性能劣化（精选7篇）
性能劣化 篇1
1 均匀膨胀应力分析
混凝土保护层可以分为两个区域: 尚未开裂的弹性区和出现开裂的损伤区。混凝土尚未受拉开裂时可当做为弹性材料, 可按平面本构关系进行分析。由弹性理论求得极坐标下任一点的应力关系式如下式所示:
式中: Q - 钢筋锈胀力; R - 表示任意一点的极径 ( mm) ; 混凝土泊松比v, 取0. 2; C - 混凝土保护层厚度 ( mm) ; R - 钢筋半径 ( mm) 。
当混凝土受拉开裂后, 说明混凝土已损伤不再是弹性材料, 混凝土所承受的拉力就不能直接由垂直的截面承受, 而是传递给它相邻尚海没有开裂的混凝土。
2 均匀锈蚀锈胀力分析
在钢筋锈蚀时钢筋的直径逐渐减小且不断地在钢筋周围产生锈胀物, 钢筋周围混凝土因锈胀力作用产生开裂应变, 此时钢筋周围的混凝土处于弹性极限状态。在锈胀力持续增长的情况下混凝土开始开裂, 即达到软化阶段。
在锈胀初期其锈胀力较小时, 钢筋锈蚀物处于自由发展的状态向钢筋周围混凝土裂缝填充, 钢筋周围的混凝土产生微小的损伤裂缝。在锈胀力进一步增长的情况下钢筋周围混凝土损伤也随之拓展, 钢筋周围的混凝土细微裂缝逐渐增大增长, 并沿向外发展。锈胀力又增大时, 裂缝继续向外延伸, 最长裂缝深度继续加深, 形成数条明显的主裂缝, 靠近钢筋的裂缝宽度急剧加宽。
若锈胀力再持续增加时, 裂缝由保护层表面向钢筋侧的裂缝深度将达到最大, 并且靠近钢筋侧的混凝土裂缝宽度也增大。随着时间的增长裂缝之间相互合并, 裂缝的长度与宽度进一步增大, 直到混凝土结构破坏。
令钢筋在混凝土中发生的是均匀锈胀力作用, 随着锈胀力增大, 从混凝土构件内部开始出现裂缝至保护层外侧出现裂缝, 当混凝土保护层表面的裂缝相互连通。虽然这个时候钢筋混凝土结构还处于可服役状态, 尚未破坏。若未对裂缝混凝土结构加以注浆封缝修固, 露筋混凝土保护层对钢筋不再具有保护作用, 钢筋在外界下容易加速锈蚀损坏, 其钢筋在混凝土中的抗拉功能容易耗散, 可认定该钢筋混凝土构件已处于破坏状态。
3 保护层裂缝的产生及扩展过程
对模型施加均匀锈胀力直至裂缝贯穿保护层, 通过在有限元软件中中查看开裂单元可以大致表示裂缝出现的位置和区域。钢筋位于混凝土保护层中产生锈蚀并导致裂缝产生与发展直至结构失效, 可分为三个阶段: 钢筋锈蚀物自由膨胀、混凝土保护层受拉与混凝土保护层开裂直至屈服破坏阶段。
( 1) 钢筋锈蚀物自由膨胀阶段: 钢筋在混凝土中受水分、空气等介质的作用下发生锈蚀作用, 所产生的锈蚀物首先填充于钢筋与混凝土界面的间隙中。尔后因混凝土自身的密实性不足导致铁锈也可能渗至混凝土材料内部的毛细孔及微小空隙内。钢筋在产生锈蚀后, 锈蚀产物首先填充于混凝土本身内部的间隙及钢筋与混凝土的间隙, 对混凝土的锈胀作用较小甚至可忽略不计, 此阶段属于钢筋锈蚀物自由膨胀阶段。 ( 2) 混凝土保护层受拉阶段: 在锈蚀条件满足要求的前提下, 钢筋产生的锈蚀产物继续产生, 此时钢筋的锈蚀产物已经将混凝土结构内的空隙填充完毕, 便会对混凝土产生一定的钢筋锈胀力。此时钢筋的锈胀力对混凝土随着锈蚀物的增加而增大, 使得混凝土保护层受到拉应力。在该阶段, 混凝土保护层处于受拉状态, 即将因受拉作用产生混凝土裂缝。 ( 3) 混凝土保护层开裂直至屈服破坏阶段: 当钢筋锈蚀进一步发展, 锈蚀力与锈蚀深度也随之持续增长, 到一定程度时混凝土保护层的抗拉强度小于锈胀力, 其保护层临近钢筋侧首先出现裂缝, 随即使得混凝土保护层裂缝向内拓展直至保护层开裂。混凝土保护层的开裂导致钢筋产生锈蚀的条件更加充足, 便加速了钢筋的锈蚀, 使得钢筋锈蚀物进一步发展, 导致最终保护层裂缝贯通与整个边角区屈服破坏。该阶段主要体现在混凝土保护层出现裂缝至裂缝贯通到钢筋锈蚀区的过程。
4 结论
为对钢筋混凝土均匀锈胀数值仿真, 假定钢筋沿径向与轴向均为锈蚀, 模型分析可简化为平面问题。本章主要采用有限元软件ABAQUS对钢筋混凝土的均匀锈胀进行数值分析, 以研究保护层均匀锈胀开裂下的膨胀应力分析、保护层裂缝的产生及扩展过程。通过本章研究, 可得到如下结论: ( 1) 钢筋锈胀力对钢筋混凝土构件作用的情况进行了分析, 钢筋锈蚀对混凝土受力情况的大致的过程有了比较清晰的了解。 ( 2) 钢筋发生均匀锈蚀时, 当钢筋位于混凝土结构的边角区中并设置其只发生均匀锈蚀时, 其裂缝发展规律与中区钢筋锈蚀产生裂缝的类似。裂缝开始形成于钢筋与混凝土的交界处, 并沿着钢筋的直径逐渐向外均匀拓展。随着钢筋锈蚀的延展, 保护层边缘处开始出现裂纹并开始扩大, 最终裂缝沿最短路径贯穿保护层并形成的主裂缝也贯通, 整个边角区均屈服破坏。 ( 3) 假定钢筋在混凝土中发生均匀锈胀且其形成条件充足, 基于数值计算结果分析可知随着锈胀力增大, 从混凝土构件内部开始出现裂缝至保护层外侧出现裂缝, 最后混凝土保护层出现贯通裂缝, 此刻虽然混凝土结构不会立刻破坏, 为塑性变化阶段, 但混凝土保护层对钢筋的保护作用已经失效, 同时锈蚀产物具有吸水作用, 能加快钢筋的锈蚀反应, 因此出结构安全角度而言可认为构件已经失去工程作用。
