酸雨环境多因素耦合作用混凝土劣化时变规律及寿命预测研究

Concrete structure suffers the acid rain attack in different degree in most areas of southern China and some places of northern China. Due to complicated and diversified external environment, the concrete structure also suffers multifactor coupling effects, such as carbonization, freeze thaw cycles and loading, et al. The deterioration of concrete exposed to acid rain is a long-term and complicated process. The objective of this research subject is to explore the time-dependent law of performance deterioration and to establish the model for predicting the service life of concrete under multifactor coupling effects, which include acid rain―carbonization, acid rain-freeze thaw cycles, acid rain-loading, acid rain-carbonization-freeze thaw cycles and acid rain-carbonization-loading. The main research work is listed as follows: firstly, the binding capacity of aggressive ion and time-dependence of diffusion coefficient in concrete is investigated based on the Fick's law and the Arrhenius's theorem; Secondly, a perfect evaluation system for the end index of concrete's service life is built based on acidification depth index;Thirdly,the Grey system theory is applied to calculate the grey assessment parameters, establish the prediction model of performance deterioration according to the concrete components and the aggressive factors; Lastly, put forward the scientific model for predicting the service life of concrete in acid rain based on multiple coupling effects. The research achievements will contribute to clarify the interaction mechanism and effect among multiple factors in acid rain environment, and provide theoretical and technical basis for designing durable concrete and increasing its service life in acid rain enviroment.

我国南方大部分地区及北方少部分地区混凝土结构不同程度遭受酸雨腐蚀。受服役环境复杂多样性的影响，混凝土遭受酸雨腐蚀的同时，还受到碳化、冻融循环、荷载等多因素联合作用的影响，酸雨对混凝土的腐蚀是一个既复杂又长期的过程。项目对酸雨－碳化、酸雨－冻融循环、酸雨－荷载、酸雨―碳化―冻融循环、酸雨―碳化－荷载等多因素耦合作用下混凝土劣化时变规律和寿命预测进行研究，以Fick定律、Arrhenius定理为基础研究混凝土侵蚀离子及分子结合能力、扩散系数时依性；基于酸性化深度指标构建完善的混凝土寿命终结指标评价体系；应用灰色系统理论，通过灰类评估参数，建立基于混凝土材料组成因素、酸雨环境多侵蚀因素的混凝土性能劣化预测模型，并进行酸雨环境多因素耦合作用混凝土服役寿命预测方法研究。研究成果将阐明酸雨环境多因素耦合作用的机理和效应，为酸雨环境下耐久性混凝土设计及提高混凝土工程服役寿命提供理论和技术依据。

在酸雨区，混凝土结构在服役期间长期遭受酸雨腐蚀的同时，往往还伴随碳化、冻融、荷载等其他劣化因素的耦合作用，严重影响其使用寿命。本项目开展了酸雨环境多因素耦合作用下混凝土性能劣化时变规律、机理及服役寿命预测研究。在以下几方面取得创新性成果：. （1）建立了酸雨单一与酸雨－碳化、酸雨－冻融、酸雨－荷载耦合侵蚀作用下混凝土质量损失、吸水率、相对动弹性模量、抗压强度变化等物理力学性能劣化规律时变方程，探明了材料组成、酸雨侵蚀环境、弯曲应力水平、防腐涂层对混凝土酸性化性能的影响，提出了酸雨区耐久性混凝土材料设计方法。. （2）酸雨中H+与SO42-具有协同侵蚀作用，SO42-浓度增大加剧了混凝土酸雨侵蚀，碳化对酸雨侵蚀具有抑制作用，冻融循环、弯曲拉应力荷载加速了混凝土酸雨侵蚀，较高水平的压应力对酸雨侵蚀起抑制作用。. （3）提出了混凝土受酸雨侵蚀的近表面结构侵蚀速率分阶段递减模型，揭示了酸雨与碳化、冻融、荷载因素的耦合作用机理和效应，定量分析了碳化、冻融、拉、压荷载水平等耦合因素对混凝土酸性化深度或酸性化速率的影响率。. （4）从扩散传质理论入手，建立了混凝土酸雨侵蚀的酸性化速度系数与矿物掺合料掺量、酸雨pH值之间的时依性方程，结合灰色新陈代谢MGM(1, 2)模型，建立了混凝土酸性化预测模型；通过引入碳化、冻融、荷载等耦合因素影响率，对酸性化寿命预测模型进行修正，构建了同时考虑保护层厚度、耦合因素影响率、降雨量及酸雨pH值的混凝土寿命预测模型。. （5）基于酸性化深度指标，通过GM（1,1）灰色模型定量求解了混凝土酸性化耐久性失效极限状态时的剩余抗压强度指标。. 本项目成果已成功应用于高速公路桥梁工程，很好地解决了硫酸型酸性废水路段桥梁桩基和桥墩混凝土结构防腐问题。. 本项目研究成果不仅为揭示酸雨多因素环境下混凝土性能的损伤规律，阐明酸雨与其他劣化因素之间的相互作用与机理提供了理论基础，而且对酸雨区混凝土结构耐久性设计与使用寿命评估具有重要实用价值。