氯离子侵蚀环境下RPC保护层厚度研究.docx

福州大学专业学位研究生论文开题报告论文题目氯离子侵蚀环境下RPC保护层厚度研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等）1.1研究背景混凝土以其原材料易得、价格低廉、造型灵活等诸多优点，被广泛应用于土木工程领域。由于混凝土的氯离子侵蚀、碳化、冻融等破坏，会导致混凝土结构中的钢筋锈蚀，甚至结构失效，严重影响了混凝土结构的耐久性和安全性。在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中，其中以氯离子侵蚀对RPC的影响最严重。选择氯离子侵蚀其研究意义重大。活性粉末混凝土（RPC）是由世界最大的营造公司之一法国布伊格（BOUygUeS）公司以PierreRiChard旧为首的研究小组在1993年率先研发成功的水泥基复合材料。由于增加了组分的细度和反应活性，因此它被称为活性粉末混凝土（ReaCtiVePowderConcrete,简称为RPC严,活性粉末混凝土是一种新型超高强度、高耐久性、高韧性、体积稳定性良好的水泥基材料乐咒由于材料中含有的微裂缝和孔隙等缺陷很少，因此，可以获得超强的抗氯离子渗透性。近年来，国内外一些科研机构和高校都对RPC的抗氯离子渗透性进行了大量的试验研究。但是氯离子侵蚀环境下RPC的耐久性能研究依然不能够满足实践需求。根据海洋工程所在水域配置指定氯离子浓度。下表1为福建各港湾海域环境质量单项评价指数与综合评价指数。单项评价指数综合评价指数调查港湾溶解氧PH值化学需氧量无机氮磷酸盐5月8月11月平均值Q44069018L17Q88Q50072076066官井洋Q52074020075a85a46067075063东吾洋Q39072020L02Q78Q48065071061罗源湾38067030L061.20a36070L(B070兴化湾Q19071043048Q61Q42042057047湄洲湾Q25076034048a47a33050055046泉州湾Q46072058206Q64I.04L35082L07深沪湾Q27078039062Q54a46046078057围头湾Q21082052070Q56Q37060086061同安湾Q63074045I121.20a58099078078大险海域Q26077039057Q75Q37073060057佛昙湾Q25073060080Q62a58052075062旧镇湾Q19075054077Q53Q47059066057诏安湾Q23072061051Q39ft42050066053东山湾Q29083039059-Q43-043表1福建各港湾海域环境质量单项评价指数与综合评价指数1.2普通混凝土耐久性的研究现状氯离子侵蚀导致的钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构耐久性降低的主要原因。混凝土与除冰盐、海水或盐雾接触时,氯离子会通过混凝土中的孔隙、裂缝等各种途径侵入混凝土。当氯离子穿过保护层这个钢筋的保护屏障并在钢筋表面累积到一定程度时，引起钢筋表面的钝化膜破坏,导致钢筋生锈。混凝土耐久性研究的成果,必然应用到RPC的耐久性设计。其研究过程也必然由基本的材料层次向构件层次转化,并最终上升到钢筋混凝土结构层次。预测钢筋脱钝起锈时间，关键是计算出氯离子穿过混凝土保护层到达钢筋表面,且达到临界氯离子浓度的时间。通常,氯离子通过混凝土内部的孔隙和微裂缝从表面向混凝土内部传输,传输的驱动力主要有扩散、毛细管作用、渗透以及电化学迁移等6甸,这几种方式可以单独作用也可能同时发生。而在很多情况下,扩散过程仍然被认为是最主要的传输方式。Callepari在假定混凝土材料各向均质同性、氯离子不与混凝土发生反应的条件下,氯离子在混凝土中的散行为可用FiCk定律来描述，但是在这个假设基础上的FiCk定律模型用于工程应用是不准确的。AmeyUD等建议取月平均或季度平均,对氯离子扩散系数进行温度修正。Tang和NilISOn12-13建议将混凝土内的温度(热)传导与氯离子传输问题综合考虑。Mangat和MollO产通过对潮沙区暴露90天到1035天的试件取样发现氯离子的扩散系数是不断降低的。Costatl5对暴露636个月的混凝土试件进行取样也得到类似的结论。Anwartlhl研究发现,扩散系数降低率在前两个月最高,随着时间推移趋于稳定。扩散系数降低的主要原因是混凝土成熟度的增加。Maageud建立了考虑混凝土成熟的模型,用以修正氯离子受混凝土龄期影响的扩散系数。Limll8j在Maage等人的基础上,将初始养护时间作为另一个时间参数引入,对龄期影响系数进行了修正。Martin-Perezri9采用不同的结合效应模型,分析了混凝土中氯离子的分布,预测氯盐环境中混凝土结构寿命。