视频会议图像质量劣化分析 篇2
1 故障情况
2010年12月, 在召开省公司年度安全生产总结电视电话会议前的视频会议系统联调中, 视频会议专责发现县公司、生产基地的画面都不同程度出现马赛克, 甚至有停顿现象。
2 故障分析
南京供电公司视频会议系统是两套会议电视标准混合的集成系统。原市辖的五个区县公司视频终端设备通过市县传输网以H.320标准协议接入位于市公司老大楼视频会议核心设备MCU (多点控制单元) E1板;城北、雨花等生产基地, 以及市公司新老大楼各会场视频终端设备则是通过城区接入层传输网络以H.323标准协议接入位于市公司老大楼视频会议交换机, 并由此连接至核心设备MCU (多点控制单元) 。从下面的视频会议系统图我们可以逐段分析故障产生的原因 (如图1) 。
2.1 视频终端设备原因
视频会议系统设备主要为分布在各个会场的视频终端设备, 它是用来接收远端会议信号至会场并发送本端会议音视频信号至远端会场。由于这次故障在各会场都不同程度的出现, 我们以画面质量劣化程度最高的城北会议室进行测试。我们用备用终端替代原来的终端接入系统, 劣化程度并没有改善。由此说明该故障不是因外部站点设备问题引起的。同样的方法, 我们更换了位于公司主会场的视频会议终端。因为该终端是用来接收外部站点音视频信号至主会场的, 同样也是用来发送主会场音视频信号至下级站点。将其更换后, 图像质量也没有改善。
2.2 MC U (多点控制单元) 设备原因
MCU是视频会议系统的核心部分, 为用户提供群组会议、多组会议的连接服务。我们检查了该设备相关告警指示灯, 一切运行正常。至此, 我们排除了由系统硬件设备造成图像质量劣化的可能。
2.3 传输线路原因
主会场与各分会场是通过公司电力通信传输网络相连的, 我们通过资料查找了视频会议系统所用通道, 在传输设备侧并没有相关告警, 说明视频会议系统的传输层通道不存在问题。
2.4 接入层网络原因
由于接入会议电视系统的站点数量不断增加, MCU的接入板卡接口数量已不能满足要求。我们通过一台24口的数据交换机将各站点信号接入并与MCU的NET8板互联。我们看到在会议进行时, 与部分会场连接的交换机端口时常出现黄灯闪烁现象, 这说明端口有错误数据包。进一步观察, 我们发现黄灯闪烁的端口也就是图像劣化的站点。至此, 我们确定此次故障源为交换机这一侧的网络问题。
3 故障处理
在会议电视系统建设初期, 只有市公司中心节点以及5个县公司。我们将各点信号接入MCU的E1板, 通过H.320协议进行视频的传输 (H.320作为一个传统的电视会议标准, 过去几年中已被广泛地用在窄带ISDN网以及专线上的窄带可视电视终端及系统中) 。公司专业化、扁平化的发展, 城北、雨花基地、老大楼602和607会议室相继接入公司视频会议系统。省公司根据工作需要, 也将线路器材厂等三个直属单位接入南京的视频会议系统, 加上近期新大楼电视电话会议室、大会议室、202晨会室的接入, 该系统逐渐庞大。
随着新技术的出现以及通信网络结构的演变。H.320系统已经越来越表现它固有的局限性。它仅仅是窄带可视电视终端的定义, 主要应用于电视交换的网络上, 和传输网络本身有着密切的关系, 传输网不同, 每一台H.320终端 (包括MCU) 需要更换网络接口卡, 而且有时需要在第二层协议上做相应的修改, 造成软硬件的更换, 升级成本增加。因此, 在后来的会议电视系统扩容中, 我们均采用了更为先进的H.323 (基于包的多媒体通信系统) 协议进行信号传输。我们将采用该协议的站点信号全部接入一台数据交换机上, 并将该交换机与MCU的net8板 (采用H.323协议) 相连, 从而保证采用不同协议站点、不同速率站点之间信号的有效传输。
端口数据丢包的现象, 根据工作经验判断应该是端口设置的问题。我们通过命令查看交换机端口当前的双工模式为百兆半双工。在这种情况下网络就会出丢包等问题, 导致画面出现马赛克, 甚至画面停顿现象。我们随即通过软件查看了交换机和终端的网络端口设置, 交换机端口为自动协商, 视频终端为百兆全双工。
