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拉应力对混凝土渗透性及碳化耐久性影响的试验与模拟研究 硕士研究生：刘加华 导师：钱春香教授 摘要 渗透性是影响混凝土耐久性的一个非常关键的方面，而混凝土耐久性又是决定混凝土结构良好 使用寿命的主要因素。由于混凝土耐久性问题日益受到人们的关注，使得对于混凝土渗透性的研究 又重新引起了研究者的兴趣。伴随现代化建设步伐的加快，越来越多的大型基础设施建设项目正方 兴未艾，如何最大限度地保证或延长混凝土结构的服役寿命，是建设节约型社会所面l 临的一个重要 问题 本文主要从两个大的方面对影响混凝土渗透性及耐久性的因素进行了研究，即测试方法创新和 拉应力状态的影响研究，并结合工程实际条件对这些影响因素进行量化，通过对亚微观机理的阐释 以及计算模拟，建立了考虑这些影响因素作用时的混凝土碳化寿命预测模型，可为同类工程的施工 和耐久性设计提供切实有效的意见和建议，在节省资源的同时，也取得良好的社会和经济效益。 测试方法对混凝土渗透性的影响早已为人们所认识，然而，由于研究方法遢异，很多研究往往 不能够很好地体现实际工程的工作状态，如何真实有效地反映现场混凝土的特点，是目前应用研究 中一个重要的课题。笔者结合工程实际，对现场混凝土的保护层厚度进行了全程跟踪调查，用瑞士 产空气渗透仪对现场混凝土表观施工质量进行了检测和评定，取得了一些有意义的成果并及时运用 于工程实践。实践表明：现场测试方法虽然也存在一些统计误差，试验数据有时离散性很大，特别 是对于保护层厚度的统计，更需要大量工程数据的积累才能有一定的规律性，但作为一种有益的尝 试，可为同类工程的设计和施工提供较为合理的建议，同时，要合理评价现场条件对混凝土渗透性 的影响，还需得到包括设计、旅工和科研人员的共同重视才能取得好的效果。 流体介质在混凝土或水泥基材料中的传输机理研究已经开展得非常广泛而深入，相关研究主要 集中于室内试验，很少考虑混凝土结构的实际服役条件，尤其是对荷载引起的开裂及对混凝土渗透 性的影响研究较少。特别是对于拉应力状态下的混凝土渗透性的研究开展得很少，相关量化研究的 结论也需得到工程的进一步验证。这主要由于混凝土在荷载作用下的渗透性研究存在一定的困难， 且不易操作 本文主要针对拉应力作用下混凝土渗透性试验方法进行了大胆改进和创新，取得了一定的试验 成果，具有较好的实际应用价值。笔者通过运用多孔介质力学理论，对介质在混凝土中的传输规律 进行分析，并结合某工程现场施工条件的影响找出其相关性，试图从量化的角度进行研究分析： 通过相关计算软件进行结构受力分析，找出结构最不利受力位置，并对拉应力作用下混凝土渗透性 规律进行研究。最后综合施工变异性和拉应力状态对混凝土渗透性的影响因素，通过对比现场和室 内试验数据，并结合计算机模拟情况，进行了结构混凝土的碳化寿命评估。 根据现场实测结果，本工程中混凝土保护层负偏差大于设计值一半的比例约为6 3 6 ，保护层 厚度大予设计值一半的比例约为1 2 3 6 ，后者虽然对结构混凝土的寿命提高有一定的促进作用，但 保护层厚度过大也会使得混凝土表面产生裂缝：变形缝、施工缝在该工程中所占比例均在1 0 左右 变化。假定其同时对结构碳化寿命产生受面影响，其影响范围在9 0 一1 1 之间；结构部位对混凝土 渗透性的影响( 也即应力状态的影响) 则主要考虑拉应力作用区域。计算结果显示，其对渗透性的 影响在2 1 0 ，3 8 之间。若以墙板混凝土质量作为评价的基准值( 1 0 0 年) ，考虑到现场施工条件 的不确定性以及应力状态对混凝土渗透性的影响，相应的以顶板和墙板接缝处混凝土质量所确定的 结构碳化寿命分别为3 1 6 年和7 8 年 关键词： 渗透性、测试方法、碳化、耐久性、拉应力状态、多孔介质力学，碳化寿命评估 a b s f 忸c t m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho l lp e r m e a b i l i t ya n d c a r b o n a t i o nd u r a b i l i t yo fc o n c r e t eu n d e rt e n s i l es t r e s s g i 2 1 d u a t es t u d e n t ：l i uj i a h u a s u p e r v i s o r ：q i a nc h u n x i a n g a b s t r a c t p e r m e a b i l i t yi st h ek e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c et h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e w h i c hi se s s e t l t i a lt o e n s t 玳t h es e r v i c el i f co fs t r u c t u r e o w i n gt ot h er e s e a r c ho fc o n c l c t ed u r a b i l