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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 浪濺區(qū)環(huán)境下混凝土的梯度設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 本課題依托浙江省新苗人才計(jì)劃《浪濺區(qū)混凝土的梯度設(shè)計(jì)理論及其試驗(yàn)研究》、《海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)表面涂裝的耐久性研究》，將功能梯度材料概念引入混凝土設(shè)計(jì)中，提出混凝土的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，并對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土的關(guān)鍵技術(shù)（GSC的復(fù)合工藝、表層硅烷浸漬工藝）問(wèn)題開(kāi)展研究。最后，采取加速試驗(yàn)評(píng)價(jià)浪濺環(huán)境下梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性防護(hù)效能，其研究成果對(duì)于延長(zhǎng)海洋工程的壽命具有重要意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著《浙江海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū)規(guī)劃》的正式批復(fù)，以及《浙江沿海及海島綜合開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告》中綜合開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略思路的提出，勢(shì)必帶動(dòng)海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的又一熱潮。由于這些基礎(chǔ)設(shè)施仍然廣泛采用混凝土結(jié)構(gòu)，故沿海工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題尤為突出，據(jù)調(diào)查：普遍在其投入使用10~15年后就出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕、損傷和破壞。由《中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告》一文又可知：因鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1000億元/年。此外，混凝土結(jié)構(gòu)需耗用巨量鋼材、混凝土原材料，約占全球40%的資源、能源并排放大量的溫室氣體（生產(chǎn)1噸水泥熟料排放0.815噸CO2、0.74kgSO2、1.15kgNOx）。 可見(jiàn)，在即將進(jìn)入建設(shè)高峰期時(shí)，全面提升基礎(chǔ)設(shè)施耐久性和延長(zhǎng)使用壽命，無(wú)論從保障其運(yùn)行質(zhì)量、提高投資效益、節(jié)能減排，還是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)都有顯著效益。 目前針對(duì)耐久性問(wèn)題，工程中一般采取 “以防為主”的措施，如：硅烷浸漬、可控滲透模板等，但這些措施或因造價(jià)高在經(jīng)濟(jì)上受到制約，或因改善區(qū)域有限，以致總體上收效不大。 事實(shí)上，浪濺環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞的主要原因是外界環(huán)境中腐蝕介質(zhì)通過(guò)混凝土保護(hù)層向內(nèi)部遷移擴(kuò)散，隨之在內(nèi)部發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的，而多種破壞因素的交互作用，如：海水壓力、溫濕交變、海浪沖擊、流沙磨蝕及船舶的偶然撞擊，又加速了結(jié)構(gòu)破壞的進(jìn)程；從工程案例分析，絕大部分混凝土結(jié)構(gòu)工程的失效不是整體耐久性不足，而是局部位置最先劣化而引起結(jié)構(gòu)的整體功能失效；此外，在混凝土澆筑成型時(shí)，因材料密度差異、振搗不均以及與外界環(huán)境直接接觸，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層質(zhì)量劣于內(nèi)部，成為最先、最易劣化的局部位置?？梢?jiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性很大程度取決于混凝土保護(hù)層質(zhì)量，應(yīng)對(duì)其保護(hù)層進(jìn)行主動(dòng)增強(qiáng)來(lái)提高海洋工程的服役壽命。 上世紀(jì)90年代中期，日本的新野正之等人提出梯度功能材料概念——材料組成、結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)沿厚度方向由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)或分段變化的非勻質(zhì)材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者將梯度組合設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于混凝土的設(shè)計(jì)及制備中。Maalej等將延性纖維增強(qiáng)水泥基材料引入到鋼筋混凝土梁的制備中, 研發(fā)了具有梯度功能的混凝土梁。楊久俊等進(jìn)行了水泥基梯度復(fù)合材料的制備研究，并進(jìn)一步研究了鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維以及活性集料等梯度分布對(duì)混凝土綜合使用性能的影響效應(yīng)，徐世烺等開(kāi)展了超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁彎曲性能試驗(yàn)研究，馬保國(guó)等]此基礎(chǔ)上提出混凝土功能結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性能要求。