非飽和混凝土水分與氯離子傳輸行為研究.pdf

1、隨著“一帶一路”、“西部大開發(fā)”和“海洋強國”國家戰(zhàn)略的實施，大量的混凝土結(jié)構(gòu)服役于嚴(yán)酷的環(huán)境中，其耐久性和安全性將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。實際工程中，處于水位變動區(qū)、浪濺區(qū)、干濕交界處的混凝土結(jié)構(gòu)往往劣化最早，破壞也最為嚴(yán)重，主要原因是該區(qū)域的混凝土處于非飽和狀態(tài)，外界有害介質(zhì)在擴散、對流等多種機制下侵入，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的關(guān)鍵。研究非飽和混凝土的介質(zhì)傳輸對于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論、提高耐久性設(shè)計水平具有重要

2、意義，同時也為混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測、維修與維護(hù)提供理論支撐。
　　本文基于多孔介質(zhì)理論與復(fù)合材料理論，以試驗研究與模擬相結(jié)合，綜合運用傳統(tǒng)試驗方法與現(xiàn)代分析測試技術(shù)，首先研究混凝土對水蒸氣的等溫吸附、脫附，并從定量和可視化的角度系統(tǒng)研究了非飽和混凝土的毛細(xì)吸水過程、特征和規(guī)律，同時以模型計算與試驗相結(jié)合的方法研究了非飽和混凝土的氯離子傳輸行為，最后探究了帶裂縫和損傷混凝土的水分與氯離子傳輸特性。得到以下研究成果:
　　一、混

3、凝土等溫吸附-脫附特性
　　以不同種類飽和鹽溶液創(chuàng)造特定濕度環(huán)境，通過試驗獲得混凝土對水蒸氣的等溫吸附-脫附曲線，基于Laplace方程和Kelvin公式進(jìn)一步得到水分特征曲線，在此基礎(chǔ)上建立混凝土液相/氣相相對滲透系數(shù)、液態(tài)水/水蒸氣擴散系數(shù)與混凝土飽和度的關(guān)系。系統(tǒng)研究了水灰比、礦物摻合料種類與摻量對混凝土等溫吸附-脫附特性、水分滲透性和擴散性能的影響，得到以下結(jié)論:(1)混凝土的脫附存在明顯的滯后效應(yīng)，吸附-脫附曲線滯回環(huán)面

4、積能有效表征混凝土孔結(jié)構(gòu)特征;(2)RH＜70％時，混凝土凝膠孔吸附達(dá)到飽和，當(dāng)RH＞70％毛細(xì)孔逐漸飽和，混凝土的飽和度迅速增大;(3)隨著混凝土飽和度的增加，氣相滲透系數(shù)逐漸減小，液相滲透系數(shù)逐漸增大;當(dāng)混凝土處于低飽和度（θ＜0.5）時，水分傳輸以水蒸氣擴散為主，而當(dāng)飽和度大于0.6～0.7時，孔隙水連通，液態(tài)水?dāng)U散逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。
　　二、非飽和混凝土水分傳輸?shù)亩颗c可視化
　　發(fā)明了X-CT聯(lián)合Cs離子增強原位、

5、連續(xù)監(jiān)測凈漿、砂漿、混凝土毛細(xì)吸水的無損測試方法，顯著提高了CT圖像的對比度，可以準(zhǔn)確判定水分的傳輸距離，為可視化追蹤多孔材料的水分傳輸提供了有力工具，并利用該方法系統(tǒng)研究了水灰比、礦物摻合料、砂體積摻量等因素對水分傳輸?shù)挠绊??；谥亓糠ǘ勘碚鞣秋柡突炷恋拿?xì)吸水，建立了混凝土吸水系數(shù)S與飽和度θ之間的定量關(guān)系:S=a(1-θ)b，為非飽和混凝土的耐久性研究提供基礎(chǔ)。基于多孔介質(zhì)水分傳輸理論與毛細(xì)吸水試驗，構(gòu)建了非飽和混凝土毛細(xì)吸水

6、過程中水分時空分布計算模型，同時建立了毛細(xì)系數(shù)k與吸水系數(shù)S之間的理論關(guān)系:S/k=ψ，并以試驗予以驗證。
　　三、非飽和混凝土氯離子傳輸試驗研究與模型計算
　　分兩種情況研究了非飽和混凝土的氯離子傳輸:(1)當(dāng)混凝土不與外界發(fā)生水分交換，飽和度恒定時，氯離子的傳輸以擴散機制控制，修正了非飽和混凝土氯離子擴散模型，利用修正后的模型計算了不同飽和度凈漿、砂漿、混凝土的氯離子擴散系數(shù);(2)當(dāng)混凝土存在毛細(xì)吸水，飽和度動態(tài)變化時

7、，采用自然浸泡法研究非飽和混凝土擴散-對流機制下的氯離子傳輸，系統(tǒng)研究了水灰比、粉煤灰摻量、礦渣摻量、鹽溶液濃度、浸泡時間對氯離子傳輸?shù)挠绊?建立了非飽和混凝土氯離子擴散系數(shù)與初始飽和度的經(jīng)驗關(guān)系，D(θ)/Ds=ea(1-θ);構(gòu)建了非飽和混凝土吸水系數(shù)與氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系，S2/D=100ψ(1-θ)6.75(W/C)+0.42，為非飽和混凝土氯離子擴散系數(shù)的快速獲取提供了新方法。
　　四、開裂混凝土（砂漿）的水分與氯離

8、子傳輸
　　通過嵌入鋼片制備帶裂縫砂漿試件，采用X-CT聯(lián)合Cs離子增強技術(shù)原位追蹤了帶裂縫砂漿的水分傳輸，獲得了裂縫寬度(0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm)、取向（縱向、橫向）對水分傳輸?shù)挠绊懸?guī)律。在考慮吸水方向（向上、向下）的情況下，基于重量法研究了裂縫寬度對吸水系數(shù)的影響。同時，試驗與模擬相結(jié)合研究了裂縫寬度對氯離子傳輸深度、擴散系數(shù)的影響，且考慮了重力作用的影響。而且，利用有限元模擬的方法研究了

9、裂縫形態(tài)、內(nèi)部缺陷、ITZ對氯離子傳輸?shù)挠绊?。結(jié)果表明:水分的上升高度隨著縱向裂縫寬度的增大而減小，非飽和砂漿內(nèi)橫向裂縫的出現(xiàn)阻斷了水分的傳輸路徑，使水分繞過裂縫在砂漿中傳輸;非飽和情況下，影響水分、氯離子傳輸?shù)呐R界裂縫寬度為0.1mm;飽和情況下，影響氯離子傳輸?shù)呐R界裂縫寬度為0.2mm;重力作用的存在促進(jìn)了水分與氯離子的傳輸。
　　五、凍融、荷載損傷混凝土的水分與氯離子傳輸
　　以凍融、荷載兩種方式制備了不同損傷程度的混