基本信息
- 項目名稱：
- 浪濺區(qū)環(huán)境下混凝土的梯度設計理論與試驗研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本課題依托浙江省新苗人才計劃《浪濺區(qū)混凝土的梯度設計理論及其試驗研究》、《海洋環(huán)境下混凝土結構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計中，提出混凝土的梯度結構設計理念，并對梯度結構混凝土的關鍵技術（GSC的復合工藝、表層硅烷浸漬工藝）問題開展研究。最后，采取加速試驗評價浪濺環(huán)境下梯度結構混凝土的耐久性防護效能，其研究成果對于延長海洋工程的壽命具有重要意義。
- 詳細介紹：
- 隨著《浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)規(guī)劃》的正式批復，以及《浙江沿海及海島綜合開發(fā)戰(zhàn)略研究綜合報告》中綜合開發(fā)戰(zhàn)略思路的提出，勢必帶動海洋基礎設施建設的又一熱潮。由于這些基礎設施仍然廣泛采用混凝土結構，故沿海工程混凝土結構耐久性問題尤為突出，據(jù)調查：普遍在其投入使用10~15年后就出現(xiàn)嚴重的腐蝕、損傷和破壞。由《中國腐蝕調查報告》一文又可知：因鋼筋銹蝕引起混凝土結構破壞的所造成的直接經(jīng)濟損失高達1000億元/年。此外，混凝土結構需耗用巨量鋼材、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，在即將進入建設高峰期時，全面提升基礎設施耐久性和延長使用壽命，無論從保障其運行質量、提高投資效益、節(jié)能減排，還是發(fā)展低碳經(jīng)濟都有顯著效益。 目前針對耐久性問題，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高在經(jīng)濟上受到制約，或因改善區(qū)域有限，以致總體上收效不大。 事實上，浪濺環(huán)境下混凝土結構過早破壞的主要原因是外界環(huán)境中腐蝕介質通過混凝土保護層向內(nèi)部遷移擴散，隨之在內(nèi)部發(fā)生各種物理化學反應而導致的，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，又加速了結構破壞的進程；從工程案例分析，絕大部分混凝土結構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構的整體功能失效；此外，在混凝土澆筑成型時，因材料密度差異、振搗不均以及與外界環(huán)境直接接觸，導致混凝土保護層質量劣于內(nèi)部，成為最先、最易劣化的局部位置?？梢娀炷两Y構耐久性很大程度取決于混凝土保護層質量，應對其保護層進行主動增強來提高海洋工程的服役壽命。 上世紀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、結構和物性參數(shù)沿厚度方向由一側向另一側呈連續(xù)或分段變化的非勻質材料。近年來，國內(nèi)外也有不少學者將梯度組合設計理念應用于混凝土的設計及制備中。Maalej等將延性纖維增強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。楊久俊等進行了水泥基梯度復合材料的制備研究，并進一步研究了鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維以及活性集料等梯度分布對混凝土綜合使用性能的影響效應，徐世烺等開展了超高韌性復合材料控裂功能梯度復合梁彎曲性能試驗研究，馬保國等]此基礎上提出混凝土功能結構材料的復合設計理念，實現(xiàn)了混凝土結構的特殊性能要求。因此針對海洋環(huán)境下混凝土耐久性問題嚴重，本項目提出混凝土梯度結構設計新理念，即：對混凝土進行分層設計，實現(xiàn)結構與功能的分離與統(tǒng)一，并進行試驗研究梯度結構混凝土復合工藝、硅烷浸漬工藝、內(nèi)部環(huán)境中Cl-含量的影響規(guī)律，最后通過自行設計的加速試驗對浪濺環(huán)境下梯度結構混凝土的耐久性防護進行評價，以提升海洋工程耐久性防護。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：全面提升基礎設施耐久性，延長使用壽命，以保障工程運行質量、提高投資效益及節(jié)能減排。 基本思路：基于混凝土結構耐久性很大程度取決于混凝土保護層質量，應對混凝土保護層進行主動增強來提高，提出混凝土的梯度結構設計原理，并開展梯度結構混凝土制備的關鍵技術（GSC的復合、表層硅烷浸漬工藝）的研究，最后通過測試試件內(nèi)部Cl-含量及鋼筋銹蝕程度對該環(huán)境下梯度結構混凝土的耐久性防護進行評價。
科學性、先進性及獨特之處
- 對浙東海洋氣候進行調研，突破傳統(tǒng)的防護措施，提出海洋工程耐久性防護的新理念——混凝土梯度結構設計。并研究了復合工藝和硅烷浸漬工藝在梯度結構混凝土體系制備中的應用。通過在界面處不同振搗時間的控制，硅烷浸漬中養(yǎng)生時間及基層處理方式的選擇得出最佳的GSC制備工藝。最后測試梯度結構混凝土內(nèi)部氯離子變化規(guī)律，并采用自行設計的電化學加速試驗以評價梯度結構混凝土的耐久性防護效能
應用價值和現(xiàn)實意義
