硫酸盐腐蚀对混凝土梁力学性能与耐久性的影响研究

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在我国西北地区分布着大量的盐湖、盐渍土,这些特殊的地理环境导致的盐腐蚀问题十分常见。由于盐腐蚀,许多钢筋混凝土结构提前出现了病害甚至是结构失效的情况,严重影响到了结构的使用寿命。在盐腐蚀问题中,硫酸盐腐蚀又显得格外突出,需要引起重视。常见的硫酸盐腐蚀情况主要发生在工业建筑(如化工厂)、地下建筑、海岸上的建筑、盐渍土环境中的公路铁路设施及内陆盐湖中的水工结构物之中。对于混凝土桥梁而言不仅基础桥墩,上部的梁体也受到了较为严重的硫酸盐腐蚀问题。这些硫酸根离子的来源有许多,如盐渍土中的水分蒸发带来的,雨水冲刷盐渍土带来的以及酸雨作用等。当今世界快速发展,我国的各类公路、铁路等基础设施都在大力建设中,对混凝土结构的安全性、耐久性都提出了更高的要求,所以有必要对硫酸盐腐蚀混凝土结构进行研究。本文以混凝土箱型梁为研究对象,分析硫酸盐腐蚀对混凝土梁的力学性能以及耐久性的影响。本文通过试验研究了腐蚀0d、60d的两片试验梁受弯力学性能变化情况,并建立ABAQUS有限元分析,利用塑性损伤模型反映硫酸盐腐蚀情况,结合试验进一步分析长期硫酸盐腐蚀下的混凝土梁力学性能变化及耐久性劣化情况。本文的主要研究内容如下:(1)设计试验梁的尺寸及配筋,配制10%Na2SO4溶液,采用干湿循环的方式,对腐蚀0d、60d的试验梁分别进行静力破坏试验。发现腐蚀60d的试验梁相较于未腐蚀前,混凝土的抗压强度有了一定的提高,并且受弯力学性能也有了部分提高,说明在腐蚀前期,硫酸盐将提高混凝土梁的强度,刚度以及受弯力学性能。(2)利用ABAQUS有限元数值模拟得到的腐蚀0d、60d的各受弯力学性能计算值与试验结果较吻合,说明试验结果可靠,且ABAQUS非线性分析也是可行的。利用模型对试验未分析到的应力情况也进行研究,并对不同腐蚀天数的裂缝扩展情况进行对比分析。(3)利用ABAQUS有限元模型进一步分析长期硫酸盐腐蚀下的试验梁受弯力学性能变化规律。在长期硫酸盐腐蚀作用下,试验梁的受弯力学性能整体是逐渐退化的,且劣化速度越来越快。其次通过对模型计算结果进行拟合,推导出了该试验梁的受弯承载力退化模型以及其抗弯有效截面积的劣化情况,说明在长期硫酸盐腐蚀情况下,由于混凝土的剥落,抗弯有效截面积的减小,从而劣化了梁体的刚度,使得受弯承载能力不断退化。(4)最后考虑硫酸盐腐蚀梁体导致的抗力退化情况,基于可靠度理论,建立混凝土结构承载力的寿命预测模型,并建立相应的功能函数。将已推导得到的试验梁受弯承载力退化模型代入其中,结合算例得到该试验梁在特定荷载环境下的使用寿命长短。并通过另一个算例,得到某实际桥梁受硫酸盐腐蚀情况下的使用寿命长短。综上,进一步给出了上部梁体结构受到硫酸盐腐蚀的混凝土桥梁寿命预测的基本思路和建议步骤。
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