查阅了相关资料我们了解到交换机为了维护链路的正常可用, 接口要定期发送脉冲, 如果在规定时间内, 接口没有收到脉冲, 就进入down状态, 如果两次收到脉冲, 就转为up状态, 这种脉冲就是normal link pulse, 简称nlp.其发送脉冲的间隔是16 ms。百兆接口发送flp时, 如果在规定时间内收到了响应, 那接口可以进入百兆模式, 如果超时没有收到flp, 只收到nlp, 转而向下兼容, 发送nlp, 转为10兆模式, 而双工问题是在flp中进行的, 在一对接口中, 相互发送flp, 在flp中有个“速率双工能力”字段, 2个接口就是靠这个字段来协商双工问题的而要能保证两者进行协商, 前提是任何一方都不能手工指定双工, 否则这个“速率双工能力”将被忽略, 可能造成无法协商正确的双工结果。
该故障 (100兆半双工) 中, 100兆是因为双方都发送flp, 而半双工的原因是手工指定全双工的一端将flp中“速率双工能力”字段滞空, 另外自动协商一端无法就双工能力进行协商, 转为半双工。找到了故障原因, 我们随即将交换机端口也设为百兆全双工, 与终端匹配, 很快解决了问题。
4 故障总结
此次视频会议图像劣化的故障十分典型, 从故障原因来看, 是由于交换机端口配置不正确造成的。但究其本质, 我认为是通信专业人员把学习的重点放在物理层, 对上层设备的理论知识和实践能力相对欠缺。随着公司电网智能化的有序推进, 通信设备种类也会有不断增加, 只有掌握广泛的通信知识才能适应公司发展需要。
参考文献
[1]通信设备接口技术及其应用[M].人民邮电出版社.
[2]视频通信系统使用指南[M].电子工业出版社.
孔隙材料盐劣化及可溶盐特征 篇3
人类很早就注意到盐对孔隙材料的腐蚀问题。早在1833年, Turner指出应当使用盐溶液来检验建筑石料在冬季抗冻的坚固程度[1]。1910年前后发表的相关科技文献, 就明确将可溶盐与石料劣化问题联系在一起。Wellman&Wilson将盐类结晶引起的岩石破碎现象命名为盐类风化 (saltweathering) [2]。Goudie&Viles出版了《盐类风化病害》专著[3], 将盐类风化确切定义为蒸发盐在岩石内部及表部结晶引起的岩石破坏现象。到现在为止, 众所周知, 无机孔隙材料 (如岩石、砖石结构、混凝土、土体等) 中如果含有盐分, 特别是含有易溶盐或易于发生水合作用的盐分时, 容易遭受盐类侵害并导致材料劣化。采用NaNO3溶液检验材料的耐久性, 已经成为国内外建材行业评价盐害问题的通用方法。
盐类风化导致的孔隙材料劣化, 理论上认为主要是由3方面的原因引起的:结晶压力, 即蒸发作用导致溶液发生过饱和作用, 溶液中的可溶盐结晶并对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力;水合压力, 即部分可溶盐遇水发生水合作用而膨胀, 对孔隙或裂隙内壁产生膨胀压力;温差应力, 即可溶盐与不可溶岩石矿物的热膨胀系数存在差异, 在快速升温或降温过程中岩石晶体之间产生温差应力。
盐类风化导致的盐害现象, 不同学科有不同的名称。地质学一般将盐害归入物理风化过程进行研究天然石材耐久性研究一般借鉴岩石学的方法归入物理风化过程开展研究。建筑行业一般将砖石表面形成白色盐斑的现象统称为盐华。中国文物保护人员将壁画的盐害现象称之为酥碱, 或按照盐害导致的壁画破损形式进一步命名为粉化、脱落、疱疹等。以敦煌莫高窟为例, 壁画盐害主要发生在底层洞窟靠近地面的侧壁上 (如53窟) , 或出现在最上层洞窟的穹顶部位 (如194窟) 。据统计, 在莫高窟492个文物洞窟中, 明显发生盐害的洞窟高达70个以上。尽管岩石、砖石、混凝土、泥质壁画等材料在性能方面存在很大的差异, 但是, 它们都属于孔隙介质, 发育彼此联通的毛细孔隙体系。分析不同孔隙材料的盐害现象, 探讨水盐迁移与盐类风化之间的关系, 提炼其中的化学本质, 有助于提高对壁画盐害的认识水平。
2 盐的来源
某些材料本来就含有盐分;另一些材料的盐分是由水随后带入的。总结各种盐害研究实例, 孔隙材料中盐的来源途径主要有以下几种:大气降水入渗淋滤、土壤毛细水上升、大气污染、道路工程除冰撒盐、海水扑溅、不适宜的加固处理、不同建筑材料之间的化学反应等。
