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盐蚀及冻融循环作用下持载钢筋混凝土耐久性及粘结应力损伤之土木工程研究

来源: www.khyfdv.tw 作者:vicky 发?#38469;?#38388;:2019-07-17 论文字数:34655字
论文编号: sb2019061709481926820 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本?#32784;?#36807;盐冻融处理以及盐冻融后试件的中心拉拔试验得出:盐冻融后试件三种参数的损伤程度和损伤速率要明显严重于荷载-冻融工况。荷载的不同对三种参数的影
本文是一篇土木工程论文,本?#32784;?#36807;冻融循环处理以及冻融后试件的中心拉拔试验得出:冻融后的试件质量损失?#35797;?#21152;,相对动弹性模量和粘结应力减少,多次的冻融循环与持载耦合作用加剧了钢筋与混凝土粘结性能?#32784;?#21270;过程。未施加荷载的试件质量损失率和动弹性模量损失明显大于其他两组,而施加荷载的两组试件之间无明显差异。持荷越大,相对动弹性模量越小。持载降低试件的粘结应力,降低的程度随荷载的增加而增加。

第 1 章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
当今,我国重大基础工程建设的发展迅猛,建筑规模宏大。公路和高速公路工程、桥梁工程、水电工程、铁路工程、港口工程、隧道工程、地下工程、国防保护工程、山水治理和荒漠化治理工程正在大规模建设。据统计,公路通?#36947;?#31243;已由 2005 年的 192×104km 扩大到 2012 年的 424×104km,铁路通?#36947;?#31243;已由 2005 的7.5×104km 扩大到 2012 年 9.8×104km,高速公路建设已由 2005 的 4.5×104km 扩大到 2012 年的 9.5×104km,电力工程建设已由 2005 年 5×108kW 总装机容量扩大到2012 年的 11×108kW 等。
吉?#36136;?#35199;部区域位于松嫩平原西南部,它是世界三大碱土分布区之一,也是我国最大的碱土分布区。1980~2000 年,吉?#27835;?#37096;盐渍土总面积由 153.27×104ha2增加到 165.31×104ha2,盐渍化程度明显增加。轻度盐渍化土地面积减少 60.1%,中度盐渍化土地增加 57.9%,重度盐渍化土地增加 2.2%[1]。可见,吉?#27835;?#37096;盐渍化程度逐年增加,生态环境十分脆弱。另外,土壤中的碳酸根离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子和?#22756;?#23376;等会对?#35838;蕁?#20844;路、桥梁、大坝、河渠等建筑物产生影响。加上,吉?#27835;?#37096;地区气候条件复杂,并且许多因素是耦合作用的,使混凝土材料腐蚀或破坏,导致混凝土结构性能的劣化,这种情况严重威胁着结构的安全性和服役期间的耐久性。
吉?#36136;?#21516;时也是中国东北季节性冻土区,冬季最低气温达到零下 38.7℃,冬夏最大温差可达 60℃,气候条件恶劣。特别是秋冬换季期间以及初春季节,建筑结构常常被冻融循环作用所破坏。见图 1-1。

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1.2 国内外研究概况
1.2.1 盐冻融后粘结应力研究现状
混凝土的盐冻破坏一般是指盐离子和冻融循环耦合作用造成的混凝土损伤,是冻融破坏最严重的一种。与普通冻融损伤相比,损伤速度和程度都大 1~10 倍,主要损伤现象是混凝土表面的腐蚀和脱落[2]。随着事故发生的数量越来越多,经济损失和维修费用也随之增加。研究人员以及公路管理部门越来越重视盐冻造成的危害。因此,国内外的部分学者多重环境因素耦合作用下的混凝土构件进行了研究,如在东北等寒冷地区,对海港及海边建筑、撒除冰盐[3][4]的路面、其他含盐环境如盐碱地中混凝土结构等破坏的研究,使混凝土耐久性的研究工作取得很大的进展。
学者郭金辉[5]根据吉?#27835;?#37096;地区的特殊环境,建筑物会受到复合盐腐蚀和冻融循环耦合作用的情况,通过对盐-冻融循环耦合作用后的试件进行中心拉拔试验,来研究钢筋与混凝土之间粘结应力的损伤规律。试验结果表明:试件经过盐-冻融循环耦合作用后,其质量和相对动弹性模量和钢筋与混凝土的粘结应力均减小。同时还发现三种参数的减少程度随着复合盐质量分数的增加和冻融循环次数的增加而减小。
T.S. Shih[6]对受到 1 次、10 次和 30 次冻融循环后作用的试件进行单调和重复循环加载的试验,?#27835;?#25968;据得出冻融循环对钢筋混凝土的粘结强度和混凝土自身的力学性能指标有明显的影响,冻融循环次数越多,钢筋与混凝土之间的粘结强度越小。
除了?#27835;?#20923;融和氯盐腐蚀对钢筋与混凝土粘结滑移的影响外,学者张燕[7]还?#27835;?#30416;-冻融作用下试件的粘结应力与不同锚固段长度的变化关系曲线,冻融次数对位置函数影响明显,腐蚀程度对位置函数无明显的影响。
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第 2 章 试验方案设计

