氯盐环境下高性能混凝土材料与结构两层面耐久性定量设计研究

Current codes and methods for durability design of concrete structures under chloride environments do not provide effective computational models for quantitative durability analysis, so that the values taken by the design parameters might not satisfy the requirement of the service life of the concrete structure under chloride environment. Furthermore, the design parameters for structural durability is inconsistent with those for the material one. In this proposal, the multi-factor models for surface concentration, chloride diffusion coefficient and aging factor will be developed for high performance concrete based on the experimental study, numerical simulation and statistical analysis, taking into account the influences of chloride environment and concrete material property on the diffusion process and concentration distribution profile. Meanwhile, time-dependence of the environmental action and durability parameters will also be explored. The durability governing domain model will be proposed for concrete structures under different exposure conditions, based on which the durability design parameters will be determined for the high performance concrete structures according to the environmental action, structural geometry and service life of the structure. Finally, the methodology for the mixing proportion design of the high performance concrete will be proposed by selecting the appropriate durability design parameters, satisfying the requirements of durability and strength of the concrete structure, and providing consistent design parameters for both material and structural levels.

对于氯盐腐蚀环境下的混凝土结构耐久性设计问题，现行设计理论和规范缺少量化计算模型，设计参数的取值不能定量体现氯盐环境腐蚀作用和结构服役寿命的要求，而且在材料和结构两个层面上的设计参数不协调。鉴于此，本项目拟研究混凝土结构的氯盐环境作用和耐久性指标参数的依时演化规律，据此建立不同扩散条件下大型混凝土结构的耐久性控制区模型，定量反映氯盐环境腐蚀作用、结构几何外形和预定服役寿命对结构耐久性设计参数的影响；研究氯盐环境腐蚀作用和材料性能的时变性对混凝土中氯离子扩散过程和浓度分布的影响，通过试验、数值模拟和统计分析建立高性能混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数及其龄期衰减系数的多因素计算模型；合理选择混凝土耐久性指标参数，建立能同时满足强度和耐久性指标要求的混凝土配合比设计方法。通过混凝土的材料耐久性设计满足结构预定服役寿命的要求，实现高性能混凝土耐久性设计在材料和结构二个层面上的协调一致。

混凝土结构耐久性传统经验设计法不能通过定量分析确定耐久性设计参数的取值，且无法将混凝土结构预定服役寿命的要求融入到混凝土配合比设计参数的定量计算模型中。本项目针对传统混凝土结构和材料耐久性设计理论的上述缺陷，开展基础理论、试验方法、数据分析等方面的创新研究，建立了氯盐环境混凝土结构的腐蚀作用模型、耐久性控制区分析模型和结构耐久性定量设计模型，提出了能够同时考虑混凝土强度和耐久性要求的配合比定量设计模型，实现了混凝土耐久性定量设计在材料和结构二个层面的协调一致。首先，通过对对国内外海洋混凝土长期暴露试验数据的整理和系统研究，建立海洋大气区、潮汐浪溅区和水下区表面氯离子浓度的多因素时变计算模型，据此对不同的氯盐环境腐蚀作用进行量化取值，为氯盐环境下混凝土结构的耐久性定量分析与设计提供了边界条件。其次，综合考虑氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的时变性，建立双时变的氯离子扩散模型，并基于氯离子扩散场的补偿理论，建立大型复杂混凝土结构耐久性分析的控制区模型，能够定量反映氯盐环境作用强度、结构几何外形和预定服役寿命对混凝土结构耐久性设计参数的影响；然后，提出了考虑施工需求的混凝土结构耐久性定量设计方法。进而，开展混凝土氯离子扩散性能的RCM试验研究，揭示了混凝土试件的边部效应对氯离子扩散深度的影响，基于图像处理技术提出了混凝土试件中氯离子扩散深度分析的面均法，提高了RCM试验测试结果的精确性和试验测试的效率，并开发了相应的试验设备。最后，研究建立了粉煤灰、矿粉、硅灰等不同矿物掺合料混凝土的强度多因素计算模型、以及氯离子扩散系数多因素计算模型，在此基础上，建立了能够同时满足强度指标和耐久性指标要求的混凝土配合比设计方法，从而实现混凝土耐久性在材料和结构两个层面上的协调一致。