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在影响混凝土结构耐久性的因素中,钢筋锈蚀是最主要的原因之一,而氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀通常被认为是最为直接、严重和普遍的。氯离子侵蚀过程是一个复杂的过程,不仅受到混凝土材料自身微细观结构的影响,而且受到混凝土所处环境因素和荷载因素的影响。因此,研究环境因素和荷载因素共同作用下的氯离子侵蚀过程,对混凝土结构耐久性问题具有重要的现实意义。本文以“国家自然科学基金[50808005]”、“国家科技支撑计划项目[2006BAJ27804]”、“北京市科技计划课题[Y060506000007022]”和“北京市自然科学基金重大项目[8100001]”为依托,对多因素作用下的氯离子侵蚀机理及模型进行了试验研究,具体研究内容和成果如下:
1、分析了氯离子侵入混凝土的机理和氯离子引起钢筋锈蚀的机理,并探讨了影响氯离子侵蚀过程的内部因素和外部因素,为研究氯盐环境下的结构耐久性提供了科学依据。
2、在分析现有氯离子侵蚀模型不足的基础上,结合Fick定律,建立了综合考虑水灰比、湿度、时间、温度、混凝土材料对氯离子结合作用等因素作用下的氯离子侵蚀模型,给出了考虑边界条件的侵蚀模型解析解。通过对长期现场暴露试验数据分析,验证了该侵蚀模型的可靠性与准确性,并与传统的Fick第二扩散定律模型进行了对比。结果表明该模型不仅很好的反映了混凝土氯离子侵蚀的实际情况,而且预测效果理想,尤其是对不同时期深度大于25mm内的氯离子含量的预测。
3、对于混凝土结构,其实际服役过程中是受到持续荷载作用的,尤其是拉应力作用下,氯离子扩散速度加快。本文以受弯梁为试验构件,设计了在荷载和氯盐共同作用下的耐久性加速模拟试验装置,对荷载作用下的氯离子侵蚀过程进行了试验研究。试验过程中,对混凝土内的氯离子含量进行了定期取样及化学分析,测量锈蚀后钢筋的锈蚀率,锈后混凝土梁的承载能力等。试验结果表明:混凝土表层氯离子含量主要受外界环境氯离子浓度的影响,而受时间和荷载因素的影响不大;除混凝土表层外,同一深度处的氯离子含量随浸泡时间的增大而增加,随应力水平的增大而增加;荷载(拉应力)的存在加速了氯离子的扩散速度和钢筋的锈蚀速度,最终导致混凝土梁承载能力的下降。
4、在试验数据分析的基础上,引入荷载(拉应力)作用下的氯离子扩散劣化效应系数Κσι,建立了考虑荷载作用下的氯离子扩散新模型。通过试验数据拟合得到劣化效应系数Κσι的经验公式,并验证了经验公式的准确性。