【摘要】：當(dāng)前,我國(guó)諸多重大鋼筋混凝土工程已建、在建或者醞釀規(guī)劃之中,重大工程結(jié)構(gòu)的耐久性關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和人民生命安全。氯離子誘發(fā)的鋼筋腐蝕是降低混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的原因之一,所以混凝土材料氯離子侵蝕機(jī)理一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。此外,考慮到絕大數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕本質(zhì)上屬電化學(xué)腐蝕范疇,因此電化學(xué)腐蝕控制是降低或阻止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕損傷及延長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的直接和有效途徑。傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕控制技術(shù)包括陰極保護(hù)、電化學(xué)除氯和電化學(xué)再堿化等。然而,當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所用的陰極保護(hù)技術(shù)起源于石油、化工、船舶等行業(yè),僅從腐蝕熱力學(xué)角度按液態(tài)侵蝕介質(zhì)控制腐蝕,未充分考慮多相、多孔混凝土介質(zhì)內(nèi)發(fā)生腐蝕的動(dòng)力學(xué)因素。當(dāng)前所發(fā)展的電化學(xué)除氯和電化學(xué)再堿化等技術(shù)出發(fā)于控制腐蝕發(fā)生的動(dòng)力學(xué)因素,但其缺乏深刻的基礎(chǔ)理論支撐以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的腐蝕控制。因此,本文面向量大面廣的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),針對(duì)混凝土材料的氯離子侵蝕機(jī)理及鋼筋腐蝕控制中所存在的關(guān)鍵瓶頸問題,采用理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,開展基于傳輸過程物理化學(xué)本質(zhì)作用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子侵蝕機(jī)理與主動(dòng)電場(chǎng)腐蝕控制等方面研究,主要內(nèi)容如下:(1)根據(jù)低溫水地球化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,建立了基于表面絡(luò)合和溶解沉積反應(yīng)的混凝土內(nèi)孔溶液與水化產(chǎn)物間相互作用熱力學(xué)模型。分析了氯離子濃度、溫度及飽水度對(duì)孔溶液與水化產(chǎn)物間相互作用的影響,并與他人已發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了該熱力學(xué)模型在反映水化產(chǎn)物對(duì)氯離子吸附作用的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明,隨著氯離子的侵入,混凝土內(nèi)率先發(fā)生的為C-S-H凝膠對(duì)氯離子的物理吸附,隨后當(dāng)有充分的氯離子滲入時(shí),AFm與之發(fā)生化學(xué)吸附,從而統(tǒng)一了混凝土中自由氯離子與結(jié)合氯離子之間的關(guān)系。進(jìn)而,揭示了耦合碳化和氯離子共同作用下的孔溶液與水化產(chǎn)物間相互作用的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)二氧化碳將逐步導(dǎo)致混凝土中發(fā)生CH溶解反應(yīng)、C-S-H表面的鈣離子脫附反應(yīng)、AFm和C-S-H的溶解反應(yīng)等過程,從而影響水化產(chǎn)物對(duì)氯離子的吸附作用,并建立了不同碳化程度下自由氯離子與吸附氯離子間的關(guān)系。(2)基于多孔材料傳質(zhì)理論,結(jié)合所提出的孔溶液與水化產(chǎn)物間的相互作用熱力學(xué)模型,并考慮水分傳輸?shù)膶?duì)流作用,建立了侵蝕環(huán)境作用下混凝土內(nèi)物質(zhì)傳輸?shù)睦碚撃Ｐ汀２捎盟阕臃至阉惴▽?shí)現(xiàn)了熱力學(xué)模型與傳質(zhì)過程的耦合,并基于MATLAB語言,搭建了COMSOL-PHREEQC交互接口,實(shí)現(xiàn)了飽水和非飽水混凝土材料物質(zhì)傳輸?shù)娜S數(shù)值模擬。分析了混凝土內(nèi)孔溶液各離子濃度、水化產(chǎn)物含量、飽水度的時(shí)空分布以及混凝土孔隙率的變化規(guī)律。并通過與他人已發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了所建立的考慮孔溶液和水化產(chǎn)物間相互作用的混凝土傳質(zhì)數(shù)值理論的準(zhǔn)確性和可靠性。(3)從材料腐蝕控制的熱力學(xué)角度出發(fā),基于腐蝕控制作用下混凝土內(nèi)電場(chǎng)的數(shù)值模型,建立了主動(dòng)腐蝕控制電場(chǎng)投放的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)鋼筋表面電位進(jìn)行約束,從熱力學(xué)角度確保鋼筋處于有效腐蝕控制狀態(tài)。同時(shí),對(duì)腐蝕控制系統(tǒng)中陽極材料的服役壽命進(jìn)行約束,以滿足結(jié)構(gòu)服役壽命的設(shè)計(jì)需求。最后,以整個(gè)系統(tǒng)的成本最小化為優(yōu)化目標(biāo),以陽極材料的位置、面積以及外加電場(chǎng)為優(yōu)化變量,得到整個(gè)系統(tǒng)成本最低時(shí)的腐蝕控制電場(chǎng)投放。結(jié)果表明,腐蝕控制系統(tǒng)的功率、陽極材料以及總成本經(jīng)優(yōu)化后大幅降低。(4)耦合所建立的混凝土傳質(zhì)模型和腐蝕控制電場(chǎng)投放模型,同時(shí)考慮陰陽極表面電極動(dòng)力反應(yīng),建立了統(tǒng)一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電化學(xué)主動(dòng)電場(chǎng)腐蝕控制的理論模型。對(duì)電場(chǎng)與侵蝕環(huán)境耦合作用下飽水和非飽水混凝土材料內(nèi)物質(zhì)傳輸過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了混凝土孔溶液各離子濃度、水化產(chǎn)物含量、飽水度的時(shí)空分布以及鋼筋表面的電極反應(yīng)所產(chǎn)生的局部電流密度,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。研究結(jié)果表明,基于熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)本質(zhì)所建立的主動(dòng)電場(chǎng)控制方法可防止環(huán)境中氯離子的侵蝕,提高鋼筋周圍的pH值及氫氧化鈣含量。(5)搭建了兩種典型工況下縮尺鋼筋混凝土橋墩的主動(dòng)電場(chǎng)腐蝕控制系統(tǒng),以進(jìn)一步驗(yàn)證所建立理論模型和數(shù)值計(jì)算方法的可靠性,并為實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕控制提供示范。在優(yōu)化設(shè)計(jì)后的主動(dòng)電場(chǎng)腐蝕控制系統(tǒng)作用下,鋼筋表面的局部電流密度和電位分布的結(jié)果表明腐蝕已被完全抑制,同時(shí)可避免氫脆的發(fā)生。此外,混凝土離子濃度的試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)的主動(dòng)電場(chǎng)腐蝕控制系統(tǒng)可控制外界環(huán)境中氯離子的滲入,并可排除受氯鹽污染的混凝土保護(hù)層中的氯離子。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU375
【圖文】：