因此針對(duì)海洋環(huán)境下混凝土耐久性問(wèn)題嚴(yán)重，本項(xiàng)目提出混凝土梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念，即：對(duì)混凝土進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的分離與統(tǒng)一，并進(jìn)行試驗(yàn)研究梯度結(jié)構(gòu)混凝土復(fù)合工藝、硅烷浸漬工藝、內(nèi)部環(huán)境中Cl-含量的影響規(guī)律，最后通過(guò)自行設(shè)計(jì)的加速試驗(yàn)對(duì)浪濺環(huán)境下梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性防護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以提升海洋工程耐久性防護(hù)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 目的：全面提升基礎(chǔ)設(shè)施耐久性，延長(zhǎng)使用壽命，以保障工程運(yùn)行質(zhì)量、提高投資效益及節(jié)能減排。 基本思路：基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性很大程度取決于混凝土保護(hù)層質(zhì)量，應(yīng)對(duì)混凝土保護(hù)層進(jìn)行主動(dòng)增強(qiáng)來(lái)提高，提出混凝土的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，并開(kāi)展梯度結(jié)構(gòu)混凝土制備的關(guān)鍵技術(shù)（GSC的復(fù)合、表層硅烷浸漬工藝）的研究，最后通過(guò)測(cè)試試件內(nèi)部Cl-含量及鋼筋銹蝕程度對(duì)該環(huán)境下梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性防護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 對(duì)浙東海洋氣候進(jìn)行調(diào)研，突破傳統(tǒng)的防護(hù)措施，提出海洋工程耐久性防護(hù)的新理念——混凝土梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并研究了復(fù)合工藝和硅烷浸漬工藝在梯度結(jié)構(gòu)混凝土體系制備中的應(yīng)用。通過(guò)在界面處不同振搗時(shí)間的控制，硅烷浸漬中養(yǎng)生時(shí)間及基層處理方式的選擇得出最佳的GSC制備工藝。最后測(cè)試梯度結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部氯離子變化規(guī)律，并采用自行設(shè)計(jì)的電化學(xué)加速試驗(yàn)以評(píng)價(jià)梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性防護(hù)效能
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 提高基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的耐久性，可以減少資源、能源的消耗以及減少經(jīng)濟(jì)的損失，使我省乃至我國(guó)充分利用有限的資源、能源去快速發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展及實(shí)現(xiàn)十二五的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)。而本項(xiàng)目針對(duì)海洋工程耐久性問(wèn)題，提出混凝土的梯度設(shè)計(jì)理論，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，為海洋工程耐久性防護(hù)提供了新的理念和相關(guān)資料。因此，該項(xiàng)目的研究具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)浪濺環(huán)境下混凝土梯度設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)研究，了解梯度結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層材料、硅烷涂布量、施工工藝等對(duì)其抗壓性能、氯離子含量的影響規(guī)律及硅烷浸漬的環(huán)境適應(yīng)性，并采取電化學(xué)加速試驗(yàn)研究其防護(hù)效能。本項(xiàng)目主要結(jié)論如下： 一、將功能梯度材料概念引入混凝土設(shè)計(jì)中，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，提出混凝土的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（GSC設(shè)計(jì)原理）。 二、基于GSC界面問(wèn)題，課題整合現(xiàn)有的振動(dòng)沉模技術(shù)，提出振動(dòng)拔板法的復(fù)合工藝。并對(duì)硅烷浸漬工藝進(jìn)行研究，得出養(yǎng)生時(shí)間至少3d，基層處理方式采用自然晾干。 三、耐久性防護(hù)評(píng)價(jià) 通過(guò)測(cè)試梯度結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部氯離子變化規(guī)律，并采用自行設(shè)計(jì)的電化學(xué)加速試驗(yàn)以評(píng)價(jià)梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性防護(hù)效能。得到以下結(jié)論： 在梯度結(jié)構(gòu)體系里保護(hù)層厚度一定時(shí)，其氯離子含量隨硅烷涂布量的增加而降低；保護(hù)層材料（相同硅烷涂布量）一定時(shí)，同一深處水溶性氯離子含量均隨保護(hù)層厚度的增加而降低。并且梯度結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部氯離子含量小于純結(jié)構(gòu)層體系以及內(nèi)部鋼筋銹蝕程度大小依次為：純結(jié)構(gòu)層體系＞梯度結(jié)構(gòu)體系＞純保護(hù)層體系。
獲獎(jiǎng)情況