i t yh a v eb e e na r o s e d i m p o r t a n c e ，r e s e a r c h e r sh a v es h o w n 缸i n t e r e s ti np e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t er e c e n t l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to f m o d e r n i z a t i o n , m o r ea n dm o r el a r g eb a s a le s t a b l i s h r a e n t sa r ep u ti nt h ep r a c t i c e i ti sa ni m p o r t a n ta s p c o to ff o r e h a n d e ds o c i e t yt h a th o wt oc b s u r ct h es e r v i c el i f eo fc o n c r e t e s t r u c t u r e i n t h i s p a p e r , t h er c s e a c h o f p e r m m b i l r y o f c o n c r e t e w a s e a r f i e do m f x o m t w o m a i na s p e c t ： i n o v a t i u no ft e s tm e t h o d sa n di n f l u e n c eo ft e n s i l es t l - c a ss t a t e ，e s t i m a t i n gt h o s ef a c t o r sw i t h q u a n t i t yc o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e , e s t a b l i s h i n gt h ep r e d i c t e dm o d e l ，t a k i n gi n t o a c c o u n ta l lt h o s ea s p e c t st h r o u g he x p l a i ：m n gt h em i c r o c o s m i cm e c h a n i s ma n dc o m p u t i n g i tc a n p r o v i d ec o n s t r u c t i o na n dd u r a b i l i t yd e s i g nw i t hw e l la d v i c e sa n di d e a si n $ a t n et y p eo f p r o j e c t s , e c o n o m i z i n g t h er c s o u l c c o f s o c i e t y a n d b e n e f i t b o t h i ns o c i e t y a n de c o n o m y 1 1 艟i n f l u e n c eo fc o n s t r u c t i o nf a c t o r so nt h ec o n c r e t ep e r m e a b i l i t yh a sg o t t e nw e l la t t e n t i o n r e c e n t l y , w h i l et h er e s e a r c hr e s u l t sd i f f e rw i t he a c ho t h e rd u et od i f f e r e n tt e s tm e t h o d s m e s to f t h o s er e s u l t sc o u l dn o tr e f l e c tt h er e a ls i t u a t i o ni np r a c t i c e i ti si m p o r t a n tt od e s c r i b er c a ls t a t eo f 删c a lc o n c r e t cs t r u c t u r e e f f o r th a sb e e nt a k e nt om e a s u r et h ec o v e rd e p t ho fr e i n o r e e d o o n c 】嚣t es t r u c t u r ea l o n gt h ew h o l ec o t r s 鹤i nal a r g ep r o j e c t t b eq u a l i t yo fc o v f f r c o n c r e t ew a s a s s e s s e dt h r o u g hg a sp o r m e a b i l i t yt e s tw i t ha na p p a r a t u sm a d ei