基本信息
- 项目名称：
- 浪溅区环境下混凝土的梯度设计理论与试验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题依托浙江省新苗人才计划《浪溅区混凝土的梯度设计理论及其试验研究》、《海洋环境下混凝土结构表面涂装的耐久性研究》，将功能梯度材料概念引入混凝土设计中，提出混凝土的梯度结构设计理念，并对梯度结构混凝土的关键技术（GSC的复合工艺、表层硅烷浸渍工艺）问题开展研究。最后，采取加速试验评价浪溅环境下梯度结构混凝土的耐久性防护效能，其研究成果对于延长海洋工程的寿命具有重要意义。
- 详细介绍：
- 随着《浙江海洋经济发展示范区规划》的正式批复，以及《浙江沿海及海岛综合开发战略研究综合报告》中综合开发战略思路的提出，势必带动海洋基础设施建设的又一热潮。由于这些基础设施仍然广泛采用混凝土结构，故沿海工程混凝土结构耐久性问题尤为突出，据调查：普遍在其投入使用10~15年后就出现严重的腐蚀、损伤和破坏。由《中国腐蚀调查报告》一文又可知：因钢筋锈蚀引起混凝土结构破坏的所造成的直接经济损失高达1000亿元/年。此外，混凝土结构需耗用巨量钢材、混凝土原材料，约占全球40%的资源、能源并排放大量的温室气体（生产1吨水泥熟料排放0.815吨CO2、0.74kgSO2、1.15kgNOx）。 可见，在即将进入建设高峰期时，全面提升基础设施耐久性和延长使用寿命，无论从保障其运行质量、提高投资效益、节能减排，还是发展低碳经济都有显著效益。 目前针对耐久性问题，工程中一般采取 “以防为主”的措施，如：硅烷浸渍、可控渗透模板等，但这些措施或因造价高在经济上受到制约，或因改善区域有限，以致总体上收效不大。 事实上，浪溅环境下混凝土结构过早破坏的主要原因是外界环境中腐蚀介质通过混凝土保护层向内部迁移扩散，随之在内部发生各种物理化学反应而导致的，而多种破坏因素的交互作用，如：海水压力、温湿交变、海浪冲击、流沙磨蚀及船舶的偶然撞击，又加速了结构破坏的进程；从工程案例分析，绝大部分混凝土结构工程的失效不是整体耐久性不足，而是局部位置最先劣化而引起结构的整体功能失效；此外，在混凝土浇筑成型时，因材料密度差异、振捣不均以及与外界环境直接接触，导致混凝土保护层质量劣于内部，成为最先、最易劣化的局部位置。可见混凝土结构耐久性很大程度取决于混凝土保护层质量，应对其保护层进行主动增强来提高海洋工程的服役寿命。 上世纪90年代中期，日本的新野正之等人提出梯度功能材料概念——材料组成、结构和物性参数沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续或分段变化的非匀质材料。近年来，国内外也有不少学者将梯度组合设计理念应用于混凝土的设计及制备中。Maalej等将延性纤维增强水泥基材料引入到钢筋混凝土梁的制备中, 研发了具有梯度功能的混凝土梁。杨久俊等进行了水泥基梯度复合材料的制备研究，并进一步研究了钢纤维、碳纤维、玻璃纤维以及活性集料等梯度分布对混凝土综合使用性能的影响效应，徐世烺等开展了超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能试验研究，马保国等]此基础上提出混凝土功能结构材料的复合设计理念，实现了混凝土结构的特殊性能要求。因此针对海洋环境下混凝土耐久性问题严重，本项目提出混凝土梯度结构设计新理念，即：对混凝土进行分层设计，实现结构与功能的分离与统一，并进行试验研究梯度结构混凝土复合工艺、硅烷浸渍工艺、内部环境中Cl-含量的影响规律，最后通过自行设计的加速试验对浪溅环境下梯度结构混凝土的耐久性防护进行评价，以提升海洋工程耐久性防护。
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撰写目的和基本思路
