混凝土结构抗硫酸盐耐久性研究.docx

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1、(博士、硕士)研究生学位论文开题报告审核表论文题目I混凝土结构抗硫酸盐耐久性研究一、立题依据与意义1 .选题背景钢筋混凝土结构是世界上应用最为普遍、范围最广的结构形式。混凝土是当今社会应用最广泛的建筑材料。我国正处于土木工程基础设施的规模建设阶段，我国每年耗费混凝土结构上的费用是2(X)0亿元以上。所以我们必须要清醒的看到混凝土结构的耐久性问题,混凝土的耐久性又可分为混凝土碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏、碱-集料反应和硫酸盐侵蚀等。其中硫酸盐是导致混凝土耐久性退化的一个重要因素。近年来，我国投入了大量力度建设地铁隧道，隧道是铁路、公路、水渠、各类管道等遇到岩体、土体、水体等障碍时的内部通道,属于“

2、生命线”工程。铁路隧道、公路隧道、地铁隧道等属于交通隧道,是主要的隧道类型。隧道是人工地下结构,工程投资巨大,维护加固不便,发生结构失效会对人的生命安全带来极大威胁,同时造成巨大的经济损失。作为重大地下工程和城市交通命脉重要组成部分的城市轨道交通地下结构，其健康服役对于城市正常运转至关重要。而地下结构设计寿命通常长达100年之久，且位于溶有侵蚀性离子的土壤和地下水中，材料性能在长期的侵蚀作用下不断退化，容易诱发地下工程灾害。加之我国城市轨道交通建设正处在飞速发展的阶段，据统计到2016年我国城市轨道交通规模将达到世界第一。而与之相对的则是我国轨道交通较短的建造历史以及复杂的地下结构服役环境。在

3、地铁隧道结构中，由于其服役环境恶劣，土壤地下水中存在大量侵蚀性硫酸根离子，这些硫酸根离子直接与隧道壁接触，导致混凝土损伤剥落的现象，严重影响到了地铁隧道的安全。因此混凝土抗硫酸盐侵蚀研究可作为混凝土耐久性的重要课题之一。2 .国内外的研究现状对于混凝土中硫酸根离子扩散模型而言，国外的研究工作主要如下：1992年，Ping和BCaUdOin根据热动力学给出了硫酸盐膨胀理论。他们认为，钙矶石产生的内应力和环境温度是引起膨胀的主要因素。1994年，Clifton从化学角度阐述了硫酸盐侵蚀水泥材料的膨胀性产物体积变化和结构体应变的关系，为建立化学-力学分析模型提供了理论基础。1997年，Casanov

4、a,Aguado和AgUIiO用热动力学平衡方程模拟了硫酸盐侵蚀情况，同时将硫酸盐侵蚀混凝土的膨胀分成两个阶段，第一阶段是由于生成水化硅酸钙造成的。第二阶段是生成石膏和钙矶石造成的。2001年，Bentz,Ehlen和FeiTariS等提出了混凝土人行道在冻融作用下的基于吸附的寿命预测模型CONCLIFE,并开发了相关的应用程序。2002年，Marchand,Samson等提出一个在饱和溶液中基于Nernst-Planck方程的数学模型:STADIUM。2005年，GoSPodinoVl建立了非稳态3D扩散模型。2006年，ShaZaIi考虑孔隙不饱和的扩散模型，结果显示：初始孔隙不饱水的混凝

5、土和初始饱水的混凝土的数值结果没有差别，计算得到的腐蚀试样的残余强度和实验测得的吻合很好。2008年，由于地下核废弃混凝土结构受到硫酸盐侵蚀，B.Bary【展开了系统的研究，从硫酸根离子的扩散模型、结晶化压力与扩散离子的关系、一直到最后的破坏都给出了分析。其扩散模型采用化学-力学耦合模型。2010年美国范德堡大学的SarkarS和MahadevanS等在STADIUM模型的基础上创建了考虑离子传输特性、化学反应、力学损伤等因素的模型该模型考虑了硫酸根离子侵入混凝土后毛细孔隙的变化对离子扩散系数的影响，并对扩散系数进行修正，能动态的反映随着硫酸盐侵蚀的进行离子扩散系数的改变，补充了以往模型中采用