Dhirt203研究表明,掺矿粉混凝土的高氯离子结合能力归因于矿粉中的氧化含量较高,增加了FrieddoArya等进一步研究发现,NaCl溶液、CaCI2溶液、MgCk溶液和海水中氯离子结合能力分别为43%、65%、61%和43%。LarSSoO和Roberts23研究发现,氯离子结合能力随着温度的升高而降低。考虑碳化与氯离子侵蚀的耦合作用。PaPDdaki等，研究发现，碳化反应降低了混凝土孔隙溶液的PH值，促进了水泥石中Friedel盐的分解，粗化了混凝土的孔隙，引起了混凝土微观结构的重分布,破坏了混凝土基体原有的过滤机制，增加了混凝土中氯离子的含量，提高了混凝土中氯离子的扩散系数，加快了混凝土中氯离子的扩散速度。刘志勇研究发现，粉煤灰的掺入减少了生成Ca(OH)2的量，更加降低了混凝土内部的PH值，使得碳化作用进一步增大了粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数。金伟良的等在对沿海混凝土结构氯离子传输性能研究,通过拟合分析得出对流区深度为520mm0姬永生总结以前研究成果,认为该对流区深度也在520nm之同。MOntemOr等加研究表明：加速碳化与氯盐复合作用使粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性能降低，且粉煤灰含量越高氯离子含量越高；而自然碳化与氯盐复合作用下粉煤灰含量越高氯离子含量越低。Puatatsananon等29)采用二维非线性有限差分程序，分析了氯离子和碳化共同作用下钢筋混凝土的劣化机理。研究发现，碳化生成了碳酸钙，使混凝土孔隙减少，从而阻碍氯离子在混凝土中的扩散。等等1.3RpC耐久性的研究现状Tangl30j利用RCM法测定混凝土氯离子扩散系数，系统论述了稳定渗透试验和不稳定渗透试验中扩散系数和迁移系数的关系，建立了稳定渗透试验中扩散系数与迁移系数的方程。Arya，等将掺有15%硅灰的水泥试件浸泡在0.56molL的氯化钠溶液中，表明掺入硅灰的水泥试件抗氯离子性能增强。Dhir等人利用平衡法研究了水泥对氯离子的吸附，表明使用部分粉煤灰取代水泥用量,可以增加氯离子的吸附能力。ChiSunPoond等采用电量法对粉煤灰混凝土抗氯离子扩散性能进行了相关研究，表明混凝土抗氯离子扩散性能随着粉煤灰掺量的增加而提高。MichaelD.Thomas13"等通过现场暴露试验，研究了粉煤灰和矿粉对混凝土中氯离子扩散的影响，表明在短期条件下，两者对氯离子扩散的影响并不明显，但随着时间的持续，两者的掺入大大增强了结构抗氯离子渗透的能力。安明吉吉阿等利用快速氯离子迁移系数法，得出RPC中氯离子迁移系数与加载度的关系曲线图。刘娟红的等人研究了不同养护制度对大掺量矿物细粉活性粉末混凝土性能的影响，并通过孔结构和扫描电镜实验对其微结构进行了分析。李海艳等利用扫描电子显微镜,研究了经历不同高温后的RPC微观结构的变化和物象组成。1.4RPC的发展趋势RPC可应用的领域非常广泛,在土木工程领域中，随着我国高层建筑和大跨结构迅速增加,为RPC的应用提供了巨大的市场，且在结构及桥梁改造、特种结构工程中也具有广阔的应用前景。从工程应用的角度来看，RPC在以下几个方面具有较好的发展和应用前景：(1)预应力结构和构件。目前由于建筑结构对混凝土预制构件的需求量较多，因此预应力厂家如果投入适量的资金，对部分设备进行改造，完全可以生产上述活性粉末混凝土预制构件。利用RPC的超高强度与高韧性，能生产薄壁、细长、大跨等新颖形式的预制构件，可大幅度缩短工期和降低工程造价。(2)钢-混凝土组合结构。众所周知，钢筋混凝土的最大缺点是自重大，一般的建筑中结构自重为有效荷载的810倍。而用无纤维RPC制成的钢管混凝土，具有极高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性，用它制作高层或超高层建筑的结构构件，可大幅度减小截面尺寸和结构自重，增加建筑物的使用面积与美观，因此RPC钢管混凝土构件有着广阔的应用前景。(3)特殊用途构件。RPC的孔隙率极低，具有超高抗渗性及良好的耐磨性，不但能够防止放射性物质从内部泄漏，而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，可以用于生产核废料储存容器和各种耐腐蚀的压力管和排水管道，不仅可大大降低造价,而且可大幅度延长构件的使用寿命。另外，RPC的早期强度发展快，后期强度极高，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物，既可保持混凝土体系的有机整体性，还可降低工程造价。(4)1)覆面镶板结构，2)核电站工程领域，3)下水道系统。