彭立敏基于環(huán)境時間相似理論隧道襯砌混凝土耐久性設(shè)計方法與壽命預(yù)計PPT課件

1、一、目的與意義u 國家需求大u 發(fā)展歷史短u 問題日益突出第1頁/共33頁城市可持續(xù)發(fā)展的重大需求軌道交通 城市發(fā)展現(xiàn)代化和城市增長的基本要素n克服既有交通系統(tǒng)發(fā)展的不可持續(xù)性克服既有交通系統(tǒng)發(fā)展的不可持續(xù)性n從根本上改善人居環(huán)境質(zhì)量從根本上改善人居環(huán)境質(zhì)量n提升城市的綜合能力和市場競爭能力提升城市的綜合能力和市場競爭能力第2頁/共33頁城市安全運轉(zhuǎn)的重要組成軌道交通城市重要交通命脈n一旦城市軌道交通的任一節(jié)點出現(xiàn)問題，將波及整個交通網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而造成城市交通系統(tǒng)的癱瘓n城市敏感度高，社會關(guān)注度大第3頁/共33頁城市基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)管理的急劇需求n“五倍定律”，維護(hù)不及時，將導(dǎo)致服役期結(jié)構(gòu)維護(hù)費用是土

2、木建造費用的5倍級數(shù)增長。nASCE報告“2025年土木工程遠(yuǎn)景規(guī)劃實施綱要”指出：未來土木工程面臨的問題是維護(hù)和改善基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)土木工程的可持續(xù)發(fā)展。軌道交通從建設(shè)為主向“建管養(yǎng)運”并重轉(zhuǎn)變第4頁/共33頁典型案例分析事故過程：n2009年12月22日，1號線因碳纖維修補材料脫落造成短路，誘發(fā)兩車碰撞事故n1號線全線癱瘓，16萬人受困于地鐵四小時，數(shù)百萬人出行受阻上海地鐵一號線事故地鐵事故多發(fā)，近4成人安全感下降新聞晨報第5頁/共33頁 揭示潛在的危險 延長結(jié)構(gòu)的使用壽命 降低經(jīng)濟(jì)損失 避免不必要的人員傷亡 完善新建工程耐久性設(shè)計理論和方法 降低結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本 減輕因耐久性失效造成的

3、嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題一、目的與意義為我國建設(shè)以人為本的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的和諧社會提供技術(shù)保障節(jié)能減排環(huán)境保護(hù)節(jié)約資源襯砌混凝土耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計課題意義重大第6頁/共33頁一、目的與意義技術(shù)原則: 耐久性、適用性及安全性。重 要 性: 支配著結(jié)構(gòu)的“健康”和“壽命”。19世紀(jì)40年代，法國工程師維卡對海洋環(huán)境中水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂漿性能進(jìn)行了研究20世紀(jì)早中葉后，隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用以及使用過程中問題的暴露，掀起了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的熱潮，并一直延續(xù)至今，在理論研究、試驗方法、工程應(yīng)用等方面均取得了極大豐富的研究成果由于問題本身的復(fù)雜性、地域變異性以及

4、時域的廣度性，研究成果仍難以推廣應(yīng)用，特別是在地下工程中，由于工程本身所處的環(huán)境差異，以地面建筑和環(huán)境為基礎(chǔ)的混凝土耐久性研究成果難以直接應(yīng)用到地下工程中，因此，耐久性問題在地下工程中的研究仍處于起步階段第7頁/共33頁一、目的與意義破壞原因鋼筋銹蝕氯離子侵蝕Mehta教授指出：“當(dāng)今世界，混凝土破壞原因按重要性遞降順序排列是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”。依托課題：國家重點基礎(chǔ)研究計劃（973:2011CB13800）課 題 二：地下結(jié)構(gòu)性能與環(huán)境耦合作用機(jī)制第8頁/共33頁混凝土耐久性的定義及界定標(biāo)準(zhǔn)匯 報 提 綱目的與意義環(huán)境時間相似理論氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與

5、分析模型二一三四盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計五結(jié)語六第9頁/共33頁二、混凝土耐久性的定義及界定標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性：界定尚不明確，仍是一個模糊籠統(tǒng)的定義廣義混凝土耐久性定義狹義混凝土耐久性定義與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的三大原則耐久性、適用性和安全性一一相對應(yīng)，且全面包括了三大原則嚴(yán)格意義上的耐久性概念應(yīng)是針對工程設(shè)計三大原則中的“耐久性”，而不應(yīng)包括適用性和安全性第10頁/共33頁二、混凝土耐久性的定義及界定標(biāo)準(zhǔn)耐久性極限狀態(tài)，應(yīng)是指整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的耐久性要求。以氯離子侵蝕為例氯離子侵蝕到鋼筋表面，達(dá)到鋼筋銹蝕的臨界值，引起鋼筋開始銹蝕時，為地下結(jié)構(gòu)

