可溶性盐类侵蚀-干湿循环-荷载耦合作用下混凝土微结构演化、传输机理和寿命预测研究

This project was focused on the microstructure evolution of structural concrete exposed to soluble salts in marine environment. Using the wetting-drying cycle equipment and loading equipment designed on our own, two topics are studied systematically, that is, the transportation process of soluble salts in concrete under coupling flexural loading and wetting-drying cycles, damage evolution mechainsm of microstructures under triply coupling of salt, dry-wet cycling and load. Also, the influence of microstructure evolution on the transport of salt is considered. Model of damage evolution of microstructures exposed to the triply coupling factors will be stablished. Based on the concrete microstructure evolution, the convecion and diffuison theory will be used to stablish the transport model of soluble salt under flexural loading and wetting-drying cycles. Finally the reliability theory will be adopted to stablish the service life prediction model under wetting-drying cycles, flexural loading and soluble salt in marine environment. The distinctive point of this study is the consideration and introduction of time-dependent micriostructue parameters.

本项目以海洋环境条件下的结构混凝土为研究对象，针对可溶性盐类侵蚀对混凝土微结构的损伤演化这一核心科学问题，运用自主设计的干湿循环设备和弯曲荷载加载方法，系统研究在干湿循环和荷载耦合等复杂条件下，可溶性盐类在混凝土中的传输过程及规律；研究可溶性盐类-干湿循环-荷载三重因素耦合作用下，混凝土微结构的损伤演化机理及规律，以及对混凝土中可溶性盐类传输的影响和相互关系。建立可溶性盐类-干湿循环-荷载三重因素耦合作用下，混凝土微结构损伤演化模型。在此基础上，依据对流和扩散原理，建立基于混凝土微结构损伤的可溶性盐类在干湿循环和荷载耦合等复杂条件下的传输模型。最终运用可靠性理论，建立海洋环境下的混凝土在可溶性盐类-干湿循环-荷载三重因素耦合作用下的寿命预测模型。本项目所建立模型与已报道的各种模型不同之处主要是引入了具有时变性的混凝土微结构特征参数。

海洋环境下混凝土的损伤劣化是当前工程界与学术界关注热点。本文以相对弹性模量表征多重因素耦合作用下混凝土损伤，结果表明：氯盐的存在缓解了硫酸盐对混凝土的损伤，在复合溶液中，较高硫酸盐含量降低了对混凝土的侵蚀；干湿交替、荷载、可溶性盐耦合作用下，与复合盐溶液相比，单一盐溶液加速了混凝土损伤，且单一硫酸盐溶液较单一氯盐更甚；在复合盐溶液分别耦合干湿循环或荷载作用下，干湿循环较荷载更能加速混凝土损伤。.利用X-CT、SEM、XRD和TG/DSC等测试技术，研究了可溶性盐溶液侵蚀下水泥浆体的微结构演变。结果表明：掺入矿物掺合料细化结构的孔径，另外提高Friedel盐量，降低氢氧化钙量，从而提高抗复合盐溶液侵蚀能力；氯盐和硫酸盐对水泥浆体的腐蚀相互抑制，复合溶液对水泥浆体的腐蚀慢于单一盐溶液。.以氯离子含量为测试指标，研究了多因素耦合作用下氯离子一维传输规律。结果表明：硫酸盐的存在降低了混凝土中自由氯离子浓度和氯离子结合能力。混凝土在遭受荷载、干湿循环、复合盐溶液三重因素耦合作用时，其自由氯离子浓度随着荷载率的增加而增加；复和盐溶液分别耦合荷载或干湿循环作用时，干湿循环因子较荷载率因子更能加剧氯离子腐蚀。. 系统研究了表观扩散系数和表面氯离子浓度的时变规律。建立了表观扩散系数时间依赖性关系的综合性模型。浸泡条件下表面氯离子浓度的时变规律模型符合平方根模型的形式；而干湿循环条件下则用带初值的平方根模型来描述。 . 本模型是将多重因素耦合作用下影响氯离子传输的最主要的影响因子干湿循环单独考虑，并将干燥阶段与湿润阶段分别考虑，通过对扩散系数逐项增加恶化环境因子的方式（复合盐溶液、荷载）将各步的作用结果逐步循环迭代最终实现多重因素耦合下氯离子传输的模拟。.以干湿循环、荷载耦合作用下氯离子在混凝土中的传输为基础，建立了多因素耦合作用下混凝土寿命预测模型。. 本项目研究成果对丰富混凝土耐久性理论有重要的学术意义，对提升混凝土服役寿命有重要的工程意义。