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锈蚀对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响研究
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9年期锈蚀钢筋混凝土板试验研究及分析
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碳化作用下锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化研究
导读：混凝上碳化机理及影响因素的研究比较成熟【５ｊ，式中的碳化速度系数ｃｃ体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸的分布有关，它的发现很好地解释了为什么在碳化未到钢筋表面之前钢筋已经开始锈蚀的现象，也为更好地认识钢筋锈蚀与混凝土碳化之间的关系提供了依据，文献１２２ｊ把混凝土的抗压强度视为服从芷态分布的变量，这对于了解混凝土构件的抗力变化十分有益，同济大学北京交通大学钡＋学位论文第一章绪论混凝上碳化机理及影响因素的研究比较成熟【５ｊ，前苏联学者阿列克谢耶大等人根据Ｆｉｃｋ第一扩散定律及ｃＯｔ在多孔介质中扩散和吸收的特点给出理论数学模型［６１；希腊学者Ｐａｐａｄａｋｉｓ等人根据ｃ０。及各可碳化物质（Ｃａ（０Ｈ）。、ＣＳＨ、ｃ。ｓ、ｃ。ｓ）在碳化过程中质量ｉＦ衡条件建立偏微分方程组，经求解给出另一种理论式“ｌ，两者所用方法不同。但数学模型最后形式都反映了碳化深度与碳化时间的平方根成正比的基本关系，如下式所示：ｄ＝口以式中的碳化速度系数ｃｃ体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸的分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关【８】【９１。对于ｃｃ的取值，国内外学者都给出了不同的经验计算公式，有些碳化计算式是以水灰比为主要参数，再用其它参数修正，如Ｎｉｓｈｉ式仅用材料参数修正【ｌｏ】，朱安民式则用材料参数和环境因素修正【１１１，日本白山式【１２】、日本建筑学会推荐式㈣用材料、环境、覆盖层影响三个系数修正，有些碳化深度计算式以水灰比和水泥用量为主要参数，然后用材料系数修正【１４】【１５】，或再考虑环境因素一并修正㈣。也有不少学者用抗压强度来预测碳化深度【１４ｌ【１７】，或同时将水狄比作为主要参数【１８】。为克服经验公式的理论依据不足，蒋利学等基于碳化机理提出了综合考虑水灰比、水泥用量、相对湿度以及Ｃ０２浓度的实用计算式㈣。英国著名学者Ｐａｒｒｏｔｔ最先通过实验验证了部分碳化区的存在，它的发现很好地解释了为什么在碳化未到钢筋表面之前钢筋已经开始锈蚀的现象，也为更好地认识钢筋锈蚀与混凝土碳化之间的关系提供了依据。文献ｆ冽给出部分碳化区长度计算公式，在此基础上，文献弘”通过数值处理，分析了部分碳化区内物质含量分布的舰律。文献１２２ｊ把混凝土的抗压强度视为服从芷态分布的变量，并且４北京交通大学硕士学位论文第一章绪论均值与方差随着碳化时间的变化而变化，通过总结国内外暴露实骀的数据，提出了均值与方差的具体表达式，这对于了解混凝土构件的抗力变化十分有益。同济大学刘亚芹硕士对处于一定应力状态下的混凝土构件的碳化进行了研究，表明应力状态对混凝土碳化速度有影响，拉应力作用下碳化速度加快，压应力超过一定值后碳化速度急剧增大ｆ２３］。同济大学还进行了碳化混凝土力学性能口４１１２５１、抗火能力‘冽等的初步试验研究。１．２．２混凝土中钢筋锈蚀的研究在一般的环境中，混凝土的碳化是引起钢筋锈蚀的主要原因。由于混凝土的碳化使得原先钢筋所处的碱性环境中性化，钢筋表面致密的氧化膜遭到破坏，致使钢筋锈蚀，因此钢筋的锈蚀是一个电化学过程【２７】。