硫酸鹽腐蝕下混凝土損傷行為研究.pdf

1、圍巖中硫酸鹽通過擴散進入混凝土井壁內(nèi)部,并與混凝土組分發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)生成物中含有鈣礬石等膨脹性物質(zhì),這樣造成混凝土井壁腐蝕。
　　在混凝土腐蝕過程中,硫酸鹽等組分濃度發(fā)生變化,引起混凝土損傷,即機械性能的弱化,進而引起混凝土位移場和應(yīng)力場的變化;位移場和應(yīng)力場的變化反過來影響混凝土中硫酸鹽的擴散系數(shù)和濃度場。因此,混凝土井壁中機械運動(變形)與非機械運動(化學(xué)反應(yīng))之間存在耦合作用。這種耦合作用將引起井壁局部材料的損傷,

2、當(dāng)材料損傷到一定程度,混凝土井壁局部或全部發(fā)生破壞。因此,混凝土腐蝕損傷會嚴(yán)重地影響井筒的安全。
　　本文綜合運用試驗、理論分析和數(shù)值計算的方法研究混凝土變形運動、硫酸鹽擴散和化學(xué)反應(yīng)耦合系統(tǒng)的復(fù)雜動力學(xué)行為,揭示硫酸鹽腐蝕下混凝土的損傷機理。論文的主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)對實驗室配置的高強度混凝土試樣進行了四因素五水平的人工加速硫酸鈉腐蝕試驗,測試了試樣某一截面在不同齡期的硫酸鹽濃度,并利用誤差函數(shù)計算出相應(yīng)的

3、擴散系數(shù),建立了擴散系數(shù)分別與水膠比、環(huán)境中硫酸鹽溶液濃度、養(yǎng)護時間和應(yīng)力比之間的函數(shù)關(guān)系,并給出四因素綜合影響下的擴散系數(shù)計算公式。
　　(2)對混凝土水化反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)進行了合理簡化,分析了各組分的質(zhì)量變化方式,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)與擴散過程中各組分的質(zhì)量守恒關(guān)系,建立了含八個反應(yīng)速率常數(shù)和十五種組分質(zhì)量濃度的反應(yīng)速率方程。利用數(shù)值方法計算了不同水膠比、環(huán)境中硫酸鹽溶液濃度、養(yǎng)護時間和應(yīng)力比下十五種組分的質(zhì)量濃度場、硫酸鹽溶液擴散速度

4、場,得到了四種因素對各組分質(zhì)量濃度場演化的影響規(guī)律。
　　(3)對實驗室配置的高強度混凝土試樣進行了四因素五水平的人工加速硫酸鈉腐蝕試驗,測試了不同腐蝕時間混凝土的抗壓強度,并以抗壓強度為指標(biāo)定義了損傷度,建立了損傷度分別與水膠比、環(huán)境中硫酸鹽溶液濃度、養(yǎng)護時間和應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系,并給出四因素綜合影響下的損傷度計算公式。
　　(4)根據(jù)質(zhì)量守恒定律,建立了混凝土腐蝕應(yīng)變率—組分濃度變化率方程,給出了應(yīng)力和腐蝕共同作用下混凝

5、土應(yīng)變分量表達式,給出了考慮腐蝕應(yīng)變影響的混凝土破壞狀態(tài)的變化條件,基于Drucker-Prager準(zhǔn)則和Lagrange準(zhǔn)則分別建立了腐蝕損傷過程中混凝土剪切屈服和拉伸破壞后的流動法則。
　　(5)建立了一種混凝土井壁和圍巖變形—水化和腐蝕反應(yīng)—硫酸鹽擴散耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型,設(shè)計了系統(tǒng)響應(yīng)計算方法,編制了響應(yīng)計算程序,計算了不同水膠比、不同養(yǎng)護時間及不同初始條件和邊界條件下系統(tǒng)的響應(yīng),得到了水膠比、養(yǎng)護時間、圍巖中硫酸鹽濃度等因