Arnold&Zehnder对古建筑墙壁盐害进行了长期的监测, 发现可溶盐主要包括碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硝酸盐和草酸盐, 见表1[4]。一般来说, 盐的类型与盐的来源有关, 例如, 钙矾石和硅灰石膏通常来自混凝土不过检测发现如果古代建筑采用混凝土或水泥灌浆加固过, 在长期腐蚀的墙壁上也检出了钙矾石和硅灰石膏。砖如果烧制不当, 可以含有Na2SO4。砖石结构完成后不久, 含有的盐分就可能以盐霜的形式在某些砖块上随机的表现出来。
历史建筑经过了长期的使用, 如果某些部分用作贮盐室或马厩, 可以积累很高的盐分。与普通的“干净土”相比, 与人类活动相关的土, 例如考古灰坑、土建筑墙体、古建筑庭院、古代生活遗址等, 可以富含硝酸盐和氯化物。硝酸盐是有机废物在微生物的作用下产生的, 大量的氯化物与人类对食盐的摄入和排泄有关。
使用波特兰水泥进行文物加固会导致盐害现象。混凝土或水泥砂浆在硬化之前会释放出大量的碱性物质, 导致加固对象发生非常严重的劣化现象。即使已经硬化的波特兰水泥也含有高达1%的可溶性碱 (McCoy&Eshenour) [5]。从水泥中溶出的离子会形成碱式碳酸盐盐华。水泥中的可溶性Na2O会形成泡碱 (Na2CO3·10H2O) , 泡碱与空气中的硫酸污染物反应形成芒硝 (Na2SO4·10H2O) , 对壁画、石材或砂浆造成严重的不可恢复的损害。水泥加固之后, 除了加固区边缘发生严重的盐害之外, 加固区与未加固区在色调、质地、透水性、热膨胀性能等方面也出现巨大的差别, 导致不同的环境响应。因此, 现代文物保护工程中严禁使用水泥。使用水泥直接加固文物, 甚至被认为是一种破坏行为。
水玻璃加固不当也会导致盐害的发生。硅酸钠 (Na2SiO3) 俗称水玻璃, 是在十九世纪初发明的加固材料, 长期以来广泛应用于加固石质文物和壁画, 也用来改善灰浆性能。早在19世纪就报道了水玻璃加固石质文物失败的事例:水玻璃会形成坚固的外壳, 加速剥离进程。大多数情况下, 水玻璃和水泥同样遭到拒绝, 不允许用来加固松散墙体, 也不允许用来进行防水处理。水玻璃与水反应之后, 能够产生自身重量30%的碳酸钠和20%的碳酸钾。碳酸钾因为强烈吸湿不能结晶, 一般认为是无害的。实际情况是, 碳酸钾与碱土金属盐反应, 见表2, 转化成硫酸钾、氯化钾或硝酸钾之后, 因为吸湿性能的降低就可能在通常情况下发生结晶。
3 盐溶液
已经知道, 当水溶性盐与其饱和盐溶液共处于一个封闭空间时, 产生的相对湿度及水蒸气压力是恒定的 (Lide, ) [6]。不同饱和盐溶液形成的相对湿度可以根据下式进行计算
式中, RH是相对湿度百分数 (一般误差为±2%) , T是开尔文温度, A、B是与盐的类型相关的常数。
在给定的温度下, 盐溶液表面的水蒸气压力比纯水表面的水蒸气压力要低。随着盐溶液浓度的增加, 水蒸气压力减小;饱和盐溶液的水蒸气压力为最小。饱和盐溶液的水蒸气压力习惯上称之为“平衡相对湿度” (equilibrium relativehumidity) 。表3列出了部分盐的平衡相对湿度, 这些盐经常在发生盐害的墙壁中检出 (Arnold&Zehnder[4]) 。
两种盐在溶液中混合存在时, 会影响它们各自的溶解度。在一定的温度下, 复合盐溶液并不存在单一的平衡相对湿度, 而是一个相对变化的范围, 这个范围也不一定落在原来单个盐平衡相对湿度的范围之内。一般规律是, 如果两种盐没有相同的离子 (如NaCl与CaSO4·2H2O混合时) , 由于溶液离子强度增大, 两盐的溶解度会增大, 而且较难溶的盐 (如石膏) 溶解度增大较明显。如果两种盐存在相同的离子 (如NaCl与Na2SO4混合时) , 两盐的溶解度会降低。Sawdy&Heritage通过实验测试认为, 混合盐晶体的溶解速率提高了, 混合盐溶液的蒸发速率降低了, 并且给出了两个解释理由[7]。第一是热力学效应, 即混合盐溶液水蒸气压力较低, 因此, 混合盐溶液的平衡相对湿度范围扩大。第二是动力学效应, 即混合盐溶液提高了水分吸附速率, 而且降低了水分解吸速率。