6、恒定扩散系数的不足。国内的研究起步较国外晚，在研究内容上，国内较早的文献主要集中在硫酸盐侵蚀混凝土的侵蚀机理、影响因素以及对强度与膨胀率影响的简单实验研究方法等定性方面的研究，而对硫酸盐侵蚀的定量研究，比如硫酸根离子扩散，尚为少数。2003年，陈建康W通过微观实验研究了混凝土的孔隙结构证实了延迟钙矶石和石膏的膨胀力是硫酸盐侵蚀损伤的根本原因；2004年，高礼雄得到了在硫酸盐侵蚀下碎石混凝土试件比砂浆试件更为敏感，侵蚀破坏更明显和迅速；2005年，袁迎曙、梁咏宁等研究硫酸盐侵蚀混凝土的其他环境因素的影响，为实验方案的可行性提供了借鉴；2008年赵顺波网等通过改进的硫酸钢重量法测定了试样中的硫酸根

7、离子含量，为研究硫酸根离子扩散的实验研究提供了测试方法；赵顺波和杨晓明采用化学分析方法研究了在不同浓度的硫酸钠溶液中长期浸泡腐蚀混凝土中硫酸根离子浓度的分布规律，采用热重分析差示扫描量热法研究了混凝土受硫酸盐腐蚀的微观机理；2009年左晓宝眄根据Fick第二扩散定律建立了硫酸根离子扩散模型，运用有限差分法进行数值求解，根据钙矶石的生成量，得到混凝土膨胀应变；2010万旭荣根据FiCk定律给出了建立了硫酸盐侵蚀作用下混凝土的一维、二维及三维非线性非稳态扩散反应微分方程,并运用有限差分方法,获得了微分方程的求解方法。2011陈拴发和李华平等1人研究了基于单一硫酸盐侵蚀混凝土扩散系数的计算模型，通过

8、扩散途径划、分裂纹均一化等处理，引入裂纹因子的概念，推导出表征交变荷载对硫酸盐侵蚀混凝土扩散系数影响的有效扩散系数Dt计算公式。2012徐惠和陈占清221对高强混凝土进行了四因素五水平的人工加速硫酸钠腐蚀试验，测试了试样某一截面在不同侵蚀龄期的硫酸盐浓度，并利用误差函数求出相应的扩散系数，建立了考虑环境因素应力水平和水胶比、养护时间等自身因素的扩散系数表达式。2012孙超根据Fick第二扩散定律，构建了考虑侵蚀损伤演化和水泥水化影响的硫酸根离子扩散模型。在该模型中，损伤度函数作为增加的等效孔隙度引入到有效扩散系数中12引。2012左晓宝和孙伟【24）考虑由钙矶石诱发的混凝土体积膨胀对硫酸根离子

9、一维扩散的影响，研究了硫酸盐侵蚀下混凝土损伤破坏的全过程时。2014刘鑫闿研究表明，针对具有初始损伤裂缝的混凝土，研究硫酸根离子在裂缝中及混凝土内部的扩散规律，通过修正硫酸根离子扩散系数反映裂缝及化学产物对离子扩散的影响。在此基础上,提出裂缝混凝土硫酸根离子的扩散方程。3 .目前工作存在的问题综合分析以上国内外学者的研究成果，在研究混凝土硫酸盐侵蚀理论模型的研究方面，仍存在一下几点不足：(1)硫酸盐侵蚀模型大多以硫酸根离子浓度，材料线应变等指标作为最终衡量混凝土材料劣化的标准。然而，对于结构工程而言，工程师们更加看重材料本身力学性能，材料本构关系发生的变化，这使得现有的理论模型难以直接应用于工

