀作用及其抗弯性能退化的研究,主要工作有:
1、持续荷载作用下RC梁的氯离子侵蚀试验研究。以混凝土配合比、荷载水平为主要设计参数,对两组试件开展氯盐干湿交替试验:一组(短期侵蚀)18根用于开裂混凝土梁内氯离子侵蚀机理的研究;另一组(长期侵蚀)8根用于钢筋锈蚀对构件受弯性能影响的研究。经过15、30个干湿交替周期后,运用RCT(快速氯离子含量检测法)检测控制截面、裂缝截面及其周围一定范围内未开裂截面处的自由氯离子浓度。试验结果表明:氯盐干湿交替下,混凝土浅层均存在对流现象,其对流区深度在15~20mm之间;裂缝/应力的存在明显加速了氯离子的侵蚀作用;掺加一定质量的粉煤灰有助于提高混凝土的抗氯离子侵蚀性能。
2、氯盐干湿交替下开裂RC梁内氯离子侵蚀机理研究。基于干湿交替下完好混凝土中氯离子侵蚀的研究成果,探讨了受弯开裂RC梁在干湿交替环境下氯离子的侵蚀机理;重点考虑荷载水平(裂缝宽度)、混凝土配合比(粉煤灰掺量)、时间劣化效应的综合影响,提出了裂缝处及其周围一定范围内未开裂处的等效氯离子扩散系数的修正计算模型;利用该修正模型模拟了实际海工混凝土结构构件内氯离子的侵蚀过程,并对其保护层厚度设计提供建议值。
3、持续荷载和氯盐干湿交替耦合作用下RC梁的抗弯性能试验研究。分别对4根锈蚀钢筋混凝土梁试件(持续荷载与氯盐干湿交替耦合作用于近2年时间)及4根完好混凝土梁试件开展受弯性能试验,对比分析试验梁的裂缝开展(裂缝分布及宽度)、挠度变化、跨中混凝土应变变化及破坏形态。试验结果表明,钢筋混凝土梁的受弯性能与保护层厚度、混凝土配合比(主要是粉煤灰掺量)、裂缝宽度(受弯性能试验之前)有关;完好RC梁受弯破坏属于适筋梁延性破坏,而经氯盐干湿交替和荷载耦合作用后由于钢筋锈蚀使RC梁破坏转化为一定程度上的少筋梁脆性破坏。
4、锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能退化机理研究。介绍了单筋截面受弯构件的承载能力计算方法及正常使用极限状态的验算,并结合受弯性能试验得出的各项指标(开裂荷载、裂缝宽度、跨中挠度等)对混凝土梁构件进行了正常使用状态的验算;在试验研究的基础上,探讨了锈蚀钢筋混凝土梁构件的受弯性能退化机理;综合考虑最大裂缝宽度(受弯性能试验之前)与保护层厚度的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力修正计算公式;利用该修正公式来预测实际海工混凝土结构的剩余极限承载能力,为实际工程的剩余承载能力评估提供一定的参考。
5、氯盐干湿交替下受荷开裂RC梁的耐久性寿命预测。将钢筋初锈作为海工混凝土结构的耐久性极限状态,应用MonteCarlo法对不同裂缝宽度下混凝土结构在氯盐干湿交替环境中的失效概率进行了分析,得出了不同保护层厚度、混凝土配合比、裂缝宽度对钢筋初锈时间的影响及相应的耐久性寿命预测值,为实际工程的剩余服役寿命评估及耐久性设计提供一定的参考。