1.5问题的提出现今，RPC不仅经济而且实用，在各个方面表现优秀，但是总结国内外的研究成果，我们发现，RPC的耐久性研究只是停留在各方面参数上，即研究没有给出RPC具体保护层厚度，也没有规范提供参考。虽然RPC在各个方面都有着优异的性能，并且国内外学者都对其进行了全面的研究：抗碳化，抗冻融，抗磨蚀，抗氯离子侵蚀等。但是最关键需要考虑的氯离子侵蚀却并没有给出一个充分可靠的保护层厚度结论，针对这种实际应用中没有依据的情况，本课题以此没着力点，以求作出自己的贡献。二、论文的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题（包括具体研究与开发的主要内容、目标和要重点解决的关键技术问题）2.1 研究目标将不同强度RPC浸泡于氯离子环境中，并且保证工程耐久性和安全性。拟在研究RPC在碳化情况下氯离子渗透方面的耐久性。2.2 研究内容主要研究以下几个方面的内容：（1）从材料学的角度上确定不同强度RPC在氯离子渗透深度。（2）从材料学的角度上确定不同强度RPC氯离子渗透深度。（3）以fick第二定律为基础对RPC进行寿命预测。2.3 3拟解决的关键问题（1）模拟真实环境下氯离子溶液并保持其浓度不变。（2）用威尔哈德法测定时溶液配制标准问题。（3）通过氯离子含量来确定氯离子渗透深度。（4）对RPC进行寿命预测。三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究的基本思路，研究过程拟采用的方法和手段，现有研究条件和基础，研究开发方案和技术路线等）3.1 基本思路（1）本文首先回顾国内外学者对RPC耐久性的研究成果，提出确定在碳化和氯离子耦合作用下RPC耐久性的可行性。（2）以水胶比、粉煤灰为参数设计正交试验，扮制不同强度的RPC。（3）将不同强度RPC自然养护和蒸压养护并浸泡在不同氯离子溶液中。（4）通过NEL电测法确定RPC的氯离子渗透系数并用威尔哈德法确定渗透深度。（5）确定碳化对RPC抗氯离子渗透性能的影响，提出进一步研究的建议。（6）综合以上结论，粗步确定RPC的保护层厚度并进行寿命预测，提出进一步的建议。3.2 拟采用的方法和手段（1）对相关文献进行研究，找出合理的RPC各组份配合比。（2）对成型RPC分别养护并进行氯离子渗透实验。（3）以NEL电测法测定RPC氯离子渗透系数。（4）按规范水工混凝土试验规程（JTJ27098）要求，以氯离子渗透实验为基础确定RPC的耐久性。3.3 技术路线正交试验最有配合比3.4 现有研究条件和基础(1) RPC具有传统混凝土所不具有的优异性能：超高强、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。(2)硅灰等具有火山灰活性的原料来源广泛，硅灰是在冶炼硅和硅铁合金是在埋弧电炉中又高纯度石英和煤产生的副产品，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环。(3)国内对RPC的研究已经日趋成熟，福州大学同样在RPC领域有突出成就，课题组对RPC的研究也已收获颇丰，在此基础上，进行耐久性研究，基础条件优越。(4)课题组和福建同利建材科技有限公司形成良好的合作机制，且成立了“绿色低碳环保新型建筑材料研发中心”，配备了完善的试验设备和场所。四、本课题的特色与创新之处(I)RPC作为近年来绿色低碳环保新型建筑材料，理论研究相当成熟，但是在结构耐久性方面，各院校学者只是对RPC耐久性做出了定性分析，而保护层厚度这个量化的问题上并没有解决，所以，以氯离子渗透深度为基础，给出钢纤维RPC的保护层厚度并作出寿命预测乃本课题创新点之一。（2）结合Z前教授学者研究成果，拟合实验室点加速氯离子渗透与实验室实际环境中的浸泡时间关系为本课题另外的创新点。五、参考文献1RichardP,CheyrezyM.Compositionofreactivepowderconcretesj.CementConcrRes.1999,25(7):1-11.2RichardP,CheyrezyMH.Reactivepowderconcreteswithhighductilityand200-800MPacompressivestrengthG.CISP144-24,1994,144:507-518.3鞠彦忠，王德弘，张超.活性粉末混凝土的研究和应用进展J.东北电力大学学报，2011,31(5/6):9.4 DugatJ,RouxN,BernierG.MechanicalPropertiesofReactivePowderConcretesJ.MaterialsandStructures,1996,29(4):233-240.5 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