圖 1-1 鋼筋腐蝕的環(huán)境條件與基本的電化學(xué)反應(yīng)[34]vironmental conditions and essential electrochemical reactions of reinforcement corros膜破壞后，鋼筋處于活化狀態(tài)，在氧氣和水分存在的情況下，發(fā)生應(yīng)：（1）陽極反應(yīng)（Fe→Fe2++2e-）：鐵失去電子，生成鐵離子；（區(qū)轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)；（3）陰極反應(yīng)（O2+2H2O+4e-→4OH-）：消耗掉陽

圖 1-2 電化學(xué)再堿化示意圖[72]Fig.1-2 Schematic of electrochemical realkalisation[72] 20 世紀(jì) 80 年代末首次應(yīng)用于修復(fù)鋼筋混凝采用[72]。該技術(shù)存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）周所需裝置簡(jiǎn)單：直流電源和一個(gè)陽極系統(tǒng)；（3

圖 1-4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)除氯的示意圖[81]Fig.1-4 Schematic of electrochemical chloride removal[81]值模擬方面，Li 等[94-96]先后開展了混凝土中電化學(xué)除氯有限元數(shù)值究工作，成功預(yù)測(cè)電化學(xué)除氯的電場(chǎng)作用下混凝土內(nèi)的物質(zhì)傳輸。氯能夠?qū)⒙入x子有效驅(qū)除掉；此外，陰極鋼筋周圍孔溶液的鈉、鉀

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2793393