硫酸盐复合腐蚀环境中灌注桩的腐蚀劣化机理及其承载性能退化规律

Expansion, cracking, shedding, exposure of aggregates or steel bars and even failure of cast-in-situ piles occur in sulfate-rich saline areas induced by sulfate or sulfate combined attack. The strength of cast-in-situ concrete piles suffers great decrease and the bearing capacity of piles would be negatively affected to a large extend, putting the pile foundation and even the superstructures in great safety risk. The appearance damage, physical and chemical properties, and the mechanical properties of cast-in-situ piles, together with the micro-structure and mineral analysis, will be studied to make clear the degradation mechanism of sulfate attack. The effects of chloride and magnesium ions on the degradation and the corresponding mechanisms will be studied based on the laboratory tests. The pile-soil surface investigation and bearing capacity tests will be performed to study the bearing capacities of cast-in-situ piles during the corrosion induced by sulfate and sulfate combined attack. The structural damage, bearing capacity and life prediction models will be proposed by using the analytical and numerical methods. Also, the validation of the proposed models will be carried out based on the data obtained in the laboratory tests. The results of the presented project will be served as guidance for the design, the construction process and the maintenance of cast-in-situ concrete piles in saline areas.

硫酸盐渍土地区灌注桩在复合腐蚀作用下产生膨胀、开裂、剥落、骨料及钢筋裸露甚至破坏，导致灌注桩桩身强度大幅降低，并对灌注桩的承载性能造成不利影响，使得桩基甚至上部结构的安全面临极大的威胁。本项目以盐渍土地区灌注桩为研究对象，通过在硫酸盐及其与氯盐、镁盐形成的复合腐蚀环境中的灌注桩模拟腐蚀试验，观测灌注桩表观损伤、物理化学及力学性能随腐蚀时间的变化规律，结合微观结构及矿物分析等方法，深入研究灌注桩在硫酸盐渍土中的腐蚀过程和劣化机理，明确硫酸盐环境中氯盐、镁盐对灌注桩硫酸盐腐蚀劣化的影响及作用机理；利用桩-土接触面观测试验及模型桩承载力试验，研究盐渍土腐蚀作用下灌注桩承载力及变形性能的演变规律；基于解析法及非线性分析并结合试验结果，建立盐渍土地区硫酸盐及其复合腐蚀环境中灌注桩的结构损伤、承载性能演变计算理论及寿命预测模型。研究结果将为盐渍土地区灌注桩的设计、施工及维护提供科学的理论依据。

我国盐湖及盐渍土地区自然环境复杂恶劣，对服役于其中的包括灌注桩在内的现浇混凝土结构存在较强的腐蚀作用，尤其是在硫酸盐及其多盐复合腐蚀条件，对灌注桩的正常服役造成了极大的安全风险。本项目紧密围绕研究目标，针对我国西北、东北盐渍土地区的灌注桩耐久性损伤机理与承载性能退化等关键科学问题，采用室内模型试验和理论分析等综合研究手段，研究了在硫酸盐、硫酸盐-镁盐、硫酸盐-氯盐等单一或复合腐蚀条件下，硫酸盐在混凝土中的扩散规律，以及不同腐蚀劣化环境下现浇混凝土的劣化差异；结合矿物学和微观观测等试验手段和方法，深入揭示了硫酸盐及不同腐蚀性离子复合条件下的腐蚀过程和劣化机理；针对现浇混凝土的特殊施工过程和服役特点，设计了针对现浇结构的腐蚀劣化试验装置，开展了超早期和早期腐蚀劣化观测试验，明确了在不同腐蚀环境下，长期腐蚀劣化差异的主要原因和形成机理；根据现浇混凝土结构在盐湖及盐渍土地区施工存在的问题，开展了因施工及材料引起的硫酸盐及多盐内源腐蚀试验，明晰了不同腐蚀性离子引起的内源腐蚀劣化差异、损伤过程和劣化机理；针对硫酸盐引起的腐蚀劣化类型，开展了由物理腐蚀和化学腐蚀为主引起的灌注桩承载特性演变模型的研究，分别建立了物理和化学腐蚀作用下灌注桩承载特性演变计算模型，并进一步结合规范对于灌注桩服役的要求，建立了灌注桩在硫酸盐腐蚀环境下的寿命预测模型。为服役于盐渍土及盐湖地区灌注桩的设计、施工和维护提供一定的理论指导和设计依据。