实际中, 孔隙材料盐劣化很少是由一种盐引起的。一般来说, 劣化部位会发现两种或更多的盐。Sawdy&Heritage根据实验数据进一步分析了混合盐对壁画及其他文物材料劣化可能带来的影响[7]。他们认为, 当盐分混合存在时, 如果气候在单种盐的平衡相对湿度附近波动, 混合盐可能会以盐溶液的形式出现, 即不容易结晶。但是, 对于混合盐结晶体而言如果空气的相对湿度短暂升高超过了混合盐的最低平衡相对湿度, 就会导致盐晶体快速溶解。他们还比较了不同环境湿度变化模式对盐害可能带来的影响:剧烈而短暂的湿度变化, 比长期而缓慢的湿度变化带来的有害影响更大。如果环境湿度在平衡相对湿度的基础上发生了10%的变化, 盐分就会在数小时内发生相变。这个结果可能暗示, 对于类似莫高窟这样的封闭性洞窟壁画而言, 尽量保持洞窟内微环境相对稳定, 对控制复合盐酥碱病害发展是有益的;相反, 快速的环境温湿度变化 (如窟门的频繁启闭及游客的大量介入) , 可能会促进酥碱部位复合盐的相变。
4 水盐运移
只有溶解于水, 盐才能在孔隙材料内部运动。因此, 认识水以何种形式进入孔隙材料内部, 以何种方式在孔隙中运动对理解盐分的迁移是至关重要的
水进入孔隙材料的方式有两种:液体水或气体水 (即水蒸汽) 。如果是液体形式, 两种机理发挥作用:毛细作用和静水压力。毛细作用是由于水与毛细材料之间形成固-液-气界面, 液体弯液面表面引力而引起的。毛细吸力是非饱和渗流的原动力。静水压力导致饱和渗流, 渗流速率取决于材料的渗透性。
如果是以水汽方式进入孔隙材料, 主要有两种机理:凝结和吸湿。凝结有两种类型, 即表面凝结和微孔内部凝结 (即毛细凝结) , 两者有一定的差别 (Camuffo) [8]。“吸湿性”是一个宽泛的术语, 是指材料从空气中吸收水分的性质。首先, 材料本身具有吸收或吸附一定数量水分的性质, 其吸收量与材料的化学性质及毛细孔隙结构有关。其次, 盐分也能吸收水分, 特别是环境的相对湿度超过盐的平衡相对湿度时, 盐的吸湿更明显。有些溶解性很好的盐, 可以从空气中直接吸收大量的水分使自己变成饱和溶液, 即发生潮解溶化。第三, 高浓度盐溶液, 比纯水的蒸气压力要小, 有从环境中凝结水蒸汽, 促使溶液中水分子的活动性与蒸汽中水分子的活动性达到平衡的趋势。
如果水以液态进入, 水就可以输送盐分, 将盐分带入材料内部。如果以气态进入, 就会以潮解的方式被阻滞。前一种情形依赖于毛细机理, 后一种情形依赖于扩散机理。两种机理之间的转换点定义为孔隙材料的临界含水量 (Childs&Collis-George) 。每一种材料都具有固定的临界含水量, 主要由材料的孔隙率和孔径分布决定 (Snethlage&Wendler) [9]。
在蒸发干燥条件下, 孔隙材料中的盐溶液会达到过饱和状态, 由于某些随机因素的影响, 结晶过程会快速发生。如果结晶发生在材料表面, 就会形成肉眼可见的盐斑或盐晕, 称之为盐霜 (efflorescence) 。如果结晶发生在孔隙材料内部, 一般称之为内部盐霜 (subefflorescence) 。盐霜发生在材料表面, 一般不会产生结晶压力, 也不会损害材料的内部孔隙结构。相反, 内部盐霜大多数情况下会给孔隙壁产生结晶压力, 导致孔隙材料内部结构发生损伤。一般来说, 表部盐霜容易发生在缓慢蒸发条件下, 如潮湿介质所处的环境比较湿热, 气流交替也比较缓慢。相反, 内部盐霜容易发生在快速蒸发条件下, 如环境干热气流交替迅速
5 结论
1) 孔隙材料盐害是由于可溶盐发生相变的结果。自由水或毛细水携带的可溶盐在孔隙材料内部发生过饱和作用, 盐分结晶析出时产生的膨胀压力对材料结构损伤最有害。
2) 加固材料携带的盐分可以与加固对象发生化学反应导致盐害的发生。
3) 从材料劣化的角度看, 环境温湿度变化时复合盐比单盐的响应更为有害。
4) 现有的物理化学知识只能为盐害现象提供粗线条的解释, 还无法阐释每一种盐害的具体机理。在现有的认识水平下, 采取被动控制的方法防止环境温湿度发生剧烈变化, 可能是减缓文物材料盐害发展的安全途径
摘要：阐述了孔隙材料盐类风化的概念, 分析了与材料盐劣化有关的可溶盐来源及主要可溶盐类型。从溶液化学的角度说明了水分迁移与盐分迁移的关系, 分析了混合盐对盐害发展的影响。现有的物理化学知识为解释盐害现象提供了基本框架, 但还不能揭示盐害发生的确切机理。笔者认为, 历史上文物加固材料使用不当引发的人为盐害问题, 应当引起高度的重视;在现有的认识水平下, 被动控制洞窟温湿度变化, 可能是减缓壁画盐害发展进程的安全途径。
关键词：盐类风化,孔隙材料,文物保护,壁画,可溶盐
参考文献
[1]Turner, E.1883.Report of a lecture on the chemistry ofgeology.Philosophical Magazine Series 3, Volume 3, Issue13, pages 21-28.
