海洋環境混凝土結構耐久性原位監測及其機理研究

《海洋環境混凝土結構耐久性原位監測及其機理研究》是依託濟南大學，由程新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：海洋環境混凝土結構耐久性原位監測及其機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：程新
• 依託單位：濟南大學

項目摘要

海洋混凝土服役環境惡劣，採用智慧型感測器對其耐久性進行持續監測是評價其服役壽命及保障結構安全運營的重要前提。本項目擬研發適用於海洋環境的埋置式壓電感測器，以期有效實現對海洋環境混凝土結構中鋼筋腐蝕的原位監測。研究感測器的耐腐蝕性、穩定性和可靠性，獲得諧振頻率、頻頻寬度、靈敏度、頻率回響及阻抗頻率特性等參數，最佳化感測器的製備工藝；模擬海洋環境下氯離子侵蝕，將感測器埋入鋼筋混凝土結構中，採用應力波傳播和機電阻抗技術，研究氯離子擴散、邊界條件及環境條件變化等對感測器接收的超音波、聲發射波及機電阻抗特徵參數的影響規律，明確鋼筋腐蝕速率、程度與不同特徵參數間的相關性，獲得各特徵參數與鋼筋腐蝕損傷之間的定量關係；揭示多場耦合作用下的鋼筋腐蝕機制及基於壓電感測器的鋼筋腐蝕監測機理，建立反映鋼筋腐蝕程度的損傷量化指標，為海洋環境下混凝土結構耐久性的智慧型監測與評估提供理論和套用依據。

結題摘要

隨著我國海洋工程數量及規模的日益擴大，混凝土在使用過程中所暴露的耐久性問題也漸漸突現，在各種因素的綜合作用下，很多混凝土結構過早發生損壞，喪失了耐久性能從而嚴重威脅其正常的使用壽命，採取有效手段對海洋混凝土工程結構進行耐久性監測，評價其使用壽命，這對於保障其安全性具有重要的意義。本項目針對海洋環境混凝土的服役特點，採用切割澆注工藝製備水泥聚合物基壓電複合材料。與壓電陶瓷相比，壓電複合材料的壓電電壓常數g33比純壓電陶瓷的壓電電壓常數g33顯著增大；隨著厚度減小，壓電複合材料的串/並聯諧振頻率、機械品質因數都逐漸變大，而厚度機電耦合係數和聲阻抗則變小，且封裝後的諧振現象顯著減弱。分別製備了適用於鋼筋鏽蝕監測的機電阻抗感測器和壓電超聲感測器，採用半浸泡外加電流法模擬自然狀態下鋼筋鏽蝕情況，研究發現，鋼筋鏽蝕率為2%時，混凝土表面開始滲出鐵鏽，隨著鏽蝕的進行，NaCl電解質溶液開始變渾濁，鏽蝕率為3%時，混凝土表面出現微裂紋，隨著鏽蝕的發展，裂紋不斷增大增多，鏽蝕率到10%時，混凝土表面可以看到明顯的裂紋，局部裂紋寬度大於1 mm。不同鏽蝕率下機電阻抗感測器的電阻及電抗譜圖表明，鋼筋鏽蝕後，電阻/抗頻譜曲線發生漂移，隨著鏽蝕率增大，電阻/阻峰值對應頻率變小，電阻/抗峰值增大；不同鏽蝕率下的電阻/抗差值頻譜曲線中，電抗差值在500 kHz以後基本為0Ω；選取損傷指數RMSD、MAPD表征混凝土結構中的鋼筋鏽蝕情況，結果表明，損傷指標值能直觀的反映鏽蝕程度，RMSD在100-150 kHz，MAPD值在150-200 kHz表現出良好的規律性，損傷指標值隨鏽蝕率的增大而增大。由鏽蝕率下超聲感測器的接收波發現，接收波波速、波幅、主頻幅值與鋼筋鏽蝕率之間存在明顯的相關性，當鋼筋鏽蝕率為0%-2%時，隨著鏽蝕率的增大，接收波波速、波幅、主頻幅值迅速減小，鏽蝕率為2%-6%時，上述參數雖然也隨鏽蝕率的增大而減小，但降低的幅度變小；鏽蝕率大於6%後，基本不發生變化。