2.1 试验工况设计以及试件设计
2.1.1 试验工况设计
由于本次试验主要针对研究的是吉?#27835;韃考?#20923;区混凝土与粘结应力的损伤研究,所以需要按照冻融循环次数、盐溶?#21495;?#24230;、荷载大小以及混凝土种类来划分工况,共 36 种工况,每种工况 3 个试件,一共制作 108 个试件。
考虑到试验选用 C30 混凝土,考虑到混凝土的耐冻性,再根据之前学者[27]所做研究,所以将冻融次数定为 100 次较为合?#30465;?br />
吉?#27835;?#37096;是我国东北地区典型的季节性冻土区之一,同时也是土壤盐渍化最严重的地区之一。根据宿晓萍[28]学者的研究成果,可以得到吉?#27835;?#37096;土壤成分理化性质?#27835;?#30340;结果,该地区的盐分含量高,成分非常复杂,阳离子主要是钠离子,占总阳离子量的 80%以上;阴离子主要是碳酸氢根离子,占总阴离子量的 75%到85%。距地表 30cm 的土层中盐分含量最高。考虑试验结果的对比与?#27835;觶?#26412;文引用宿晓萍学者对大安春季土壤中易溶盐的成分与?#22756;?#30340;试验数据,土样中易溶盐的详细成分和?#22756;?#35265;表 2-1 所示。根据表 2-2 可以看出,在深度为 30cm 的样本中,易溶盐的?#22756;?#26368;大,本文选取?#26494;?#24230;土样中易溶盐的成分和?#22756;?#37197;?#23186;?#27873;混凝土试件的复合盐溶液[29],并同时设置三倍此浓度的复合盐溶液和清水作为对比组,按浓度从小打到分别以 Y00、Y35 和 Y100 表示。


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2.2 混凝土材料的选择与制作
2.2.1 原材料
由于本试验试件数目较多,所用混凝土方量较多,同时为了保证混凝土质量,混凝土采用机器拌制,为与实际工程所用的混凝土等级相适应,采用 C30 等级的混凝土来进行试件的制作。钢筋采用?#26412;段?16mm 的螺纹Ⅲ级钢。
根据《普通混凝土配合比设计规程》的要求,计算了 C30 混凝土的配合比,由于实验室中的骨料含有一定的水分,与初步计算出的配合比有一定的差距,因此需要先进行混凝土的试拌,根据试拌的结果,再做进一步的调整,可以得到实际配合比。
水泥采用鼎鹿牌强度为 42.5 级的普通硅酸盐水泥,沙子采用中砂,石子考虑到试件的大小,粒径采用最大粒?#27573;?40mm 的碎石。PVA 纤维采用常州天怡工程纤维有限公司所产 12mmPVA 纤维,用量为每吨 1.3kg。详?#27010;?#21512;比见表 2-4。

本试验所采用的 PVA 纤维价格为 28 元/千克,按照吉?#36136;?C30 商用混凝土价格 380 元/方计算,PVA 纤维混凝土造价为 416.4 元/方,比普通混凝土增加了 10%的造价。
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第 3 章 复合盐腐蚀作用下持载钢筋与混凝土耐久性及粘结应力的研究.........21
3.1 复合盐溶液浸泡试验的过程及试件的宏观变化...................21
3.1.1 复合盐溶液浸泡试验的过程............................. 21
3.1.2 复合盐溶液长期浸泡后混凝土试件的宏观变化.................. 24
第 4 章 冻融循环作用下持载钢筋与混凝土耐久性及粘结应力的研究............. 34
4.1 冻融循环试验的过程及试件的宏观变化................................. 34
4.1.1 冻融循环试验的过程....................... 34
4.1.2 冻融循环后混凝土试件的宏观变化.................35
第 5 章 盐冻融作用下持载钢筋与混凝土耐久性及粘结应力的研究 ............... 44
5.1 盐冻融试验的过程及试件的宏观变化.................... 44
5.1.1 盐冻融试验的过程...................... 44
5.1.2 盐冻融作用后混凝土试件的宏观变化.....................45