ns w i t z e r l a n d , t h er e s u l t sh a v e b e e na n a l y z e da n d p u ti ti n t op r a c t i c ei nt i m e t h o u g ht h o s er e s e a c hm e t h o d sh a v es t a t i s t i ce r r o i s , e s p e c i a l l yt h es t a t i s t i co fc o v e rd e p t ho fc o n c r e t ea c e d sm o r ep r o j e c t sp r a c t i c et h a tc a nr e f l e c tt h e r e a ls i t u a t i o n , a l lt h o s ee f f o r tw i l lb e n e f i tt h es a l n cr e s e a r c ha n dp r o j e c t 贴em o r er e a s o n a b l e p r i d i c t i o nm o d e l sf o rp e r m e a b i l i t yi ns i t en e e dt h ew o r ko fd e s i g e n e r s ，c o n s 锄c t i n n c r sa n d r e s e a r c h e r s 1 1 壕t r a n s p o r tm e c h a n i s mo fm e d i ai nc e m e n t - b a s e dm e t e r i a l sh a sb e e nd e v e l o p e db ym a n y r e s e a r c h e r si nd e p t ha n de x t e n d ，w h i l et h o s ee f f o r tm a i n l ya i m e da ti ni n d o o re x p e r i m e n t s a n d s e l d o mc o n s i d e r i n ga c t u a lc o n d i t i o m ，e s p e c i a l l yt h ei n f l o u n c eo fc r a c k so np e r m e a b i l i t yw h i c h c o u r s e db yl o a d ，e v e nl i t d er e s e a r c h0 1 1t h ew a t e rp c r m e a b i l i t yo fc o r c r c q ：eu n d e rt e n s i l es t r e s s t h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e so nt h o s er e s e a r c ho f tt h ei e v e lo fq u a n f i t yw h i c hn e e d s 文l o d e n t p r o o ft e s t 砌sp a p e ra i m sa tt h ep c r m c a b l i t yt e s tm e t h o do fc o n e - e r eu n d e rt e n s i l es h e s s a n d d e v i s i n gan e wt e s te q u i p m e n tt oc a r r yo u tt e s t se n v o l v e d , s o m er e s u l t sh a v eb e e nu s e di n p r a c t i c e s f i n a l l y , a l lt h o s ei n f l u e n c ef a c t o r si n c l u d i n gs i t e c o n d i a t i n na n dt e n s i l es t r e s s0 1 1t h e p e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t ea r ea n a l y z i e dt oe s t i m a t et h ec a r b o n a t i o ns e r v i c el i f eo fc o n c r e t e s t r u c t u r et h r o u g t hi n - s i t ua n di n d o o re x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c r e t ec o v e rd e p t he x c e e d i n gh a l fo fd e s i g n e dv a h d si s 1 2 3 6 ，u n d e rh a l