[2]Wellman, H.W., and A.T.Wilson.1965.Salt weathe-ring:A neglected geological erosive agent in coastal andarid environments.Nature, 205 (4976) :1097-98.
[3]Goudie, A.S.and Viles, H.A.1997.Salt weatheringhazards, Wiley.
[4]Arnold, A.and K.Zehnder.1991.Monitoring WallPaintings Affected by Soluble Salts.In The Conservationof Wall Paintings, pp103-135.Proceedings of a sympo-sium organized by the Courtauld Institute of Art and theGetty Conservation Institute, London, July 13-16, 1987, Sharon Cather, Editor.
[5]McCoy, W.L., and O.L.Eshenour.1968.Significanceof Total and Water-soluble Alkali Contents of PortlandCement.J.Materials 3:684-694.
[6]Lide, D.R.2003.Handbook of Chemistry and Physics (84th Edition) .CRC Press.
[7]Sawdy A.&A.Heritage.2007.Evaluating the influenceof mixture composition on the kinetics of salt damage inwall paintings using time lapse video imaging with directdata annotation.Environ Geol 52:303-315.
[8]Camuffo, D.1998.Microclimate for cultural heritage.Amsterdam and New York:Elsevier.
光电传感器检测劣化绝缘子 篇4
根据我国的实际情况, 国家对输变电设备的绝缘及检测作了严格的要求。但是, 目前世界上还没有一种能够在线地、准确而简便地检测出超高压输电线上含有缺陷的复合绝缘子的方法或仪器。
绝缘子串周围空间电场分布特征可用来检测线路中的劣化绝缘子, 在众多的绝缘子劣化检测方法中相对具有操作简便、检测时间短、试验结果可靠的特点。
采用一种新型劣化绝缘子监测方法, 即采用“光电场传感器”对绝缘子串的电场分布进行检测, 通过对绝缘子串电场分布的分析, 进而找出劣化绝缘子。
1 试验概况
1.1 光电传感器应用原理及优势
通过光纤作为数据传输通道, 绝缘杆作为传感头运动载体, 使电场传感器的传感头在绝缘子表面以各种不同距离沿悬挂方向做直线运动, 通过绝缘子劣化检测仪记录绝缘子表面沿线电场强度分布, 通过分布曲线本身以及其与绝缘子电场分布仿真结果对比, 判断绝缘子的劣化情况。
绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。
电光晶体作为电场传感器或者电压互感器的核心器件, 其绝缘优势使其可以轻易的承受高电压和强电场。通过简单地放置在绝缘外壳中增加合适的爬距就可以完成安装。不但节省了造价, 也节省了占地面积。
响应频率特性是测量高频电场变化的核心问题, 即雷电流波形和侵入波波形探测的核心问题。也是除了其绝缘性能好之外, 相比传统电磁式电压电流互感器最大的优势所在。
将高压侧采用绝缘性能好的电光晶体作为传感元件, 以及通过绝缘强度极高的光纤作为信号传输通道, 使其绝缘结构大大简化, 同时没有铁心和线圈, 不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行的暂态响应好, 稳定性高, 保证了系统运行的高可靠性。
1.2 劣化绝缘子电场法判断依据
根据电磁场理论, 由于高压输电线路上传输的是50Hz的高压电, 因此, 它在周围环境将产生一个时变电磁场。把绝缘子看成形状不规则的非均匀填充电介质, 在高压作用下, 它有微弱的泄漏电流, 由于电流很小, 不会对电场强度产生较大影响, 故可以忽略。上述问题归结起来, 就是求解形状不规则的非均匀填充电介质在时变电磁场中的电场分布情况。
基本理论:
曲线A是根据电磁场理论计算出的电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线。正常情况下该曲线是光滑的, 呈“U”形。当绝缘子存在导通性缺陷时 (见图中黑点) , 此处的电位变为一常数, 由于电场强度是电位沿长度的变化率, 因此此处的电场强度将突然降低, 作出的电场分布曲线也不再光滑, 而是在相应的位置上有畸变 (中间下陷, 两端上升) , 见图1中曲线B。
