第一章  緒論

1.1  研究的意義
改革開放至今，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)投入也越來越多，各類建筑拔地而起，混凝土材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，包括建筑、路橋、機(jī)場、大壩等，可以說混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我們生產(chǎn)和生活中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。然而，許多混凝土結(jié)構(gòu)在自身作用和外部環(huán)境的影響下，提前破壞或失效，未能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定的使用年限，從而暴露了耐久性不足問題，進(jìn)而造成各項(xiàng)損失，甚至付出巨大的代價(jià)。 所謂混凝土耐久性[1]，是指混凝土結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境和材料自身作用下，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，不需要經(jīng)過大修處理即可滿足預(yù)期的安全目標(biāo)、使用功能和外觀要求的能力。混凝土耐久性問題影響因素諸多，有人為與非人為，有可控與不可控。美國著名專家 Mehta 教授在 1991 年的第二屆國際混凝土耐久性會(huì)議上指出，當(dāng)今世界影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素依次是鋼筋銹蝕、凍融破壞和外部環(huán)境作用[2]。 國內(nèi)外資料表明，海洋、氯鹽環(huán)境對(duì)混凝土耐久性影響重大。澳大利業(yè)的Sharp[3]對(duì) 62 座海岸混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重。葡萄牙的船塢、碼頭結(jié)構(gòu)等由于氯離子侵蝕在服役較短時(shí)間即發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷[4]。前蘇聯(lián)工業(yè)廠房耐久問題突出，部分混凝土結(jié)構(gòu)廠房建成 10 年即遭破壞[5]。日本在檢查 103 座混凝土海港碼頭時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用超過 20 年的碼頭，都有較大的順筋銹裂。阿拉伯海灣區(qū)域有大量的現(xiàn)有或在建海工建筑物和構(gòu)筑物，由于其工作環(huán)境通常處于三類或四類環(huán)境中，許多結(jié)構(gòu)在投入使用不久后即出現(xiàn)了鋼筋銹蝕現(xiàn)象，在使用 2~4年后，有些結(jié)構(gòu)的鋼筋斷面損失率甚至高達(dá) 1/4[3]。1987 年美國國家材料顧問委員會(huì)做了一個(gè)關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的調(diào)查報(bào)告，在美國國內(nèi)和全世界范圍內(nèi)引起廣泛的討論。該報(bào)告顯示，美國國內(nèi)現(xiàn)有大約 25.3 萬座混凝土橋梁的橋面板中有很大一部分已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的損害，有些橋梁使用才不到 20 年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其設(shè)計(jì)的使用年限[6]。
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1.2  研究的目的
綜上所述，結(jié)構(gòu)在海洋或氯鹽環(huán)境下的耐久性問題，主要是氯離子的侵蝕作用引起的。深入了解氯離子侵蝕隨時(shí)間的演變規(guī)律，對(duì)研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題具有重要意義。目前在水灰比和骨料對(duì)混凝土性能影響方面的研究已經(jīng)做了許多，但大多針對(duì)混凝土強(qiáng)度[15~17]、骨料-基體粘結(jié)強(qiáng)度[18~20]、彈性模量[21~23]、早齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)等[24~26]，很少涉及長齡期混凝土氯離子擴(kuò)散性能。所以，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，研究不同配合比混凝土氯離子擴(kuò)散性能隨時(shí)間的演化規(guī)律，為后續(xù)的研究提供參考，也為混凝土材料的耐久性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 吳燁等人[46]試驗(yàn)結(jié)果表明：氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散是物理化學(xué)綜合作用的復(fù)雜過程，擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間相關(guān)。吳相豪[47]建立了綜合考慮混凝土氯離子結(jié)合能力、氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性、水灰比和應(yīng)力狀態(tài)影響的擴(kuò)散方程。滕海文等人[48]通過對(duì)鋼筋混凝土氯離子侵蝕機(jī)理的分析，在 Fick 第二擴(kuò)散定律基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮水灰比、濕度、時(shí)間、溫度、混凝土材料對(duì)氯離子結(jié)合作用的氯離子侵蝕模型，并給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)解。劉均利[49]等在 Fick 第二定律基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)計(jì)算氯離子在混凝土中擴(kuò)散的新方法，該方法不但能考慮水灰比、齡期、溫度、濕度和氯離子結(jié)合能力的影響，而且能考慮混凝土結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)大氣溫度和大氣濕度的時(shí)變效應(yīng)。 
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第二章  試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

