海工混凝土寿命预测和健康监测系统的初步研究

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在混凝土耐久性问题中,钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构破坏和失效的最主要因素。海洋是最恶劣的自然腐蚀环境,海工混凝土结构物不可避免地长期受到氯离子的侵蚀。大量的现场调查表明,海港建筑混凝土构件一般使用10年左右就会出现锈胀裂缝,使用寿命最长只有30年左右。此外,我国一些沿海发达地区河砂匮乏,海砂不经任何技术处理或处理不够就直接使用的现象亦日趋严重,这将使得氯离子造成钢筋锈蚀破坏的范围和严重程度进一步扩大。据统计,我国2005年海洋腐蚀损失约为6000亿人民币,其中因钢筋混凝土的腐蚀损失高达1000亿元。由此可见,由钢筋腐蚀所致的混凝土结构破坏必须予以高度重视,并采用相应的预防、预警和修复等措施,以减少损失。本文采用理论分析、试验数据分析以及与工程实测相结合的方法,围绕氯腐蚀环境混凝土结构的耐久性和寿命预测进行了系统的研究。   采用恒电位和电化学阻抗谱法(EIS)考察了在模拟混凝土孔溶液中钝化钢筋表面钝化膜破坏时的临界氯离子浓度值及其随环境pH值的变化规律。结果发现:在模拟孔溶液在pH=13.02时,导致钢筋脱钝的临界氯离子浓度为0.02~0.03mol/L; pH=11.97时,临界氯离子浓度为0.001~0.005mol/L;pH=10.95时,临界氯离子浓度为0~0.001mol/L。EIS测试结果表明,钢筋表面钝化膜失效过程特征为:在含NaCl的模拟混凝土孔溶液中浸泡的前期,同时发生电荷转移电阻Rct减小和腐蚀电位Ecorr负移;在后期还伴有Warburg阻抗出现,表明钢筋的钝态被破坏,进入活性腐蚀状态;而溶液中NaCl浓度的增加将显著加快钢筋的去钝化过程。   参考Life-365、Duracrete和MsDiff等寿命预测模型和以氯离子对混凝土结构的侵蚀机理为基础,综合分析了氯离子在水泥水化产物中的结合性能及氯离子扩散系数对时间、温度和湿度的依赖性,结合国内海港工程的钢筋混凝土实际使用情况,提出了适合我国海工环境的氯离子侵入混凝土的扩散模型,并建立了海工环境下混凝土结构寿命预测模型:   (1)对于氯离子侵蚀环境相对不是很恶劣、氯离子来源比较稳定的地区,如水下区或大气区,表面氯离子浓度(Cs)相对变化不大时,Cs可近似为常数,氯离子在混凝土中的扩散方程为:   以灰色关联度为基础,将基于模糊数学的既有钢筋混凝土构件耐久性指标评估体系引入海工构件耐久性健康监测系统,建立了B/S模式海港耐久性信息管理系统,该系统可对海港工程典型构件的耐久性状况实施实时跟踪监测,它为解决目前急需的大量在役钢筋混凝土结构耐久性评估、工程管理与决策提供了新的途径。
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