文献㈤首次对钢筋锈蚀进行了理论分析，提出了预测构件寿命的方法。文献１２９】基于氧气在混凝土中的扩散服从Ｆｉｃｋ第一定律的假设，提出了关于混凝土构件基本参数的简单适用的钢筋锈蚀数学模型。中国建筑科学研究院整理分析了有关耐久性调研长期观测和快速锈蚀实验得到的规律和数据，建立了关于保护层厚度、钢筋直径与时间的钢筋锈蚀公式ｐ…，该公式考虑了水泥品种、养护条件与环境等的影响。钢筋锈蚀首先将影响钢筋本身的力学性能，目前已有较多的研究。冶金工业部建筑研究总院通过对钢筋锈蚀实验数据的分析【３“，提出了锈蚀钢筋的应力一应变关系曲线，以及锈蚀钢筋伸长率、屈服强度、抗拉强度随局部锈蚀的变化规律，但这仅适用于截面锈蚀率小于５矧拘情况。中国建筑科学研究院结构所利用快速锈蚀方法研究了由１２、巾１６钢筋的力学性能，并分别给出了大气条件Ｆ极限延伸率和极限抗拉强度与截面损失率的线性关系，它适用于截面损失率小于１０Ｎ的情形ｐ０１。袁迎曙口２１对钢筋混凝土构件内的钢筋进行了锈蚀实验，给出了锈蚀钢筋后的力学性能，所有的公式对于截面锈蚀率达６０％后的钢筋都适用。文献［３３１１３哪通过对锈！！塞窭里．苎兰堡！：兰堡垒兰ｊ至！邑！童鱼蚀钢筋金相组织和力学性能的试验，研究了锈蚀钢筋承载能力与其锈蚀程度及其它参数的关系，提出钢筋锈蚀程度对强度无明显影响，锈蚀钢筋承载能力主要取决于剩余的有效面积。目前，检测钢筋锈蚀状态的方法除了传统的破损检测方法之外，尤损检测钢筋锈蚀是许多国家正在探求的新技术口纠ｕ“，它对于尽早发现和诊断钢筋锈蚀状态，确保结构耐久与安全是十分重要的。防锈技术的研究对于解决钢筋混凝土结构耐久性问题的意义是不言而喻的，目前化工与材料学科的发展给防锈技术的Ｉ丌发提供了有利的支持。根据防锈途径的不同，防锈技术可分为主动防锈和被动防锈两大类，主动防锈是通过改善混凝土质量来提高保护层抗碳化能力或者加大保护层厚度来延迟碳化到达钢筋表面的时间。被动防锈是通过改善钢筋自身防锈能力，如在钢筋表面涂环氧树脂、阻锈剂等化学材料来达到防锈目的。１．２．３钢筋锈蚀对于混凝土构件的影响研究钢筋锈蚀对于构件力学性能的影响是实际工程最为关心的。文献ｐ”定性分析了钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件弯、剪、扭承载能力的影响机理。日本学者ＯｋａｄａＩ弛］等对锈蚀前后钢筋混凝土梁在低周反复荷载作用下的受力性能进行了比较研究，发现在反复荷载作用下，锈蚀钢筋混凝土粱承载力退化明显加快，抗震性能降低。ＰｒｉｔｐａｌＳ．Ｍａｎｇａｔ．ｅｔａｌ通过电化学加速锈蚀对大批试验梁的抗弯承载力进行了研究［３９１；我国通过现场取样或加速锈蚀也进行了不少试验研究。王庆霖ｍ１假设钢筋沿梁跨度的锈蚀量按抛物线分布，采用三维有限元分析了钢筋锈蚀对其承载力的影响；袁迎曙【３２１１４１１等也通过电化学加速锈蚀法对锈蚀的梁、柱进行了结构性能的研究；牛荻涛㈣研究了反复荷载作用下的压弯构件；文献【４３１通过外加氯化钙加速锈蚀方法对２４根梁的受弯性能、９根柱的受压性能（３根轴压、３根大偏压、３根小偏压）进行了试验研究，给出了锈蚀后受弯、受压构件承载力的计算方法。６北京交通火学坝士学位论文第一章绪论以上这些研究均表明锈后钢筋混凝土构件的承载力计算，除考虑钢筋和混凝土的截面变化外，还需考虑材料力学性能的变化、钢筋与混凝土间协同工作性能的退化。钢筋锈蚀到一定程度后，钢筋承载力的计算不但要考虑截面的削弱，而且要考虑其强度的降低。对于锈蚀钢筋混凝土梁，锈蚀钢筋与混凝土的粘结力的破坏是导致梁结构性能退化的主要因素，承载力计算模型也变为：Ｍ＝颤厶如（％一％）（１．２）式中的ｋ。即为考虑粘结性能退化的协同工作系数，它的确定也是近些年来许多学者研究的重点。文献［４４］利用电化学快速锈蚀方法研究了锈蚀量对粘结强度的影晌；同济大学的张伟平博士ｆ４５】建立了简单的协同工作系数与锈胀裂缝宽度的关系式，但未很好考虑不同裂缝宽度对粘结性能退化的影响。