6、混凝土耐久性極限狀態(tài)，達(dá)到這種狀態(tài)所需要經(jīng)歷的時間為地下結(jié)構(gòu)混凝土耐久性壽命。結(jié)構(gòu)承載能力鋼筋銹蝕程度安全性適用性耐久性承載能力壽命正常使用壽命耐久性壽命承載能力降低至限值裂縫發(fā)展至限值混凝土保護(hù)層開裂鋼筋脫鈍tttt第11頁/共33頁混凝土耐久性的定義及界定標(biāo)準(zhǔn)匯 報 提 綱目的與意義環(huán)境時間相似理論氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型二一三四盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計五結(jié)語六第12頁/共33頁三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型假定混凝土中的空隙分布是均勻的，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散為一維擴(kuò)散，濃度梯度僅沿混凝土表面至鋼筋方向變化，混凝土表面氯離子濃度恒定，并且混凝土為半無限空間

7、介質(zhì)，則可建立如圖2所示的分析模型。xjixjCCi擴(kuò)散區(qū)對流區(qū)圖2 氯離子侵入混凝土內(nèi)的分析模型（1）氯離子在混凝土中的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程第13頁/共33頁三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型00,1e r f2sxxCxtCCCD t （1）氯離子在混凝土中的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程=ddJCJxxxtCCDtxx通量之差 在數(shù)值上等于該體積內(nèi)離子總量的變化率，即：由Fick第一定律可得在一維條件下，有邊界條件和初始條件，通過拉普拉斯變換，可求得（2）式的解析解，即一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程：式（3）即為氯離子侵蝕作用下，混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子濃度的擴(kuò)散計算表達(dá)式混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測的基本依據(jù)（1）（2）（3

8、）第14頁/共33頁（2） 擴(kuò)散系數(shù)的確定及時變特征 擴(kuò)散系數(shù)是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)。擴(kuò)散系數(shù)粒子濃度溫度 內(nèi)在因素：毛細(xì)孔的物理特性、混凝土的材料組成、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的數(shù)量與特征、水化程度等 外在因素：濕度、養(yǎng)護(hù)齡期、摻合料種類、數(shù)量等三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型第15頁/共33頁（2） 擴(kuò)散系數(shù)的確定及時變特征 表觀擴(kuò)散系數(shù)考慮若干典型的影響因素，如表面氯離子濃度等，通過室內(nèi)模型試驗，測取深度與實測濃度關(guān)系，并利用Fick第二定律擬合的方法來確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)。1app,2app,12=ntDDtapp,2app,112lnlnDDnt t app2828=nDtDt app2

9、80.767=nDtDt 28app280.767,=0.767,nunuuDtTtDtDtTT（4）（5）（6）（7）取10auT 式（8）便可完整描述氯離子侵蝕環(huán)境下，表觀擴(kuò)散系數(shù)的時變特征于是（8）三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型第16頁/共33頁（3）對流區(qū)深度的確定三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型對流區(qū)深度通常不大，且與混凝土結(jié)構(gòu)所處的外界環(huán)境息息相關(guān)，若外界環(huán)境一定時，則對流區(qū)深度可認(rèn)為為一定值，且不隨時間變化。故實際計算過程中，可通過氯離子濃度與深度曲線求得。對流是指離子隨溶液發(fā)生整體遷移的現(xiàn)象，是由于空隙液 在壓力、毛細(xì)吸附力以及電場作用力下發(fā)生的定向滲流。第17頁

10、/共33頁（4）氯離子濃度的確定三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型擴(kuò)散是由離子濃度差造成的傳質(zhì)過程，表面氯離子濃度越高，擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部的氯離子越多，經(jīng)歷的時間也越短。 適合水下區(qū)結(jié)構(gòu)物氯離子表面濃度的時變特性：,bcrxbcrcratttCattt（9） 混凝土內(nèi)的初始氯離子濃度 ，通過大量的測定，對于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子含量通常小于混凝土質(zhì)量的0.003%，可近似為0，于是式（3）可寫為：,1erf2sxxCx tCD t （10）0C第18頁/共33頁（5）鋼筋脫鈍氯離子濃度臨界值三、氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型影響因素十分復(fù)雜！鋼筋表面的臨界氯離子濃度，一般可取為水泥的質(zhì)量