fo fd e s i g n e dd a t e si s6 3 6 ，t h ef o r m e rw h i c hm a yi m p r o v e 也el i f e0 f c o n c r e t es t r u c t u r ew h i l ei tc a ba l s ob l i n gc r a c k si nc o n c r e t ec 渊w h e nt h ec o v e rd e p t ho f 玎 c o n c r e t ei st o ol a r g e b o t hd e f o r m a t i o na n dc o n s t r u c t i o nj o i n t s sa r e1 0 o ft h ew h o l ej o i n t s ， w h i c hw i l lw e a k e nt h ec a r b o n a t i o nl i r ea n dt h ei n f l u e n c er a n g ei 59 1 1 t 1 1 ei n f l u e n c eo ft h e s t r e s s ( e q u i v a l e n tt ot h ed i f f e r e n tp o s i t i o no fs 打u c t u r e ) o l lt h e t h ep e r m e a b i l i t yi sm a i n l ye f f e c t e d b yt h et e n s i l ea r e a , t h ei n f l u e n c es c o p ei s2 1 q 8 a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s n 圮 c a r b o n a t i o nl i f eo f r o o f a n ds e a mo f w a l li nt h ec o r t c r c t es t r u c t u r ea 3 1 6 aa n d7 8 ar e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n n e s so fr e a lc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n dt h ed i f f e r e n c eo fs t r e s ss t a t e ， p r o v i d e dt h a tt h ec a r b o n a t i o n 喇eo f t h ec o n c r e t ew a l li s1 0 0 a k e y w o r d s ： p e r m e a b i l i t y ；d u r a b i l i t y ；c a r b o n a t i o n ；t e n s i l eb l r e g $ l e v e l ；p o r o m e c h a n i c s ； s e r v i c el i f ee v a l u a t i o n m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书两使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 d 。7 多召 1 东南大学学位论文使用授权声明 ， 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一魏辅臌：槛日期：单州 张一。学燧轻型塑一孚夕g 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 混凝渗透性研究的背景 混凝士渗透性是评价混凝土耐久性的一个重要方面，随着人们对混凝土耐久性问题的日益关注， 渗透性研究也进一步受到研究者的重视。渗透性，通常被定义为流体在一定水头压力下沿孔隙介质 流动的性质，它是决定混凝土长期耐久性的最重要的特性 t 1 为此，有必要对混凝土耐久性相关的 研究作一个简要回顾。 早在1 9 世纪4 0 年代，人们就开始对混凝土结构的耐久性开展了相关研究，法国工程师维卡对 水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究，并取得了一些开创性的研究成果。 当具有开拓性意义的钢筋混凝土结构出现并应用在工业建筑物时，人们就开始对其能否在化学活性 物质腐蚀条件下的安全使用以及在工业大气污染下钢筋混凝土的耐久性问题进行了研究i ，i 1 9 2 5 年， 美国开始在硫酸盐含量极高的土壤进行长期试验，获得了2 5 年、5 0 年咀及更长时间的混凝土腐蚀 数据1 4 j 。联邦德国钢筋混凝土协会针对铜筋混凝土受沼泽水腐蚀破坏的现象，开展了自然条件下钢 筋混凝土的腐蚀试验”j 。