干湿—盐侵—冻融耦合作用下水工混凝土耐久性研究

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为了改善西北地区脆弱的生态环境,国家先后在西北地区建成一些大型引水、提水灌区以及跨流域的调水工程,如引大入秦工程、景电工程、引洮工程等。但是在我国西北地区,渠道、隧洞等引水输水建筑物长期处在干湿循环、盐类侵蚀、冻融循环等的恶劣环境中,导致侵蚀破坏现象频繁出现,极大的威胁了工程的安全运行。并且水工混凝土在复杂的侵蚀作用下,破坏损伤机理仍不清楚,耐久性劣化规律仍不明晰,有关水工混凝土耐久性的评价方法较少,损伤预测也误差较大。因此,本文以西北地区遭受侵蚀破坏比较严重的甘肃省引大入秦工程作为典型工程,通过实地调查取样,探明引大入秦工程水工建筑物破坏的主要侵蚀作用是干湿循环、盐类侵蚀和冻融循环的耦合作用,主要侵蚀离子为硫酸根离子和氯离子;根据施工要求,设计不同水灰比(S1、S2、S3)、粉煤灰掺量(F1、F2)、矿粉掺量(K1、K2)、引气剂用量(Y1、Y2)的9组混凝土试件,分别在清水和5%硫酸钠-氯化钠溶液中进行室内加速试验,明确混凝土的破坏过程,揭示混凝土的劣化机理;基于灰色关联分析的方法计算关联度,通过关联度对混凝土的耐久性进行评价;利用试验数据构建灰色残差马尔科夫模型,对水工混凝土的耐久性损伤进行预测。得到主要结论如下:(1)分析试验数据可知水灰比越小,耐久性越好,水灰比越大,耐久性越差;掺入15%低掺量粉煤灰能够提高混凝土耐久性,掺入30%高掺量粉煤灰会加速混凝土的破坏,降低其耐久性;掺加矿粉对混凝土耐久性影响较小;在一定范围内向混凝土中加入引气剂能够提高混凝土的耐久性。并且通过核磁共振分析可以得知,混凝土孔径分布呈“三峰分布”。4次大循环后,在清水与复盐中的基准混凝土小孔隙显著增多,其它两种孔隙小幅增加。8次大循环后,两者规律出现差异。在清水中,混凝土小孔隙数量明显减少,小孔隙不断向中孔隙和大孔隙过渡,中孔隙、大孔隙分布值明显升高;在复盐中,小孔隙数量仍大幅增加,而中孔隙、大孔隙分布值升高较少。(2)将各试验组的关联度值进行对比可以发现:在清水中,经过3次大循环后,各组的关联度值较大,混凝土的耐久性较优;8次大循环后关联度值下降较多,耐久性变差。在复盐中,关联度的最大值出现在第一次大循环结束后;经过五次大循环后,各组关联度值下降明显,混凝土的耐久性变差。并且S组中,任意循环次数,关联度值存在S1>S2>S3;F组中,存在F1>S2>F2;K组中,S2、K1、K2三组关联度值基本相同;在Y组中,关联度值始终存在Y2>Y1>S2。(3)以相对动弹性模量表征混凝土的耐久性损伤情况,以S2、F1、K1、Y1四组试件0~5次大循环试验数据构建灰色残差模型,通过模型对6~8次大循环试验数据进行计算,并用马尔科夫过程进行符号修正,与原始数据对比,平均误差仅为3.507%,验证了模型的适用性。基于上述模型,预测出S2、F1、K1、Y1四组混凝土试件在清水中达到破坏时的循环次数分别为12次、17次、13次、16次,在复盐中达到破坏时的循环次数分别为9次、11次、9次、10次。
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