11、的0.4%或混凝土質(zhì)量的0.05%主要包括水泥用量、環(huán)境條件、氧氣供應(yīng)量、摻合料用量和混凝土實際堿度情況以及剛勁類型、鋼筋銹蝕檢測判斷方法等。第19頁/共33頁混凝土耐久性的定義及界定標(biāo)準(zhǔn)匯 報 提 綱簡述環(huán)境時間相似理論氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型二一三四盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計五結(jié)語六第20頁/共33頁四、環(huán)境時間相似理論圖3 多重環(huán)境時間相似理論（METS）基本原理圖多重環(huán)境時間相似理論選取與研究對象具有相同或相似環(huán)境且具有一定使用年限的參照物，通過對參照物進(jìn)行現(xiàn)場檢測試驗以及與參照物對應(yīng)的模型進(jìn)行加速試驗研究，建立參照物在現(xiàn)場與室內(nèi)加速環(huán)境劣化的時間相似關(guān)系。第21

12、頁/共33頁（1）表觀擴(kuò)散系數(shù)的相似性室內(nèi)人工環(huán)境加速試驗通常是通過改變試驗溫度、溶液濃度等環(huán)境條件，使離子在混凝土中的傳輸速度比現(xiàn)場實際環(huán)境更快，而傳輸機(jī)制的復(fù)雜性，使得兩個環(huán)境之間的擴(kuò)散系數(shù)并不成對應(yīng)的線性比例關(guān)系。 afappappDDtDt四、環(huán)境時間相似理論濃度的提高一定程度上提高了表面氯離子濃度，但表面氯離子濃度不僅受到混凝土內(nèi)部孔隙的飽和度、干濕循環(huán)比例以及混凝土表面的蒸發(fā)速率等因素的影響，因而不同環(huán)境表面氯離子濃度的相似關(guān)系亦不是簡單的溶液濃度倍數(shù)關(guān)系。afCxxCC（2）表面氯離子濃度的相似性第22頁/共33頁（3）基于環(huán)境時間相似理論的耐久性試驗方法 通過研究對象的現(xiàn)場暴露

13、和室內(nèi)加速試驗，建立研究對象實際所處環(huán)境與實驗室環(huán)境的相似關(guān)系。環(huán)境時間相似理論收集研究對象的材料參數(shù)、環(huán)境參數(shù)求得相應(yīng)的耐久性指標(biāo)制作現(xiàn)場暴露和室內(nèi)加速試驗試件試件編號，置于兩種環(huán)境中，進(jìn)行侵蝕，得到一系列測試值求表觀擴(kuò)散系數(shù)與表面氯離子濃度及其相似率四、環(huán)境時間相似理論第23頁/共33頁（3）基于環(huán)境時間相似理論的耐久性試驗方法四、環(huán)境時間相似理論1345678129101413111516172315101112131416761專利說明書人工環(huán)境模擬試驗裝置第24頁/共33頁（3）基于環(huán)境時間相似理論的耐久性試驗方法四、環(huán)境時間相似理論試驗實景第25頁/共33頁混凝土耐久性的定義及界定

14、標(biāo)準(zhǔn)匯 報 提 綱目的與意義環(huán)境時間相似理論氯離子在混凝土內(nèi)遷移機(jī)制與分析模型二一三四盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計五結(jié)語六第26頁/共33頁（1）盾構(gòu)隧道襯砌混凝土耐久性設(shè)計方法工藝層次：通過對鋼筋表面進(jìn)行防腐涂層處理，提高鋼筋的防腐能力，延遲鋼筋銹蝕時間。五、盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計材料層次：通過選擇混凝土組成材料，添加粉煤灰等摻合料，優(yōu)化設(shè)計個 材料組分，特別是水灰比，從而增強混凝土的抗?jié)B性能，降低氯離子的擴(kuò)散速率，達(dá)到提高混凝土耐久性的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計：通過加大混凝土的鋼筋保護(hù)層厚度，從而盡量延長氯離子侵蝕至鋼筋表面的時間，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。第27頁/共33頁

15、（1）盾構(gòu)隧道襯砌混凝土耐久性設(shè)計方法 氯離子侵蝕環(huán)境條件下，混凝土結(jié)構(gòu)氯離子侵蝕擴(kuò)散機(jī)制滿足以下方程：五、盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計CCDtxx28280.0767,0.0767,nunuuDtTtDDtTT,bcrbcrcratttCattt（13），（15）（14）， 可根據(jù)式（13）式（15）求得結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)的最小鋼筋保護(hù)層厚度 ： 1app=2erf1csChDT TxCT（16）第28頁/共33頁（2）盾構(gòu)隧道襯砌混凝土耐久性壽命預(yù)計以Fick第二定律，可得到氯離子侵蝕至鋼筋表面并累計達(dá)到鋼筋臨界銹蝕濃度所需要經(jīng)歷的時間 。五、盾構(gòu)隧道混凝土襯砌耐久性設(shè)計與壽命預(yù)計LCT 2LCappLC1LC2erf1cshxTDTCCT（17）則結(jié)構(gòu)的剩余耐久性壽命 ：RLTRLLCULTTT（18）即為既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性剩余壽命預(yù)計計算公式。第29頁/共33頁混凝土耐