由此可见, 通过测量绝缘子串的轴向电场分布, 可以找出绝缘子的绝缘导通性故障。
1.3 基础实验
(1) 两种不同的调制方式
以大型平板电极作为高电位, 试验台面为地, 分别以不同高度的绝缘柱做支撑, 使平板电极和桌面平行。平板电极1m x1m, 厚度2mm, 不锈钢材料。桌面不锈钢材料, 长方形, 尺寸略大于上极板。晶体通光方向长度d=5cm, 折射率n0=2, 介电常数ε=16, 有效电光系数记为γ约1pm/V。
试验的2种方式调制为:
1) 直接放在地极板表面, 极板间隔23cm
2) 横向放置于塑料杯顶部, 高度约为23cm, 极板间隔43cm。
实验数据:如表格1
试验数据分析:
由电光效应导致的偏振态附加相位差的测量值
Δδ测=U/U0, Δδ1=0.050, Δδ2=0.022
电场强度测量值由下式计算:
Δδ1= (2π/λ) n03γE1d= (2π/1.55um) x23γE1x5cm得E1=30.8k V/m
Δδ2= (2π/λ) n03γE2d= (2π/1.5 5 u m) x23γE2x5cm得E2=13.6k V/m
由于晶体本身介电常数为16, 理想情况下, 如果晶体和空气之间界面为无限大, 则其感应电场应为临近空气中电场的1/16=0.0625, 但实际上, 晶体本身的尺寸是有限的, 而且其形状也会影响附近的空间电场分布, 而相关研究表明, 晶体尺寸越小, 其内电场感应强度越接近于空气中的实际电场。
标度因数F定义为:电场强度测量值/电场强度实际值, 标度因数的大小反映了改调制方式晶体对空间电场的感应能力, 也就是该调制方式的灵敏度, 标度因数根据传感头尺寸和形状以及调制方式相关
F1=30.8/196=0.157
F2=13.6/116=0.117
试验结果分析:
1) 晶体悬空和晶体贴近地电极的感应电场灵敏度有较大区别, 原因是由于平板电极形成的空间电场在靠近上下极板的位置有较大的畸变, 因此需要以悬空测量的数据作为标定量。
2) 由于条件限制, 传感头是固定在塑料杯的顶部, 杯子虽然有很小的介电常数, 但在高电压, 表面的感应电荷也会对测量结果造成影响。
(2) 线性度和重复性的试验
试验方法:
不改变调制方式, 将传感头放在平板电极中部高度处固定好, 将电压从0升高到50k V, 再从50k V降低到0, 记录电压在上升和下降时读数变化的同步过程。
实验数据:如表格2
根据数据拟合函数观察线性度:如图2
试验结果分析:
0~2.5k V/cm的电场强度内, 测量结果线性度高, 重复性好, 上升和下降过程中有完全相同的系数。
2 220k V复合绝缘子劣化仿真对比分析
为了查找复合绝缘子和瓷绝缘子串中, 以及含有零值绝缘子的瓷绝缘子串的故障定位, 通过相关仿真计算查看理想状态下的劣化定位和实际劣化的关系。通过仿真将高压试验大厅操作环境完整再现, 将试验结果和仿真结果进行对比, 查看基于该检测方法的实际应用效果。
试验中使用15片瓷绝缘子, 导线离地高度为5m。绝缘子上端为高压端, 下端接地为低压端。根据试验布置的实际参数建立220k V瓷绝缘子串电场分布研究试验的三维静电场模型, 包括导线、瓷绝缘子串、联接金具、均压环等。所有实体被两个空气体包围, 第一层空气体为长8.4m, 宽1m, 高5m的长方体;第二层空气体为长45m, 宽30m, 高25m的长方体模拟试验大厅。对于良好瓷绝缘子串, 根据试验情况对最上端绝缘子铁帽、导线、联接金具和均压环加载高电位Um=220/=127.017 k V, 对最下端绝缘子钢脚和试验大厅的六个面加载0电位。对绝缘子串上下相扣的铁帽和钢脚进行电位耦合, 瓷绝缘子伞裙的介电常数取6。
仿真结果:如图3所示
3 结论
本文通过对光电传感器对绝缘子串周围电场强度进行检测, 并根据实验大厅的实际情况进行仿真并通过试验数据进行了分析, 得出以下结论:
(1) 良好绝缘子整体表面轴向电场分布呈现U型, 高压端最高, 低压端其次, 中间最低, 和点位分布规律近似, 在出现缺陷的位置, 电场强度出现下降, 在曲线上表现为谷值。
(2) 瓷绝缘子外表面最大场强值出现在靠近伞裙表面附近的空气中, 劣化时电场值减小;测量距离越远, 劣化绝缘子引起空间电场的变化率越小。
(3) 在空间三维电场中, 绝缘子劣化对绝缘子串空间轴向电场分量的影响最明显, 且其影响与劣化绝缘子位置有关, 高压端和横担端较为明显, 中部影响较小。
(4) 连续劣化对其空间电场变化率的影响大于间断劣化, 且劣化绝缘子对空间电场的影响互不干扰。
综合上述分析, 可以得出结论:通过光电传感器对绝缘子劣化检测能够得到很好的实验效果, 可以有效地解决以往传统检测方式的不足之处。
参考文献
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[2]王学跟.电晕放电使复合绝缘子劣化.中国电力2009, (10) :76-76.
[3]张战龙.劣质绝缘子电场问题优化算法.重庆大学学报2009, (11) .