10、程设计当中。(2)在受到硫酸盐侵蚀的混凝土试件内部,随着时间的变化,孔隙率是在不断变化，孔隙率的改变不仅对产生膨胀晶体导致混凝土破坏有一定联系,对于扩散过程也是有影响的,两者互为因果,扩散系数受孔隙率的影响是不能忽视，所以要考虑混凝土材料微观结构变化对离子扩散影响，但绝大多数模型无法建立起离子微观扩散与材料宏观力学性能之间的联系。(3)混凝土材料是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，经过搅拌、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的复合材料。粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的物理渗透及力学特性有不同程度的影响，致使混凝土比其它单一材料具有更

11、为复杂的物理及力学性能。因此，需要从其微/细观角度来把握混凝土材料的物理及力学性质。3.课题的理论价值由于硫酸盐对混凝土的侵蚀是离子扩散，化学反应以及力学损伤耦合的复杂物-化-力变化过程，材料性能的演化受环境因素影响很大，因此，单单从室内加速试验的角度很难对材料在硫酸盐侵蚀下的耐久性能做出准确评价。目前，越来越多的学者通过数学方法建立硫酸盐侵蚀的数学理论模型，然后采用数值手段研究混凝土材料的耐久性问题，数学模型也成为除了试验手段外，研究混凝土硫酸盐侵蚀的又一个有力工具。本课题的主要内容建立基于离子扩散、化学反应和力学分析方法的混凝土耐久性损伤破坏全过程分析的化学力学分析模型，硫酸盐侵蚀扩散模型

12、的建立对实际工程应用具有重要的理论意义和指导作用。参考文献1 IdiartAECoupledanalysisofdegradationprocessesincon-cretespecimensatthemeso-levelD.Spain：UniversitatPolit&nicaDeCatalunya.2(X)92 TixierR,MobasherBandAsceM.Modelingofdamageincement-basedmaterialssubjectedtoexternalsulfateattack.I:FormulationJ.JournalofMaterialsinCivilEng

13、ineering,2003,15:305-313.3常景国.二氧化碳和硫酸根对隧道衬砌混凝土的侵蚀规律研究D.杭州:浙江大学，2008.(4金祖权,孙伟，张云升，等,混凝土在碱酸盐、氧盐溶液中的检伤过程J.硅酸拉学报,2006,35):63X35.5 PingX,BeaudoinJJ.Mechanismofsulfateexpansion:II.ValidationofthermodynamictheoryJ,CementConcreteResearch.1992,22:845-854.6 CliftonJR,PonnersheimJM.SuIfateattackofcementitiousm

14、aterials:volumetricrelationsandexpansionsJ.NISTIR,1994,53907 CasanovaI5AguadoA,andAgulloL.Aggregateexpansivityduetosulfideoxidation-IPhysico-chemicalmodelingofsulfateattackJ.CementandConcreteResearch,1997,27(11):1627-1632.8 BentzDREhlenMA,FerrarisCF,etal.Servicelifepredictionbasedonsorptivityforhigh

15、wayconcreteexposedtosulfateattackandfreeze-thawconditionsR.USA:NIST.2002:1-57.9 MarchandJ,SamsonE,MaltaisY,etal.TheoreticalanalysisoftheeffectofweaksodiumsulfatesolutionsonthedurabilityofconcreteJ.CementandConcreteCOmPoSiteS.2002,24:317-329.10 GospodinovPN.Numericalsimulationof3Dsulfateiondiffusiona

16、ndliquidpushoutofthematerialcapillariesincementcompositesJ.CementandConcreteResearch.2(X)5.35:520-526.11 ShazaliMA,BaluchMH,andAl-gadhibAH.Predictingresidualstrengthinunsaturatedconcreteexposedtosulfateattack(J.JournalofMaterialsinCivilEngineering,2006,18(3):343-354.12 BaryB.Simplifledcoupledchemo-mechanicalmodelingofc