混凝土應(yīng)力腐蝕機(jī)制及抑制對策研究

混凝土應(yīng)力腐蝕是在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下的破壞現(xiàn)象，是較全面、綜合地反映實(shí)際工程在腐蝕環(huán)境中混凝土耐久性的性能指標(biāo)。以往關(guān)于混凝土腐蝕性的研究基本上只考慮單一因素的作用，這與混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)有很大差異。國家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略和加快東部現(xiàn)代化的決策，使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為重點(diǎn)，作為用量最大的建筑材料的混凝土防腐蝕問題，是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前沿問題。本課題擬通過大量試驗研究探索混凝土應(yīng)力腐蝕特性、機(jī)理和防止應(yīng)力腐蝕的措施，研制混凝土應(yīng)力腐蝕加載裝置，建立混凝土應(yīng)力腐蝕試驗和評價方法，研制防腐蝕新材料，為國家重點(diǎn)工程設(shè)計、施工和耐久性壽命評估服務(wù)。 2100433B

早期對應(yīng)力腐蝕開裂的研究是采用光滑試樣，在特定介質(zhì)中于不同應(yīng)力下測定金屬材料的滯后破壞時間。用這種方法已積累了大量的數(shù)據(jù)，對于了解應(yīng)力腐蝕破壞問題起了一定作用。但還有很多不足之處，主要有：

(1)因數(shù)據(jù)分散，有時可能得出錯誤的結(jié)論。

(2)不能正確得出裂紋擴(kuò)展速率的變化規(guī)律。

(3)費(fèi)時，且不能用于工程設(shè)計。

對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質(zhì)中，在恒定載荷下，測定由于裂紋擴(kuò)展引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨時間的變化關(guān)系(具體測試方法將在下面介紹)，據(jù)此得出材料的抗應(yīng)力腐蝕特性。

例如圖5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V，其K1c=100MPa.m1/2。在3.5%鹽水中，當(dāng)初始K值僅為40MPa.m1/2時，僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將值K稍微降低，則破壞時間可大大推遲。當(dāng)K值降低到某一臨界值時，應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)際上就不發(fā)生了。這一K值我們稱之為應(yīng)力腐蝕門檻值，以K1SCC表示(SCC是Stress Corrosion Cracking的縮寫)。

(1)K

應(yīng)該指出，高強(qiáng)度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC，但鋁合金卻沒有明顯的門檻值，其門檻值只能根據(jù)指定的試驗時間而定。一般認(rèn)為對于這類試驗的時間至少要1000小時，使用這類K1SCC數(shù)據(jù)時必須十分小心。特別是如果所設(shè)計的工程構(gòu)件在腐蝕性環(huán)境中應(yīng)用的時間比產(chǎn)生K1SCC數(shù)據(jù)的試驗時間長時，更要小心。

除了用K1SCC來表示材料的應(yīng)力腐蝕抗力外，也可測量裂紋擴(kuò)展速率da/dt。

下面簡單介紹應(yīng)力腐蝕破裂的測試方法。

一種是載荷恒定，使K1不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置。另一種測定K1SCC的方法是位移恒定，使K1不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。

這兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。用懸臂梁彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時間曲線，能夠較準(zhǔn)確的確定K1SCC，缺點(diǎn)是所需試樣較多。恒位移法不需特殊試驗機(jī)，便于現(xiàn)場測試，原則上用一個試樣即可測定K1SCC值，缺點(diǎn)是裂紋擴(kuò)展趨向停止的時間很長。當(dāng)停止試驗時，擴(kuò)展的裂紋前沿有時不太規(guī)整，在判定裂紋究竟是擴(kuò)展了還是已停止擴(kuò)展發(fā)生困難，因此在計算K1SCC時就有一定誤差。

300米級高混凝土壩在靜載下壩體均有不同程度的裂縫存在，在高水壓和強(qiáng)烈地震作用下這些裂縫有可能會進(jìn)一步開裂擴(kuò)展，甚至發(fā)生斷裂破壞，極大地影響高混凝土壩的安全性。本項目針對動載及高水壓下混凝土非均質(zhì)材料的擴(kuò)展機(jī)制開展研究，主要圍繞動載及高水壓下混凝土裂縫面水力劈裂效應(yīng)力學(xué)作用機(jī)制、非均質(zhì)混凝土材料裂縫動態(tài)擴(kuò)展模擬的新方法和動載及混凝土水力劈裂擴(kuò)展實(shí)驗系統(tǒng)研制開展工作。 構(gòu)建了可考慮孔洞、夾雜以及微裂紋等多重不連續(xù)存在時的擴(kuò)展有限元法位移模式，建立了有限體積法和擴(kuò)展有限元法的耦合模型，對動載下混凝土水力劈裂試件進(jìn)行系列數(shù)值模擬，取得了與試驗較為一致的結(jié)果，得出了動載下不同時刻裂縫面水壓分布，研究了裂紋面水壓力的分布形式對裂紋斷裂擴(kuò)展路徑的影響；發(fā)展了基于四叉樹網(wǎng)格的新型比例邊界有限元法，建立了有限體積法和比例邊界有限元法的耦合模型，并首次對比例邊界有限元法求解裂紋面接觸問題進(jìn)行了研究。在水力劈裂試驗方面， 針對常用的環(huán)氧樹脂膠密封裝置存在的缺陷，研制了新型的水力劈裂實(shí)驗的密封裝置，并成功進(jìn)行了多組水力劈裂試驗。 通過研究，建立了動載及高水壓下混凝土裂縫開裂擴(kuò)展過程追蹤的理論模型和方法，實(shí)現(xiàn)了動載及高水壓下混凝土裂縫起裂、擴(kuò)展、失穩(wěn)過程的精確模擬；研制了有效的動載及高水壓下混凝土斷裂擴(kuò)展的實(shí)驗裝置，基于有關(guān)試驗建立了不同加載速率下縫內(nèi)水壓模型，有效揭示了動載下混凝土水力劈裂效應(yīng)的作用機(jī)制。 研究成果共發(fā)表研究論文20篇，其中SCI檢索論文8篇，出版專著2部。獲授權(quán)發(fā)明專利3項。培養(yǎng)博士（碩）研究生6名。部分成果獲云南省科技進(jìn)步獎1項。研究得到的有關(guān)成果受到有關(guān)國際同行的好評。試驗得到的不同沖擊加載速率下（縫口張開速率）縫內(nèi)水壓分布與擴(kuò)展規(guī)律已引起國內(nèi)外多個高校課題組的興趣，多個國外高校有關(guān)課題組(Universityof Illinois,USA)來信咨詢有關(guān)試驗方法并索要有關(guān)試驗數(shù)據(jù)，目前試驗成果已提供英國Durham University Charles Augarde教授等課題組作為數(shù)值模型驗證。 2100433B