第 6 章 机理?#27835;?br />
6.1 持载与环境因素耦合下钢筋混凝土粘结应力损伤?#27835;?br /> 本次试验设置的荷载在极限拉拔力的 30%~50%之间,通过试验可知,这个区间内的荷载并不会使试件本身产生微裂缝,使试件的力学性能退化。当持载与盐腐蚀环境相耦合,会有盐结晶生成,使混凝土内部的应力增加而又不至于产生微裂缝,弹簧变性产生的荷载使得钢筋周围混凝土一直处于受压状态,同时对微裂缝的开展起?#38469;?#30340;作用,从而减缓了钢筋与混凝土粘结性能?#32784;?#21270;。
当荷载与冻融环境耦合时,粘结试件遭受的冻融破?#21040;?#21152;剧。一旦钢筋持载,冻融就会与肋前由径向拉力引起的与肋垂直的?#27605;蚣费?#21147;产生复合叠加效应,从而促进了钢筋周围混凝土微裂缝的发展,如图 6-1 所示。在试件受到冻融循环作用之初,试件内部产生大量微小裂缝,裂缝产生的位置和方向无序随机的,钢筋肋前?#26408;?#21521;拉力加剧了钢筋周围裂缝的萌生,并为裂缝的发展提供了路径,使多条微小裂缝互相连通成为较大裂缝。变大的裂缝在接下来的冻融循环过程会被溶液所填充,从而产生更大的冻胀应力,如此循环往复互相促进,最终减小了钢筋与混凝土之间的胶结力和机械咬合力,从而使试件粘结应力损伤加剧。
当持荷与盐冻融环境相耦合,荷载使混凝土产生荷载应力,盐-冻融循环过程中,被盐溶液侵入?#26408;?#37096;混凝土内部的溶液冻结晶体产生膨胀应力以及反复冻融产生的应力差。在裂缝开展的初期,当荷载应力与膨胀应力的组合作用超过混凝土抗拉强度时,混凝土内部结构开始产生局部损伤,?#20174;不?#27700;泥浆及集料和水泥浆界面处的微裂缝逐步增多。荷载应力进一步促进了微裂缝的萌生、扩展,而这些进一步萌生的微裂缝反过来?#25351;?#21033;于盐溶液的侵入随着盐-冻融循环增加,从而产生恶性循环,使微?#30416;?#19981;断萌生、扩展,内部损伤逐渐累积,破坏严重者甚至会在试件表面形成一条纵向劈裂裂缝,如编号 S1D100Y35H502 试件。
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第 7 章 结论与展望

7.1 结论
本试验将普通混凝土和 PVA 纤维混凝土两组持荷试件进行了复合盐溶液浸泡试验、冻融试验、盐冻融试验以及中心拉拔试验,并测出相应的质量损失率、动弹性模量以及粘结应力,旨在研究钢筋混凝土结构在荷载-盐腐蚀、荷载-冻融以及荷载-盐腐蚀-冻融三种工况下,耐久性以及粘结应力的变化规律,同时对比两种混凝土在不同工况下的性能劣化差异。
(1)在复合盐浸泡后通过试件的中心拉拔试验得出:短期复合盐溶液浸泡后,试件的质量和动弹性模量均有较小程度的增加,并存在盐溶?#21495;?#24230;越高,增加量越大的规律,Y00、Y35 和 Y70 组试件质量分别增加-0.08%、0.24%和0.67%,相对动弹性模量分别为 1.05、1.08 和 1.1。所有试件的粘结应力较浸泡前均有较小程度的增加,H00、H30 和 H50 试件的粘结应力分别 10.21MPa、10.31MPa 和 10.45MPa,持荷的大小对于本身不产生或产生裂缝极少的试件影响较小。
(2)通过冻融循环处理以及冻融后试件的中心拉拔试验得出:冻融后的试件质量损失?#35797;?#21152;,相对动弹性模量和粘结应力减少;未施加荷载的试件质量损失率和动弹性模量损失明显大于其他两组,而施加荷载的两组试件之间无明显差异,H00 试件的质量损失率为 0.657%,H30 试件和 H50 试件分别为0.821%和 0.824%;H00 试件的相对动弹性模量为 93%,H30 试件和 H50 试件分别为 86%和 95%。钢筋持载降低试件的粘结应力,降低的程度随荷载的增加而增加,H00 试件的相粘结应力为 9.09MPa,H30 试件和 H50 试件分别为7.92MPa 和 7.26MPa,多次的冻融循环与持载耦合作用加剧了钢筋与混凝土粘结性能?#32784;?#21270;过程。
(3)通过盐冻融处理以及盐冻融后试件的中心拉拔试验得出:盐冻融后试件三种参数的损伤程度和损伤速率要明显严重于荷载-冻融工况;荷载的不同对三种参数的影响加大,荷载越大,试件的质量、相对动弹性模量和粘结应力损伤越大。H00 试件的质量损失率为 1.137%,H30 试件和 H50 试件分别为2.10%和 3.38%;H00 试件的相对动弹性模量为 87%,H30 试件和 H50 试件分别为 76%和 71%;H00 试件的相粘结应力为 8.36MPa,H30 试件和 H50 试件分别为 6.88MPa 和 5.05MPa。
参考文献(略)

原文地址:http://www.khyfdv.tw/civil/)查找


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