c a m p u s 和g r a f o 对混凝土在海水中的耐久性进行了试验研究，并提出了 许多有关混凝土结构在自然条件下使用的可靠数据，阐明了有关水泥品种、混凝土配合比及某些箍 工因素对混凝抗腐蚀性的影响1 6 1 1 9 4 5 年，p o w e r s 等人从混凝士亚微观结构入手，分析了孔隙水 对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，开始了对混凝土冻融破坏的研究”j 。1 9 5 1 年，前 苏联学者a a 贝科夫和b m 莫斯克文等较早开始对混凝土中钢筋锈蚀问题的研究。其研究主要是为 了解决混凝土保护层最小的薄壁结构的防腐问题和使用高强钢丝制作钢筋混凝士构件问题，与此同 时，在大规模研究工作的基础上制定了相关防腐规范，为建筑具有足够耐久性的混凝土结构奠定了 基础嗍。 美国混凝土协会( a c i ) 于1 9 5 7 年成立了专门委员会a c l 2 0 1 ，负责并指导混凝土耐久性方面 的研究唧。1 9 6 0 年，国际材料与结构研究联合会( r i l e m ) 成立了“混凝钢筋腐蚀技术委员会” ( 1 2 - c r c ) ，将混凝土结构的耐久性研究推向了一个高潮，并逐步向系统化、国际化方向发展。 自上世纪年代中期，众多发达国家投入大量的资金和人力，开展了以耐久性为基本要求的高 性能混凝土材料的研究i l 】。混凝土结构耐久性设计也成为研究的重点。1 9 9 0 年日本土木工程学会提 出了混凝土结构耐久性设计建议1 4 】，采用评分方法将将有关影响混凝土结构耐久性的各种因素分别 加以量化并与结构的使用年限相联系，针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料的劣化模型并据此 预测结构的使用年限。1 9 9 6 年，r i l e m 的1 3 0 - c s l 委员会提出了混凝土结构的耐久性设计的 报告，对基于劣化计算模型的混凝土结构耐久性设计方法作了全面系统的论述。1 9 9 5 年欧共体资助 了一项名为d u r a c r c t e 的研究项目，目的在于发展以性能和可靠度分析为基础的混凝土耐久性设计方 法，并在2 0 0 0 年提交了一份名为混凝土耐久性设计指南的技术文件【，j 。1 9 9 8 年美国国家标准与 技术院( n i s t ) 、美国混凝土学会( a c l ) 和美国材料试验学会( a s t m ) 召开了混凝土结构使用年 限和全寿命预测的专题研讨会，目标是提出混凝土使用寿命预测的“标准计算模型”，并辅助相关计 算程序唧。2 0 0 1 年亚洲混凝土规范委员会公布了亚洲混凝土模式规范 ( a c m c 2 0 0 1 ) ，提出了基 于性能的设计方法”j 。 混凝土耐久性研究主要从环境、材料、结构三个层次展开。环境层次包括不同环境作用的影响 研究和不同环境因素的研究前者主要包括冻融、化学物质侵蚀、生物和机械物理作用等，后者则 包含气候条件，应力状态、环境中侵蚀性介质在材料内部的渗透等方面。材料层次上混凝土结构耐 久性的研究则主要包括混凝和钢筋两个方砸，混凝土耐久性劣化主要表现在冻融、侵蚀性化学物 质腐蚀、碳化、碱骨料反应等，钢筋则主要研究其锈蚀情况。构件层次主要包含混凝土锈胀开裂研 究，钢筋锈蚀和混凝土粘接性能研究以及构件承载力变化研究。 目前环境层次的研究主要集中于大气环境，随着西部大开发的逐步深入，对各种严酷环境下结 构混凝土的耐久性研究成为热点问题。采用的研究方法主要有天然暴露试验法、替换构件法、室内 快速试验法和人工模拟试验条件法等。环境因素的影响研究则主簧包括各种环境因素( 单因素和多 第一章绪论 因素) 对混凝土结构耐久性的影响机理、提高混凝土耐久性的措施、建立耐久性失效评估模型以及 混凝土材料或结构的剩余寿命预测等方面，其中又以c l 一扩散、应力状态下环境因素的影响研究最 为人们所热衷。由于影响因素的复杂性，环境条件千差万别，设计、施工中许多可变因索的影响， 现有的计算模型很难反映实际情况，有的甚至相差一个数量级。 材料层次则包含冻融、碳化和钢筋锈蚀、碱骨料反应等几个方面。近年来，对混凝土碳化的研 究主要集中在碳化的影响因素以及控制措施、碳化深度等，一般认为，碳化对混凝土本身没有太大 的危害相反可以提高混凝土的强度，但是碳化会加剧混凝土的收缩、使混凝士表面产生拉应力而 出现裂缝，降低混凝土抗拉抗压强度以及抗渗能力。值得指出的是，由于碳化作用，使得混凝土内 部碱度降低，当其下降到一定值后。会破坏混凝土中钢筋钝化膜，造成钢筋锈蚀，从而致使混凝土 保护层开裂、钢筋与混凝土之问粘结力破坏、结构耐久性降低。目前我国正力图建立有关混凝土耐 久性方面的专家系统和大型数据库，旨在通过收集的大量现场试验数据、工程调查结论、利用精确 数学方法来模拟专家分析问题和处理问题。2 0 0 6 年1 2 份在南京东南大学召开的第五届全国混凝土 耐久性科技论坛上，清华大学陈肇元院士就这一课题研究对国民经济发展及和谐社会创建所具有的 重大意义向业内人士发出了呼吁，以期引起各方面人员的高度重视。 结构层次的研究包括拟建混凝土结构的耐久性设计和服役混凝土结构的耐久性评估及剩余寿命 预测。在耐久性设计方面，又以基于可靠度理论的混凝土结构设计最为引人注目。由于实际工程的 复杂性，混凝土结构耐久性评估中往往会遇到大量随机的、模糊的以及不完整的信息，且许多信息 是不定性的。