牛荻涛等【删考虑了不同裂缝宽度对粘结性能退化的影响，建立了协同工作系数和锈胀裂缝的分段式关系式，较之以前取得了进步。１．３本文的主要工作本文共分六章，各章内容如下：第一章，详细地阐述了钢筋混凝土结构耐久性研究的意义，并对该课题目前的国内外研究现状进行了综述。第二章，该章主要介绍了混凝土的碳化机理及影响因素；通过实验室的快速碳化试验，研究了混凝土试块在碳化前后的抗拉强度、抗压强度、弹性模量及应力一应变关系的变化。第三章，本章基于钢筋锈蚀是电化学反应过程，研究了碳化对钢筋锈蚀的影响；探讨了锈蚀钢筋的一些力学性能，并介绍了防止钢筋锈蚀的一些措施。第四章，阐述了模型试验梁的电化学锈蚀工作，及其加载和后处理工作，研究了钢筋锈蚀率与混凝土梁的力学性能关系。第五章，通过有限元法，建立了锈蚀钢筋混凝土梁的三维非北京交通人学碗Ｉ。学位论文第一章绪论线性有限元模型，对照电化学锈蚀梁的试验结果，证明了有限元模型的合理性。第六章，对本文所做的工作进行了总结，并对该领域需要进一步深入研究的问题提出了个人的观点。！！壁奎里查兰塑±堂垡笙茎墨三兰望壁圭堕！！生第二章混凝土的碳化提要碳化是钢筋混凝土结构劣化的一个主要原因。在混凝土未碳化前，溶液是早碱性的，ＰＨ值大于１２．５，钢筋在这种高碱性环境中，表面很容易形成－层致密的氧化物钝化膜，防止钢筋锈蚀。然而，由丁＿空气中二氧化碳的侵入，使得混凝十碱性降低，钝化膜遭到破坏。失去了对钢筋的保护作用ｔ钢筋就会锈蚀。另一方面，混凝土碳化生成的碳酸钙义会填充混凝十孔隙．使混凝士变的更密实，强度得以提高，混凝土的应力应变关系亦发生变化。本章通过实验室快速碳化试验，研究了碳化后混凝土的强度、应力一应变曲线、弹性模量等的变化关系。２．１混凝土的碳化机理混凝土是一种多孔的、圆液气三相并存的非均质复合材料，这样，混凝土所处环境中的某些介质就会通过孔隙进入混凝土，与孔隙液及水泥水化产物发生一系列物理、佬学反应。混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳通过扩散渗透作用进入混凝土并与水泥水化产物发生反应，使混凝土的内部组成和组织发生变化，进而影响混凝土结构物的性质和耐久性。普通混凝土中水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙（３Ｃａ?￥ｉ０２，简写为Ｃ３Ｓ）、硅酸二钙（２ＣａＯ?Ｓｉ０２，简写为ｃ２ｓ）、铝酸三钙（３ＣａＯ叽１２０３，简写为Ｃ３Ａ）、铁铝酸四钙（４ＣａＯ诅１２０３，Ｆｅ２０３，简写为ＣａＡＦ）及石膏（ＣａＳ０４?２Ｈ。０，简写为ＣＳＨ２）等，它们经水化生成氢氧化钙（Ｃａ（ＯＨ）２，简写为ｃＨ）和水化硅酸钙（３ＣａＯ?２Ｓｉ０２?３Ｈｚ０，简写为ＣＳＨ）等可碳化物质，未水化的硅酸三钙Ｇｓ和硅酸二钙ｃ２ｓ也属于可碳化物质。其化学反应方程式如下【４７】：９包含总结汇报、出国留学、农林牧渔、计划方案、外语学习、教学研究、经管营销、行业论文以及碳化作用下锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化研究等内容。本文共12页
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锈蚀钢筋混凝土柱承载力试验研究
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以上述锈蚀纵筋名义本构关系为基础,依据构件延性破坏的理论原则,
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锈蚀率和箍筋锈断情况的轴心受压、小偏心受压以及大偏
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