- 提高基礎設施建設的耐久性，可以減少資源、能源的消耗以及減少經(jīng)濟的損失，使我省乃至我國充分利用有限的資源、能源去快速發(fā)展其他產(chǎn)業(yè)，從而促進經(jīng)濟的健康發(fā)展及實現(xiàn)十二五的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標。而本項目針對海洋工程耐久性問題，提出混凝土的梯度設計理論，并進行試驗研究，為海洋工程耐久性防護提供了新的理念和相關資料。因此，該項目的研究具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
學術論文摘要
- 本項目通過對浪濺環(huán)境下混凝土梯度設計理論與試驗研究，了解梯度結構混凝土保護層材料、硅烷涂布量、施工工藝等對其抗壓性能、氯離子含量的影響規(guī)律及硅烷浸漬的環(huán)境適應性，并采取電化學加速試驗研究其防護效能。本項目主要結論如下： 一、將功能梯度材料概念引入混凝土設計中，兼顧經(jīng)濟效益，提出混凝土的梯度結構設計原理（GSC設計原理）。 二、基于GSC界面問題，課題整合現(xiàn)有的振動沉模技術，提出振動拔板法的復合工藝。并對硅烷浸漬工藝進行研究，得出養(yǎng)生時間至少3d，基層處理方式采用自然晾干。 三、耐久性防護評價 通過測試梯度結構混凝土內(nèi)部氯離子變化規(guī)律，并采用自行設計的電化學加速試驗以評價梯度結構混凝土的耐久性防護效能。得到以下結論： 在梯度結構體系里保護層厚度一定時，其氯離子含量隨硅烷涂布量的增加而降低；保護層材料（相同硅烷涂布量）一定時，同一深處水溶性氯離子含量均隨保護層厚度的增加而降低。并且梯度結構體系內(nèi)部氯離子含量小于純結構層體系以及內(nèi)部鋼筋銹蝕程度大小依次為：純結構層體系＞梯度結構體系＞純保護層體系。
獲獎情況
- （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國際會議上發(fā)表一篇文章“Preparation and Properties of Gradient Structure Concrete Member” （EI會議） （3）于《解放軍理工大學學報（自然科學版）》上發(fā)表一篇文章“結構參數(shù)變化下梯度結構混凝土的抗壓性能” （EI源刊） （4）于EEAE2011國際會議上發(fā)表一篇文章“Process parameters on silane protection for concrete in salt environment” （EI會議）
鑒定結果
- 情況屬實
參考文獻
- [1] 柯偉. 中國腐蝕調查報告[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003,10 [2] 唐明述. 節(jié)能減排應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告會論文集[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)相組分梯度分布對水泥基材料力學性能的影響[J]. 硅酸鹽學報，2004，32(10) [7] 李慶華，徐世烺. 超高韌性復合材料控裂功能梯度復合梁彎曲性能試驗研究. 中國科學E輯：技術科學，2009,39(8):1391—1406 [8] 馬保國, 董榮珍, 朱洪波. 飾面混凝土的結構設計與性能調控[ J]. 硅酸鹽學報, 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)的傳輸研究進展[ J]. 硅酸鹽學報, 2010, 10
同類課題研究水平概述
- 目前，保護層強化措施主要有：①增加保護層厚度。結構的耐久性壽命與保護層厚度的平方成正比關系，但是保護層厚度的增加具有一定限度。當過厚時，將減小構筑物的截面受壓區(qū)高度，降低結構承載力；同時過厚時也容易引起開裂，反而使腐蝕介質更易侵入，達不到預期目的。②通過提高整體混凝土性能來強化保護層，如：海工專用水泥、降低水膠比、纖維增強、聚合物改性、鋼筋阻銹劑。但對體積巨大，混凝土用量大的海洋混凝土結構來講，往往增加成本，對鋼筋關鍵區(qū)域的針對性不強，也難以獲得理想的效果。③混凝土結構表面涂層、浸漬強化保護層。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構中，表面防護涂層或因自身耐久性不足、或因造價太高、施工不便等，使其應用受到一定限制。表面浸漬是一種經(jīng)濟有效的防腐措施，但往往滲透深度只能達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，滿足不了不同環(huán)境條件、不同部位的需要，或因造價大幅度增加在經(jīng)濟上受到制約，或改善區(qū)域有限，以致總體上收效不大。近年來，研究人員提出在海洋環(huán)境直接接觸的混凝土構件表面粘貼或包覆復合材料進行保護，如：FRP；也有采用FRP、纖維增強水泥基復合材料預制成永久模板，再在永久模板上澆筑混凝土，使兩者共同構成結構構件。此方法不僅延緩腐蝕介質向混凝土內(nèi)部擴散的進程，也可阻止海洋環(huán)境對混凝土構件的破壞，且在有效提高耐久性的同時，造價相對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，包覆保護材料（永久模板）與混凝土易發(fā)生變形不一致，在粘結面出現(xiàn)應力集中，易在界面處出現(xiàn)剪切破壞，使得外側的包覆保護（永久模板）如同虛設。 上世紀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、結構和物性參數(shù)在空間上或一個方向連續(xù)或分段變化的非勻質材料，物性參數(shù)的漸變有效的緩和熱應力，同時克服界面結合差的缺陷。因此本論文提出混凝土結構耐久性防護新理念——梯度結構混凝土。