难以定量化，对这种不定性的分析目前尚处于初级阶段。还没有较为合理的混凝土耐 久性评估模式。 1 2 混凝土渗透性研究现状 自上世纪3 0 年代开始，随着一些大型水利工程的建设，如混凝土大坝、水榘、涵管以及地下结 构如隧道等，人们便开始对混凝土的抗渗性能进行关注嘲；如果混凝土的抗渗性不足或受到破坏， 会降低这些结构的使用性能、造成污染、渗漏等事故，特别是对于混凝土大坝等大型结构，在设计 阶段需明确知道混凝土抵抗高压力下水的穿透能力。随着混凝土耐久性问题研究的日益深入，到上 世纪8 0 年代，混凝土抗渗性研究又重新引起了研究者的广泛兴趣，并取得了一些有价值的研究结论 混凝土的耐久性与水和其他介质向其内部传输的数量、范围和规律有关，抗渗性能越好，相应 的其耐久性就好。如何建立抗渗性指标和耐久性之间的量化关系是一个十分有现实意义的课题，然 而，相关研究工作主要停留在一些人们所熟知的结论性层次上，如何从量化角度进行研究分析，这 方面研究目前开展得很少，特别是对于服役期的混凝土结构，其荷载作用形式和受力状态的不同对 渗透性试验结果影响往往很大 由于试验方法和试验条件上存在的差异，不同研究人员得出的结论往往相差很大；另一方面。 在混凝土渗透性试验研究中，室内试验条件和现场条件差异很大，如何使试验条件尽可能与现场条 件相吻合，或基本接近，是渗透性试验研究的一个非常重要的方面。近年来国外在一项研究中同时 进行水渗透性试验、氯离子渗透、空气渗透性试验然后对各试验结果分别进行讨论，如何建立三者 之问相对统一的定量或半定量关系是值得认真探讨的。 混凝土耐久性问题涉及的内容较多，影响因素和破坏机理也很复杂，但它们之间有一个共同的 特点：都与水或其他有害液体或气体向其内部的传输的难易程度有关。因而，要提高混凝土的耐久 性，一个重要的方面就是增加混凝土材料的密实性，有效提高其抗渗性( 保证足够的混凝土保护层 厚度也非常重要) 哪。暴露在恶劣气候条件下的混凝土构件，其耐久性和使用寿命与钢筋保护层的 抗渗性有很大关系。大量研究表明。混凝土的耐久性和渗透性之间有非常密切的联系，且通常认为 渗透性是评价混凝土耐久性的一个重要指标。 目前国内外在混凝渗透性方面开展了大量的研究，特别是介质在混凝土或水泥基材科中的传 输机理已经达到相当的水平。在岩土工程领域，相关理论研究及工程实际经验积累已非常丰富。 针对荷载作用下混凝土的渗透性研究也普遍展开，取得了一系列有意义的结论，不足之处是大 部分的实验是在实验室条件下进行的，较少考虑实际服役条件尤其是荷载引起的开裂对混凝土渗透 2 东南大学硕士学位论文 性的影响，与实际工程结构所处的条件有很大的差异，特别是受现场施工条件的影响以及环境因素 的作用，室内无荷载作用下进行的渗透性和耐久性研究往往很难真实反映实际情况，相关渗透性研 究结论不能或基本很少应用于工程实践。另一方面，在荷载作用下的渗透性研究难度较大，不易操 作，这方面的研究开展的相对较少，对于压应力条件下的混凝土渗透性研究进行得较多，相关的研 究报道也屡见不鲜国内也有一些研究机构对压应力状态混凝土水渗透试验方法进行了一些创新和 改进，并取得了一些有意义得成果，而对拉应力状态下混凝土的渗透性研究则开展得较少。 k i n gw a n g 等人采用反馈式劈拉控制试验( f e e db a c kc o n t r 0 1 ) ，研究发现，当荷载引起的微裂 缝宽度小于5 0 啦n 时 微裂缝对渗透性的影响很小；但当荷载引起的微裂缝宽度增大到蝴删时， 混凝土的渗透性明显增加；裂缝宽度大于2 0 0 n 后，混凝土渗透性显著增大，并趋于稳定i i q b ，g e r a r dd b r e y s s eo d i d r y 等人对处于拉伸状态下的混凝土试件进行了渗透性研究，研究结果 表明，与不受力试件相比受拉试件的水渗透性提高了1 0 0 多倍”。 a l d e a 等应用控制加载方法在混凝土中引入宽度为渊脚l 的袅 缝，研究了荷载引起的裂缝对混 凝土水渗透性的影响。水渗透性试验采用常规的低水压渗透并由达西公式计算渗透系数k 。试验结 果表明，水的渗透对裂缝宽度敏感性要比氯离子对裂缝宽度的敏感性更高：裂缝小于2 0 0 佣时水的 渗透量明显比无裂缝的混凝土高；当裂缝大- y - 2 0 0 p m 后，水的渗透置会急剧升高”q 对于荷载作用下硫酸盐的侵蚀，李金玉等的研究结果表明，在高浓度硫酸盐侵蚀下，无论浸泡 还是干湿循环，应力对硫酸盐的侵蚀作用有明显加速作用，而且随着应力增大，破坏作用呈递减趋 势；当硫酸盐浓度较低时，应力对硫酸盐的侵蚀作用较小；高浓度硫酸根离子在荷载条件下对混凝 士的侵蚀，弯曲应力状态的影响要远大于压应力时的情况【1 3 1 a k o n i nr f r a n c o i s 对受拉混凝土的氯离子渗透性做了进一步研究，将试件拉到产生裂缝，卸载 后放入盐雾室内。1 2 个月后结果表明，混凝土受拉荷载对氯离子渗透有明显影响，扩散系数和荷载 水平存在指数关系“q 。 人们对外加应力对于混凝土渗透性的影响认识目前还不是十分透彻。对于已达到龄期的混凝土， h e a m 发现应力对水渗透没有特别的影响i 】。k e r m a n i 则发现，当应力水平超过最大应力的4 0 时， 渗透系数会显著的增加【l q 。