随着我国地下资源开发的不断深入,立井作为矿山生产的重要通道,其井筒结构在满足安全性设计的同时,耐久性问题日益突出;尤其我国20世纪八九十年代建设现今服役的大量矿井其井壁结构多采用C30～C40混凝土,由于强度等级较低,随服役时间增加耐久性问题更加严峻,甚至出现井筒变形破裂进而威胁矿井安全和正常生产。矿井井壁混凝土所处服役环境复杂,其服役性能和寿命不仅受地压、扰动等地质条件制约,还与地下水、微生物等环境因素的长期作用密不可分。因此井壁混凝土往往面临力学过程和化学过程的双重破坏,导致服役状态和性能出现劣化。地下矿井水中常富含一些可溶性盐,硫酸盐是常见的一种,会使井壁混凝土受到化学侵蚀,地下水位的变化和矿井水的流动又会对混凝土产生干湿交替的加速破坏作用。因此有必要结合矿井服役条件对硫酸盐腐蚀环境中井壁混凝土材料的劣化特征与机理进行研究,将有助于评价井壁结构服役状态和预测其使用寿命,也能为修复和加固提供参考。本文采用普通C30井壁混凝土,基于硫酸盐腐蚀模拟试验,进行了物理力学测试以及微观性能测试,研究了井壁混凝土在初始损伤、三向受力、加卸载扰动和不同阳离子成分等矿井服役条件和硫酸盐腐蚀环境因素作用下物理力学性能劣化特征和机理,并基于硫酸盐腐蚀机理探索减轻井壁混凝土硫酸盐腐蚀劣化的途径,主要研究内容和成果包括:(1)通过井壁混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究,分别基于抗压、劈裂抗拉、抗折等强度值及超声波波速建立劣化因子来定量评价井壁混凝土性能变化,并得到劣化因子随腐蚀加剧而变化的函数关系,进一步基于应力应变关系和声发射累积振铃计数建立井壁混凝土腐蚀受荷损伤演化方程,从而通过数学模型将腐蚀损伤和受荷损伤统一起来。(2)通过不同程度初始损伤下井壁混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究,从表观、质量、超声波波速、强度、应力-应变关系及声发射特性等方面对比分析了初始损伤下井壁混凝土硫酸盐腐蚀的性能变化,并通过劣化因子对性能变化进行定量评价和预测,基于应力应变关系和声发射特性建立了初始损伤下井壁混凝土的腐蚀受荷损伤模型,进一步研究了硫酸盐腐蚀对含初始损伤井壁混凝土微结构和矿物元素的改造作用及腐蚀产物组分的变化,揭示了初始损伤井壁混凝土的腐蚀劣化机理。(3)通过对受硫酸盐腐蚀的井壁混凝土开展不同围压水平的三轴压缩试验,分析了腐蚀时间和围压条件对井壁混凝土破坏形式、变形和强度的影响,基于弹性模量和粘聚力变化建立劣化因子来定量表征硫酸盐腐蚀引起的井壁混凝土三向受力性能变化,建立了考虑腐蚀效应的井壁混凝土强度破坏准则,并得到了井壁混凝土在硫酸盐腐蚀和围压作用下的腐蚀受荷损伤演化模型和本构关系,为评价三向受力状态井壁混凝土的腐蚀劣化性能提供参考。(4)通过对受硫酸盐腐蚀的井壁混凝土开展三向应力下的循环加卸载试验,研究了应力扰动下混凝土的腐蚀劣化性能,并基于能量耗散的观点采用能量比来定量研究硫酸盐腐蚀环境中井壁混凝土受加卸载扰动作用的劣化特征,为评价扰动因素作用下井壁混凝土的腐蚀劣化性能提供参考。(5)通过试验研究了 Na+、Mg2+、NH4+三种常见阳离子对井壁材料硫酸盐腐蚀劣化的影响,从表观、质量、超声波波速、抗压及抗折强度变化等方面对比分析了硫酸钠、硫酸镁和硫酸铵腐蚀环境中井壁材料的性能变化,并通过劣化因子对性能变化进行定量评价,采用环境扫描电镜、能谱分析及X射线衍射等微观试验手段观测分析硫酸盐腐蚀环境中Na+、Mg2+、NH4+三种常见阳离子对井壁材料微结构和矿物元素及腐蚀产物组成的影响,进一步揭示了以Na+、Mg2+、NH4+三种阳离子为主的硫酸盐腐蚀环境中井壁材料的劣化机理。(6)针对硫酸盐腐蚀环境,通过引入氢氧化钡利用Ba2+能与SO42-结合生成BaSO4进而调控和影响腐蚀反应,从表观、质量、超声波波速、单轴压缩力学特征等方面对比分析了氢氧化钡的掺入对井壁混凝土宏观性能变化的改善,并借助环境扫描电镜、能谱分析、X射线衍射及热重-差热分析等微观试验分析了氢氧化钡对井壁混凝土微观结构和反应产物的影响,进一步揭示了氢氧化钡的作用机理。