本章主要介紹試驗(yàn)材料的基本性能、水泥石和混凝土配合比和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測試方法，同時(shí)給出了所用的主要儀器，并強(qiáng)調(diào)了試驗(yàn)中需要注意的事項(xiàng)。

2.1  試驗(yàn)材料 

2.1.1  水泥
本試驗(yàn)采用浙江錢潮水泥廠生產(chǎn)的 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和初凝時(shí)間如表 2-1 所示，水泥的化學(xué)組成如表 2-2 所示。

2.1.2  細(xì)骨料
錢塘江江沙作為細(xì)骨料，如果含泥量較小，簡單曬干直接使用，如果含泥量較大，先將砂中的泥粒沖洗后再曬干使用。經(jīng)試驗(yàn)測定，細(xì)骨料的表觀密度為2630  kg/m3，含水率為 0.35%，吸水率為 1.41%。骨料尺寸均采用富勒級(jí)配[84]，故先需對(duì)砂子進(jìn)行篩分，采用國家新標(biāo)準(zhǔn)方孔砂石篩將各粒徑的砂子篩分出來，剔除尺寸 0.15 mm 以下的砂子，最終選用五種粒徑范圍的砂子，如圖 2-1。
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2.2  試驗(yàn)方法 

用來檢測氯離子擴(kuò)散系數(shù)的水泥凈漿試塊是由水泥和水均勻攪拌而成，水灰比分別為 0.35、0.45、0.55 和 0.65，相應(yīng)的編號(hào)為 W-1、W-2、W-3 和 W-4，如表 2-3 所示。本試驗(yàn)采用 NEL 法測定水泥凈漿和混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，該方法是由《中國土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) CCES01-2004》推薦的。各組試件均采用圓柱形，試件的尺寸均為 Φ100 mm × 100 mm，每組 3 個(gè)試件�？紤]到養(yǎng)護(hù)條件對(duì)試件性能的影響，尤其是初始養(yǎng)護(hù)對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)有較大影響，為了控制養(yǎng)護(hù)條件，所有試件在澆筑完成后先在溫度為 20±5℃的環(huán)境中放置一天，然后拆模編號(hào)。拆模后立即將試件浸沒在盛有 Ca(OH)2飽和溶液的水槽中，養(yǎng)護(hù)溫度恒定為 20±5℃。各個(gè)齡期的試件在養(yǎng)護(hù)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后取出測量。此試驗(yàn)采用 NJ-160A 水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌，攪拌開始前，先用濕毛巾將攪拌鍋和攪拌葉片清洗并且濕潤，再將稱量好的拌和水倒入鍋中，然后在 5 s 至 15 s 內(nèi)小心將稱量好的水泥加入到攪拌鍋中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，低速攪拌 120 s，停 15 s，再高速攪拌 120 s 后停機(jī)，攪拌后的漿體就可以用來澆筑試件。 水灰比不同漿體的干稀程度相差很大，W-1 組比較干燥，在攪拌完成后立即入模，W-2 組流動(dòng)適中，直接入模均勻填滿，W-3 組和 W-4 組泛漿嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致漿體表面的水分蒸發(fā)，，使實(shí)際的水灰比變小，此外水分蒸發(fā)還會(huì)使?jié){體凝固后出現(xiàn)明顯的自收縮，實(shí)測最大收縮量在 5 mm 左右。為了解決這一問題，將 W-3組和 W-4 組均勻攪拌后每靜置 15 min 后再攪拌一次，靜置時(shí)為了防止水分蒸發(fā)需用塑料薄膜包裹，兩組分別過 3 h 和 6 h 后再攪拌一次后均勻入模。為控制收縮，試驗(yàn)前對(duì)圓柱模進(jìn)行優(yōu)化處理，制作尺寸為 Φ100 mm × 105 mm 模具，增加試件高度，待漿體凝結(jié)后，可滿足收縮要求，如果試樣高度超過 100 mm，用刀片刮去超出部分的水泥漿。在每個(gè)試件澆筑完成后，立刻用保鮮膜將試樣表面包裹嚴(yán)實(shí)，減少漿體表面水分的蒸發(fā)。     

