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国内外大量实际调查资料表明,混凝土耐久性不够已经成了制约工程质量的突出问题。由于人们长期以来忽视混凝土的耐久性问题,从而付出了巨大的代价。如美国截至20世纪末,仅为更换和修复冬天撒化冰盐引起的破损公路混凝土桥面板,就要耗资近4000亿美元。我国每年因混凝土腐蚀造成的工程破损与维修费用损失也是无可估量的,目前混凝土耐久性问题已经成为一个世界性的课题。美国学者曾用“五倍定律”来强调重视结构耐久性的重要性,其含义是:混凝土结构新建时少投入l美元,开始出现锈蚀时维修则需要5美元,表面顺筋开裂时维修则需要25美元,严重腐蚀破坏时维修需125美元。因此,对于正处于大规模基础建设时期的我国来说,进一步研究混凝土结构的耐久性问题,为提高混凝土结构的耐久性设计水平、防止今后重蹈耐久性后遗症覆辙与避免极大的财力浪费,无疑具有重要的实际意义。
本文主要研究内容如下:
(1)从现有理论知识和研究基础出发,针对一般大气环境与氯盐侵蚀环境下的桥梁结构混凝土研究其耐久性寿命预测理论模型。
(2)运用ANSYS数值分析方法,开展基于锈胀开裂条件的混凝土耐久性使用寿命预测模型研究。
(3)归纳总结桥梁结构寿命评估方法并结合现场试验进行实例应用。
(4)针对桥墩混凝土及北方寒冷地区受化冰盐侵蚀的混凝土的耐久性能要求进行材料高性能试验研究。
本文以“理论归纳-新模型理论构建-评估实践-材料性能试验研究”为主线,结合试验对桥梁混凝土结构耐久性预测模型与寿命评估进行较为全面的理论与实践研究。
本文在全面总结分析桥梁结构混凝土耐久性寿命的碳化作用机理与氯盐侵蚀机理的基础上,首先针对大气环境下桥梁混凝土的耐久性寿命,提出了更能综合全面反映碳化影响因素作用的耐久性寿命预测模型:其次针对氯盐环境提出了氯离子侵入混凝土的改进型扩散系数计算模型。并以此为基础建立了氯盐侵蚀环境下以正常使用限制在诱发期为条件的钢筋混凝土耐久性寿命预测模型。再次以混凝土保护层外表面产生锈蚀裂缝为正常使用寿命终结点,建立了基于锈胀开裂条件的混凝土耐久性寿命预测模型。
本文还从桥梁结构的整体角度,提出了利用BP神经网络估算桥梁剩余使用寿命的模糊预测方法,并运用具体实例介绍了用现场荷载试验法进行桥梁评估的理论依据与主要评估过程。本文还针对北方寒冷季节,开展了能同时抵抗冻融破坏和化冰盐侵蚀的高性能桥梁混凝土的配比性能试验研究；针对桥墩大块混凝土,开展了抗裂抗腐高性能低热混凝土试验研究。
本文的主要创新点如下:
(1)吸收碳化残量的概念与研究成果,提出了更能综合全面反映碳化作用影响因素的碳化系数实用计算方法,建立了基于碳化残量及非平稳正态随机过程考虑的碳化锈蚀的概率计算模型。该模型的建立将为大气环境下混凝土结构的碳化锈蚀耐久性寿命预测提供合理有效的计算途径。
(2)提出了能综合考虑多种影响因素的等效氯离子扩散系数综合计算模型,以此为基础建立了基于氯盐侵蚀的钢筋混凝土的使用寿命预测模型。该模型的建立将为氯盐环境下钢筋混凝土的正常使用寿命预测提供有用工具。
(3)通过对混凝土锈胀开裂破坏过程的研究,导出了各锈蚀参数的相互关系,建立了锈胀连续作用阶段计算锈胀主压应力q*的可靠性、适用性好的理论模型。该模型将为混凝土耐久性设计及寿命评估提供理论参考。
(4)在对钢筋锈胀过程与锈胀力进行理论分析与计算过程中,提出了起裂锈蚀率与临界贯通锈蚀率的概念及其计算方法,导出了钢筋混凝土保护层产生起始与贯穿锈胀裂缝的条件,并进一步建立了基于锈胀开裂条件的混凝土耐久性寿命预测模型,该模型所采用的参数具有计算、检测简便易行的特点。
(5)针对北方受化冰盐侵蚀作用的桥梁混凝土,经过试验研究得出了既能抗冻又能抗氯盐(化冰盐)侵蚀的高性能混凝土的初步配比性能。并针对桥墩等大块体混凝土的特殊要求,经过试验研究得出了满足要求的低热抗裂抗腐高性能混凝土的初步配比性能。此研究结果将为具体实际应用提供指导性参考。