- （1）于November-December 2010在ACI Materials Journal雜志上發(fā)表一篇文章“Design and Research on Gradient Structure Concrete Based on Volumetric Stabilization” （SCI檢索） （2）于EEAE2011國(guó)際會(huì)議上發(fā)表一篇文章“Preparation and Properties of Gradient Structure Concrete Member” （EI會(huì)議） （3）于《解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》上發(fā)表一篇文章“結(jié)構(gòu)參數(shù)變化下梯度結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓性能” （EI源刊） （4）于EEAE2011國(guó)際會(huì)議上發(fā)表一篇文章“Process parameters on silane protection for concrete in salt environment” （EI會(huì)議）
鑒定結(jié)果
- 情況屬實(shí)
參考文獻(xiàn)
- [1] 柯偉. 中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003,10 [2] 唐明述. 節(jié)能減排應(yīng)重視提高基建工程壽命[A]. 建材工業(yè)節(jié)能減排和混凝土耐久性報(bào)告會(huì)論文集[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] 楊久俊, 董延玲, 林倫, 等. 連續(xù)相組分梯度分布對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2004，32(10) [7] 李慶華，徐世烺. 超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁彎曲性能試驗(yàn)研究. 中國(guó)科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué)，2009,39(8):1391—1406 [8] 馬保國(guó), 董榮珍, 朱洪波. 飾面混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控[ J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2004, 32 ( 3): 346-350 [9] 金偉良，延永東，王海龍. 氯離子在受荷混凝土內(nèi)的傳輸研究進(jìn)展[ J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2010, 10
同類(lèi)課題研究水平概述
- 目前，保護(hù)層強(qiáng)化措施主要有：①增加保護(hù)層厚度。結(jié)構(gòu)的耐久性壽命與保護(hù)層厚度的平方成正比關(guān)系，但是保護(hù)層厚度的增加具有一定限度。當(dāng)過(guò)厚時(shí)，將減小構(gòu)筑物的截面受壓區(qū)高度，降低結(jié)構(gòu)承載力；同時(shí)過(guò)厚時(shí)也容易引起開(kāi)裂，反而使腐蝕介質(zhì)更易侵入，達(dá)不到預(yù)期目的。②通過(guò)提高整體混凝土性能來(lái)強(qiáng)化保護(hù)層，如：海工專(zhuān)用水泥、降低水膠比、纖維增強(qiáng)、聚合物改性、鋼筋阻銹劑。但對(duì)體積巨大，混凝土用量大的海洋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)講，往往增加成本，對(duì)鋼筋關(guān)鍵區(qū)域的針對(duì)性不強(qiáng)，也難以獲得理想的效果。③混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層、浸漬強(qiáng)化保護(hù)層。表面涂層在海水沖擊、干濕循環(huán)、紫外線作用下，涂層易發(fā)生鼓泡、龜裂和剝落，局部還出現(xiàn)腐蝕加重。因而在工業(yè)大氣、海洋環(huán)境中的大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，表面防護(hù)涂層或因自身耐久性不足、或因造價(jià)太高、施工不便等，使其應(yīng)用受到一定限制。表面浸漬是一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施，但往往滲透深度只能達(dá)3~8mm，容易受到泥砂和海浪等磨損使得所形成的連續(xù)憎水膜失效。④使用滲透模板改善混凝土表層。通過(guò)排出多余的水分和氣體，形成致密的表面硬化層，使表層混凝土的抗?jié)B性、抗碳化及護(hù)筋性得到顯著改善，但其改善的區(qū)域僅限于一定范圍（如：表層），且對(duì)抵抗海浪沖擊及船舶的偶然撞擊的破壞能力改善作用不大。 上述方法或不具普適性，滿(mǎn)足不了不同環(huán)境條件、不同部位的需要，或因造價(jià)大幅度增加在經(jīng)濟(jì)上受到制約，或改善區(qū)域有限，以致總體上收效不大。近年來(lái)，研究人員提出在海洋環(huán)境直接接觸的混凝土構(gòu)件表面粘貼或包覆復(fù)合材料進(jìn)行保護(hù)，如：FRP；也有采用FRP、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料預(yù)制成永久模板，再在永久模板上澆筑混凝土，使兩者共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)構(gòu)件。此方法不僅延緩腐蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的進(jìn)程，也可阻止海洋環(huán)境對(duì)混凝土構(gòu)件的破壞，且在有效提高耐久性的同時(shí)，造價(jià)相對(duì)整體使用高性能混凝土也得到大幅度的降低；然而受環(huán)境的影響，包覆保護(hù)材料（永久模板）與混凝土易發(fā)生變形不一致，在粘結(jié)面出現(xiàn)應(yīng)力集中，易在界面處出現(xiàn)剪切破壞，使得外側(cè)的包覆保護(hù)（永久模板）如同虛設(shè)。 上世紀(jì)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組成、結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)在空間上或一個(gè)方向連續(xù)或分段變化的非勻質(zhì)材料，物性參數(shù)的漸變有效的緩和熱應(yīng)力，同時(shí)克服界面結(jié)合差的缺陷。因此本論文提出混凝土結(jié)構(gòu)耐久性防護(hù)新理念——梯度結(jié)構(gòu)混凝土。