- 目的：全面提升基础设施耐久性，延长使用寿命，以保障工程运行质量、提高投资效益及节能减排。 基本思路：基于混凝土结构耐久性很大程度取决于混凝土保护层质量，应对混凝土保护层进行主动增强来提高，提出混凝土的梯度结构设计原理，并开展梯度结构混凝土制备的关键技术（GSC的复合、表层硅烷浸渍工艺）的研究，最后通过测试试件内部Cl-含量及钢筋锈蚀程度对该环境下梯度结构混凝土的耐久性防护进行评价。
科学性、先进性及独特之处
- 对浙东海洋气候进行调研，突破传统的防护措施，提出海洋工程耐久性防护的新理念——混凝土梯度结构设计。并研究了复合工艺和硅烷浸渍工艺在梯度结构混凝土体系制备中的应用。通过在界面处不同振捣时间的控制，硅烷浸渍中养生时间及基层处理方式的选择得出最佳的GSC制备工艺。最后测试梯度结构混凝土内部氯离子变化规律，并采用自行设计的电化学加速试验以评价梯度结构混凝土的耐久性防护效能
应用价值和现实意义
- 提高基础设施建设的耐久性，可以减少资源、能源的消耗以及减少经济的损失，使我省乃至我国充分利用有限的资源、能源去快速发展其他产业，从而促进经济的健康发展及实现十二五的节能减排战略目标。而本项目针对海洋工程耐久性问题，提出混凝土的梯度设计理论，并进行试验研究，为海洋工程耐久性防护提供了新的理念和相关资料。因此，该项目的研究具有良好的经济效益和社会效益。
学术论文摘要
- 本项目通过对浪溅环境下混凝土梯度设计理论与试验研究，了解梯度结构混凝土保护层材料、硅烷涂布量、施工工艺等对其抗压性能、氯离子含量的影响规律及硅烷浸渍的环境适应性，并采取电化学加速试验研究其防护效能。本项目主要结论如下： 一、将功能梯度材料概念引入混凝土设计中，兼顾经济效益，提出混凝土的梯度结构设计原理（GSC设计原理）。 二、基于GSC界面问题，课题整合现有的振动沉模技术，提出振动拔板法的复合工艺。并对硅烷浸渍工艺进行研究，得出养生时间至少3d，基层处理方式采用自然晾干。 三、耐久性防护评价 通过测试梯度结构混凝土内部氯离子变化规律，并采用自行设计的电化学加速试验以评价梯度结构混凝土的耐久性防护效能。得到以下结论： 在梯度结构体系里保护层厚度一定时，其氯离子含量随硅烷涂布量的增加而降低；保护层材料（相同硅烷涂布量）一定时，同一深处水溶性氯离子含量均随保护层厚度的增加而降低。并且梯度结构体系内部氯离子含量小于纯结构层体系以及内部钢筋锈蚀程度大小依次为：纯结构层体系＞梯度结构体系＞纯保护层体系。
获奖情况
- （1）于November-December 2010在ACI Materials Journal杂志上发表一篇文章“Design and Research on Gradient Structure Concrete Based on Volumetric Stabilization” （SCI检索） （2）于EEAE2011国际会议上发表一篇文章“Preparation and Properties of Gradient Structure Concrete Member” （EI会议） （3）于《解放军理工大学学报（自然科学版）》上发表一篇文章“结构参数变化下梯度结构混凝土的抗压性能” （EI源刊） （4）于EEAE2011国际会议上发表一篇文章“Process parameters on silane protection for concrete in salt environment” （EI会议）
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1] 柯伟. 中国腐蚀调查报告[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003,10 [2] 唐明述. 节能减排应重视提高基建工程寿命[A]. 建材工业节能减排和混凝土耐久性报告会论文集[C]. 