二者的结论之所以有如此大的出入，主要是由于h e a r n i 生进行渗透性试验 之前就将应力施加到试件上，而k e r m a n i 则是在渗透试验过程中施加应力的。h e a m 和l o k 后来用氮气 作为渗透介质，在恒定应力状态下进行试验发现，渗透性系数的增加存在一个门槛值 1 3 应力状态下混凝土渗透性研究及应用情况 混凝土渗透性研究与实际工程应用密切相关，它关系到结构整体使用寿命，特别是现今提出的 建设节约型社会，更是对结构耐久性提出了更高的要求。 实际工程中，由于受施工因素影响及现场条件的限制，混凝土的施工均质性受到很大的影响； 另一方面，结构受力随施工及运营阶段的不同而有很大的差异，有时偶然因素的改变会使结构受力 发生很大的变化，室内实验往往很难具体地反映这种差别。因此得出的一些结论有待进一步地考查 和证实。除此之外，由于材料自身的原因和结构部位的不同，渗透性的差异影响也非常明显，特别 是微裂缝对渗透性也有很大的影响。 如何找出这些影响因素的共同特征，建立起既能满足室内试验条件要求，又能反映实际工程特 征的耐久性测试与评价方法，是一个非常迫切而又有实际意义的工作 水泥基材料是现代社会广泛应用的一种工程材料。它通过水泥的水化和硬化将材料的其它组分 胶结起来，形成很高的强度和硬度。然而，水泥的水化胶凝的脆性决定了水泥基材料的易裂性。随 着工程对材料强度要求的不断提高，水泥材料颗粒越来越细、越来越具有早强的特性。这就造成了 现代水泥基材料容易在早期积存残余变形，导致现代的工程结构比早期的工程结构更容易出现裂缝； 另一方面，随着社会的不断发展，人们对创建节约型社会的日益关注，从而使得对工程结构的材料 稳定性即安全使用期提出了越来越明确的要求。 3 第一章绪论 混凝土断裂破坏实质上是微裂缝形成和发展的结果。由于混凝土是粗细骨料、水泥、水和气体 组成的非均质材料，因此，其内部同时存在着固相、液相和气相。在混凝土的凝固过程中，随着温 度和湿度的变化而产生体积变形，这种变形是不均匀的：随着水化热的降低，收缩变形较大，而骨 料收缩很小。在水泥石因降温和失水干缩时，骨料因约束其变形而引起内应力，造成在水泥石本身 或骨料与水泥石的粘结面上出现微裂纹。这些微裂纹的存在，使得骨料、砂浆界面成为混凝土构件 的薄弱处，在一定的荷载作用下。这些微裂纹会扩展而逐步成为互相贯通的裂缝。 从现行工程材料规定的标定试验无法推断现场带裂缝材料的真实行为，从而难以推断工程结构 的长期行为和真实寿命；结构检测发现裂缝以后，无法得知裂缝对材料与结构的实际影响，因而难 以制定合理的维护策略。这些在我国大型土木工程结构( 如大坝、桥梁、隧道等) 的建设和运营中 尤为突出。工程实践和理论分析表明，混凝土结构的裂缝是不可避免的，混凝土构件都是带缝工作 根据国际坝工委员会( i c o l d ) 所作关于大坝工作状态的调查报告，在失事的2 4 3 座混凝土坝中， 有3 0 座是由裂缝问题而引起的。由于各种原因，混凝土坝存在各种类型的裂缝。除混凝土坝的永久 性横缝外，其它裂缝的存在和扩展，使大坝的承载力受到一定程度的削弱，同时还会引起坝体渗漏、 加速混凝土碳化、降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能力等。甚至危害大坝的正常运行或缩 短大坝使用寿命1 7 1 混凝土建筑物渗漏可能引起内部压力升高，加速钢筋的锈蚀，还将引起混凝土钙质的溶蚀析出 影响混凝土渗透性的因素主要有：孔隙率，水泥浆体中相互连通的孔以及混凝土中的微裂缝，特别 是浆体和骨科之间的界面联结区。孔隙率和连通率主要由水灰比，水化程度以及压实度来控制。另 一方面，密实度、内部微裂缝还与施加的应力水平有关。混凝土内部产生的应力则主要是由于收缩， 温度场、湿热环境影响和其他一些引起的体积不稳定性因素造成的1 1 7 1 。 笔者结合某工程的具体实践，对上述方面有了一些清晰的认识，。工欲善其事，必先利其器”， 测试方法的创新对于正确认识混凝土渗透性发展规律，合理有效地评价混凝土碳化耐久性具有很好 的推动作用。 1 4 本文研究的主要内容和意义 混凝土渗透性研究按照渗透介质的不同可分为很多方面，如水( 油) 渗透，气体渗透，氯离子 渗透等等。研究的内容也纷繁复杂，由于研究方法上存在的差异，结论往往相差很大。为此，本文 结合工程实际，在研究方法上主要从应力状态下水渗透试验装置的创新入手，结合现场空气渗透性 测试、保护层厚度调查、施工情况全程跟踪及部分室内对比试验等，并考虑到具体环境条件的影响， 找出评价现场混凝土碳化耐久性寿命的综合评价方法。 主要内容包含以下几个方面： ( 1 ) 结合工程实际开展混凝土渗透试验研究，设计出一套拉应力状态下混凝土水渗透试验装置， 开展了一些前期探索性试验。利用混凝土抗渗仪提供的高水压力以及弹簧提供的拉应力，较好地解 决了拉应力状态下混凝土水渗透试验操作比较困难的问题。实践证明，该试验装置简单、实用并 在试验方法上进行了一定的创新。 ( 2 ) 通过现场大量调查测试，获取了一些有价值的试验数据，为合理评定混凝土的碳化耐久性寿 命提供了可靠的依据。笔者结合水渗透性试验、空气渗透性试验结果，力图建立二者和碳化之问的 共同关系，可为同类工程设计施工提供合理的参考和借鉴。 ( 3 ) 笔者将渗透试验结果与某工程实际相结合，改进了评价混凝土碳化寿命预测模型主要运 用现场测试数据，通过多孔介质物质传输理论，从量化的角度对模型进行了完善和提升 4 第二章混凝土渗透性及测试方法研究 第二章混凝土渗透性测试方法研究 2 1 新的渗透性测试方法研究的意义 混凝土渗透性研究是决定其耐久性的一个重要的方面，目前国内外学者对这方面的研究已开展 得十分广泛，而且随着混凝土耐久性问题日益为人们所关注，新的测试方法研究已经引起了研究者 越来越多的兴趣。有关机构近期对近几年国内外在混凝土相关方面的研究所做的统计显示，对于新 的测试方法的研究更多地受到研究者的关注 由于现场混凝土的受力情况十分复杂，目前大多数的实验研究主要针对室内混凝土试件展开。 缺乏现场实际数据的检验，而且由于受测试方法的限制，即便是现场试验，也往往由于受现场试验 条件的影响，很难反映出实际混凝土的服役情况。特别是混凝土的渗透性试验，目前国内在这方面 的研究更多的侧重于氯离子引起的钢筋腐蚀，硫酸盐腐蚀等方面，在碳化的研究方面，考虑拉应力 状态影响的情况不多，至于如何建立混凝土水渗透和空气渗透之间相互关系方面的研究也比较少， 对于施工条件差异性对混凝土渗透的影响研究也不多见。为此，迫切需要对原有试验方法进行创新， 以满足新的发展需要 本文结合工程实际，设计了一套拉应力条件下的混凝土水渗透性试验装置，运用多孔介质传输 理论，研究拉应力状态下混凝土的渗透性演化规律，探索并建立混凝土水渗透与空气渗透之间的量 化关系，并尽可能的反映影响实际混凝土的碳化因素的控制指标。通过现场跟踪试验。将这些影响 因素量化，为同类工程研究提供有益的借鉴。 2 2 传输理论在混凝土渗透性研究中的应用 对于荷载作用下( 含拉压应力作用时) 水的运移规律的研究，在岩土工程领域已经开展得十分 深入和广泛，目前国外学者对流体在多孔介质中的传输规律研究进行得非常全面，相关数学模型研 究及数值模拟技术也得到进一步的加强。运用多孔介质力学理论，可以找到更为有效的方法来阐释 流体( 包含水和空气) 在固体介质中的运移规律。特别是针对应力情况下混凝土的渗透规律研究， 目前迫切需要相关的量化研究成果来反映流体物质在混凝土中的运移规律。 水在混凝土中的渗透原理：当水与混凝土表面接触时，压力差与毛细孔压力不断促使水分向混 凝土内部迁移，随着水分迁移的深入，水与毛细孔壁摩擦阻力增大，渗水速度随渗透深度的增加成 比例下降。当水分达到混凝土相反的一侧时，毛细孔压力将改变方向，阻碍水分的渗出。若压力差 大于孔壁摩擦阻力和毛细阻力，则水将从混凝土试件另一面滴出；若压力差小于摩擦阻力和毛细孔 阻力，则水的迁移为毛细孔迁移，此时混凝土的迁移速度取决于混凝土背水面水的蒸发速度i l q 。 2 2 1 多孔介质力学理论在物质传输中的应用 多孔介质力学通常被定义为以孔隙介质为研究对象，其力学性能显著地受孔隙流体的影响。按 照这一理论，多7 l 介质力学涵盖的范围就非常的广泛，从以岩石、土壤为介质的已被m a u d c a b i o t 研究近半个多世纪的多孔弹性理论，到现在的凝胶体、生物组织等都与之相关 b e a r ( 1 9 7 2 ) 给出了多孔介质比较完善的定义： 和气相，固相部分称为固体骨架，其他部分为空隙； 空隙中许多孔洞相互连通 多孔介质是含有固相的多相系，它可以是液相 固相部分遍布整个多孔介质，具有较大的比面； 东南大学硕士学位论文 低渗透性介质的等温干燥过程 在对于i - d 干燥实验中，假设多孔介质位于f l 和x = l 之间，热动力学平衡以及内部水的饱 和度定义为卵。在卢。时刻，试件在上下表面x ；士l 处与外部空气接触，该处的空气湿度为 h 7 = p 7 p 。仃o ) 假设由湿度差来保证热动力学平衡，且试件为多孔介质。通过多孔介质与外界 空气交换水蒸气来建立外界湿度与表面层之间的平衡，较深部位的水分随之补充到表面，从而维持 气液之间的平衡，由表面层液体蒸发产生的蒸汽使得液体的压力下降，使得液体的压力梯度发生改 变迫使介质内层的水分不断向面层迁移，当之与外部空气接触后便随之蒸发。介质内部液体的饱和 度不断降低，直到外界湿度与饱和度之间达到平衡时整个过程才停止。对于低渗透性介质( 如高强 混凝土) ，这一过程可以忽略不计，干燥空气进入多孔介质内部，以填充多孔介质内部水分( 以液体 或气体形式) 散失时留下的空隙 不考虑速度和骨料变形的影响，液态水、蒸汽和干燥气体之间可以建立以下的平衡方程： 璺掣型+ v 伽，) ：一二。 麴掣+ v ) ：一二 西 ”7 麴掣丹如a ) ：o a ”47 运用d a r c - y 定理，不计体力的影响，( 2 1 ) 可写成i - d 形式： 壹掣+ 半昙( k ) 丝掣) h 眨， m 毛细系数 1 1 0 1 9 m 2 时，可以忽略气液之间的达西平流传输。将简化后的传输规律代 入( 2 2 ) ( 2 3 ) 两式，最后将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 两式相加，可以得到( c ) ( f ) ： 鲁+ 盖掣一面m , 铀夏0 【( 1 一跏以岛) 昙( 拿一鲁昙( d ，( 昌) = 。 ( 2 5 ) 盟 a ma 【0 一墨a 】 p