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第三章  水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析..... 21 
3.1  試驗(yàn)結(jié)果 ...... 21 
3.2  水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變效應(yīng)........ 25 
3.2.1  水泥石水化度...........25 
3.2.2  水泥石孔隙率...........26 
3.2.3  水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)...........27 
3.3  本章小結(jié) ...... 28 
第四章  混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析..... 29 
4.1  試驗(yàn)結(jié)果 ...... 29 
4.2  試驗(yàn)結(jié)果分析....... 32 
4.5  本章小結(jié) ...... 40 
第五章  結(jié)論與展望........ 42 
5.1  結(jié)論 ...... 42 
5.2  展望 ...... 42 

第四章  混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

本章主要分析混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，定量評(píng)價(jià)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，同時(shí)討論了養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水灰比和骨料體積含量對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變效應(yīng)的理論分析，通過與試驗(yàn)結(jié)果比較，初步驗(yàn)證了該理論分析的有效性。 

4.1  試驗(yàn)結(jié)果 
混凝土試件養(yǎng)護(hù)到目標(biāo)齡期進(jìn)行測定，所測得的每組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表 4-1 所示，每組三個(gè)試件，養(yǎng)護(hù)齡期分別為 28 d、58 d、88 d、118 d、148 d、208  d 和 358  d。齡期為 28  d 的一組試件，測試后將該組試件進(jìn)行飽水處理，并單獨(dú)養(yǎng)護(hù)分別達(dá)到 88 d、148 d、208 d 和 358 d，再測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如表 4-2 所示。對(duì)施珂文[80]測試后留下的試件，養(yǎng)護(hù)至 358 d、538 d 和 718 d 后測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如表 4-3、4-4 和 4-5 所示。在這些表格中，水灰比后括號(hào)中的數(shù)字 1、2、4、7、12 分別代表第一次測試齡期為 28 d、58 d、118 d、208 d 和 358 d。本試驗(yàn)混凝土與施珂文所用混凝土的水灰比不同，可以相互對(duì)比。  
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結(jié)論

本論文通過試驗(yàn)研究了水泥石和混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的演化，基于試驗(yàn)結(jié)果，分析了水灰比、骨料體積含量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，也討論了飽鹽飽水過程對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。通過研究得到以下主要結(jié)論： 
（1）水泥石氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而減小，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從 28 d增加到 118 d 時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降幅度較大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從 118 d 增加到 358 d 時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降幅度僅為 28 d 至 118 d 之間下降幅度的一半。 
（2）混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著齡期的增長而不斷減小，前期減小速率快后期減小速率慢。從 28 d 至 118 d 下降值約為 118 d 至 358 d 下降值的 2 倍，約為 118 d 至 208 d 下降值的 3.8 倍，約為 208 d 至 358 d 下降值的 5.14 倍。 
（3）水泥石和混凝土經(jīng)歷飽鹽飽水過程后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期增長而不斷減小，比未經(jīng)此過程的試驗(yàn)結(jié)果略小。  
（4）養(yǎng)護(hù)齡期在 358 d 至 718 d 之間，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降趨勢(shì)不明顯，基本為常值。 
（5）對(duì)于給定的骨料體積含量，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水灰比的增大而增大，水灰比越大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間減小效應(yīng)越明顯。 
（6）對(duì)于給定的水灰比，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著骨料體積含量的增大而減小，而且隨著骨料體積含量的增大，隨時(shí)間減小的效應(yīng)越明顯。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：59673