南京, 2007,09 [3] Maalej M, Ahmed S F U, Paramasivam P. Corrosion durability and structural response of functionally – graded concrete Beams [J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2003, 1( 3): 307- 316 [4] Maalej M. Engineered cementitious composites and functionally- graded concrete [J]. Civil Engineering Newsletter, 2003, 13(3): 4 [5] Yang Jiu-jun, Hai Ran, Dong Yan-ling, et al. Effect of the component and fiber gradient distributions on the strength of cement-based composite materials [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Materials Science), 2003, 18(2) [6] 杨久俊, 董延玲, 林伦, 等. 连续相组分梯度分布对水泥基材料力学性能的影响[J]. 硅酸盐学报，2004，32(10) [7] 李庆华，徐世烺. 超高韧性复合材料控裂功能梯度复合梁弯曲性能试验研究. 中国科学E辑：技术科学，2009,39(8):1391—1406 [8] 马保国, 董荣珍, 朱洪波. 饰面混凝土的结构设计与性能调控[ J]. 硅酸盐学报, 2004, 32 ( 3): 346-350 [9] 金伟良，延永东，王海龙. 氯离子在受荷混凝土内的传输研究进展[ J]. 硅酸盐学报, 2010, 10
同类课题研究水平概述
- 目前，保护层强化措施主要有：①增加保护层厚度。结构的耐久性寿命与保护层厚度的平方成正比关系，但是保护层厚度的增加具有一定限度。当过厚时，将减小构筑物的截面受压区高度，降低结构承载力；同时过厚时也容易引起开裂，反而使腐蚀介质更易侵入，达不到预期目的。②通过提高整体混凝土性能来强化保护层，如：海工专用水泥、降低水胶比、纤维增强、聚合物改性、钢筋阻锈剂。但对体积巨大，混凝土用量大的海洋混凝土结构来讲，往往增加成本，对钢筋关键区域的针对性不强，也难以获得理想的效果。③混凝土结构表面涂层、浸渍强化保护层。表面涂层在海水冲击、干湿循环、紫外线作用下，涂层易发生鼓泡、龟裂和剥落，局部还出现腐蚀加重。因而在工业大气、海洋环境中的大量钢筋混凝土结构中，表面防护涂层或因自身耐久性不足、或因造价太高、施工不便等，使其应用受到一定限制。表面浸渍是一种经济有效的防腐措施，但往往渗透深度只能达3~8mm，容易受到泥砂和海浪等磨损使得所形成的连续憎水膜失效。④使用渗透模板改善混凝土表层。通过排出多余的水分和气体，形成致密的表面硬化层，使表层混凝土的抗渗性、抗碳化及护筋性得到显著改善，但其改善的区域仅限于一定范围（如：表层），且对抵抗海浪冲击及船舶的偶然撞击的破坏能力改善作用不大。 上述方法或不具普适性，满足不了不同环境条件、不同部位的需要，或因造价大幅度增加在经济上受到制约，或改善区域有限，以致总体上收效不大。近年来，研究人员提出在海洋环境直接接触的混凝土构件表面粘贴或包覆复合材料进行保护，如：FRP；也有采用FRP、纤维增强水泥基复合材料预制成永久模板，再在永久模板上浇筑混凝土，使两者共同构成结构构件。此方法不仅延缓腐蚀介质向混凝土内部扩散的进程，也可阻止海洋环境对混凝土构件的破坏，且在有效提高耐久性的同时，造价相对整体使用高性能混凝土也得到大幅度的降低；然而受环境的影响，包覆保护材料（永久模板）与混凝土易发生变形不一致，在粘结面出现应力集中，易在界面处出现剪切破坏，使得外侧的包覆保护（永久模板）如同虚设。 上世纪90年代中期，日本的新野正之等人提出梯度功能材料的概念，其中心思想是材料的组成、结构和物性参数在空间上或一个方向连续或分段变化的非匀质材料，物性参数的渐变有效的缓和热应力，同时克服界面结合差的缺陷。因此本论文提出混凝土结构耐久性防护新理念——梯度结构混凝土。