[4]姚境.传感器在高压输电线路绝缘子检测中的应用.传感器与微系统, 2010, 29 (10)
性能劣化 篇5
季冻土隶属于冻土，随着季节温度的变化而产生，冻结时间超过一个月，每年在冬季冻结在夏季消融。季节性冻土区域遍布在纬度高于24°的地区，我国季冻土区域面积约占到国土总面积的50%。冻融作用是土体在环境温度发生变化时由温度效应所产生的对土性质影响的效应，冻融作用主要指冻胀和融沉作用，冻胀与融沉的核心便土体中水分子随温度变化形态随着变化的过程。在季冻土区域，同时伴随的冻胀和融沉作用则是导致土具有特殊性的主要原因。
2 冻融作用对黄土性质影响试验研究现状
国内外广泛研究冻融循环作用，基于土质、试验方法、试验仪器等差异，研究成果没有比较统一的共识，同时处于单纯的理论研究阶段，与工程实际连接较少，工程中能参考的成果也较少，有待进一层探讨研究。
2.1 国外研究进展
国外研究开展的较早，研究范畴涵盖了冻胀融沉机理、试验方法探究、预测模型建立等多方面。早在20世纪中期第一冻胀理论提出毛细压力的概念，水分向冻结前缘移动、聚集而形成冰晶的动力。随后提出了第二冻胀理论，冻结深度与冻结程度之间的关系，以及冰晶行程条件及形态等。20世纪60年代研究冻融循环，试图从机理上解释冻融循环作用下土体内颗粒排列及分子迁移的规律。研究表明冻融循环作用对土体力学性质产生影响。国外关于冻融作用及冻融循环作用的研究在广度及深度都比较领先，在关于冻融作用对土体物理性质影响研究方面也取得了一些被大家广为认同的结论，但由于试验土体自身差异性和复杂性，也导致研究成局限性较大。
2.2 国内研究进展
国内展开冻融作用的试验研究起步较晚。90年代初期，我国有学者针对结冻机理与水分迁移理论，研究冻融作用中盐胀的机理。研究初期，通过水热输运试验方法，提出了冻融作用中水分迁移聚集的基本机理；开放系统下的反复冻融循环试验；对冻融循环条件下的成冰机制做了系统的研究分析。提出了冻融循环作用对水泥土力学性质的影响研究结论并阐述了其劣化的机理，通过模型试验研究了冻融土地基极限承载力的变化规律。在多次冻融循环作用下的无侧限抗压强度、抗剪强度以及压缩性等力学性质进行了较为深入的研究。总体来看，早期研究对象主要针对土体内部水分迁移、结冰机理和土体冻胀融沉等方面的机理研究，并且试图建立冻胀融沉预测模型，但仍存在与实际工程结合不紧的问题。随后在冻融作用对土体物理力学性质的影响研究中展开了广泛充分的试验模拟研究，涵盖土体基本物理性质，力学强度模量等方面，同时对冻融循环作用的机理进行试验模拟，但各方面研究成果差异性较大，有待进一步的研究。
3 试验研究现存问题分析
试验手段是冻融作用研究最基本最有效的方法，主要是进行室内冻融试验。土体试样选取方式、冻融作用模拟方式和试验方法选取导致了研究成果中冻融过程的差异性。关于冻融模拟方法的选择，主要有独立冻融作用模拟和冻融作用模拟与试验同步两类。独立冻融过程是利用低温控温设备进行独立的控温模拟，有单向控温和整体控温，试样在封闭的环境中完成冻融作用模拟全过程。优点在于能够较为完整的模拟天然状态下的冻融作用过程，但缺点是缺乏全过程的监控跟踪研究。冻融作用模拟与试验同步的方法，在模拟冻融作用的同时进行试验，部分试验在冻融过程中增加试样同步跟踪设备，包括对试样形态、位移、温度等多方面进行实时监控，同时可以模拟单向、多向受力条件下的冻融过程。有些试验中在土样轴向，围向施加压力，模拟单向受力状态下的冻融过程，也有增加补水条件模拟补水情况下的冻融循环过程。
试验方法的选择也是决定冻融作用试验研究结果的重要因素。现阶段关于冻融试验的研究多以室内试验为主，主要受限于试验条件与设备条件，也有利用积实土样埋置于室外，或者室外室内试验结合等方式。单从室内试验方法出发，不同方法选择也导致了冻融作用对土性质影响效应具有较大的差异。依照施加冷源位置的不同，有整体冻融、单向冻融和双向冻融；依照施加冷源方式的不同，冻结过程有恒温低温冻结和梯度变温冻结，溶解过程也有恒温溶解和梯度便问溶解，其中温度梯度与时间控制相关，可模拟快速冻结和慢速冻结等；依照试样在冻融过程中是否补水，分为封闭系统冻融和开放系统冻融；依照施加压力方式不同，有轴向加压冻融、围向加压冻融和自由冻融等。在试样仪器的选择上并无较大差异和发展，基于土工学试验基础上进行冻融试验，在土力学性质研究方面现存试验成果较多选择直剪试验进行。从现有文献来看，由于冻融循环作用试验研究涉及的试验量较大，研究不同冻融方式下对土的工程性质影响的试验成果较少，大多数试验只设定一至两个影响条件下的少次冻融循环试验，对多个因素没有进行系统的试验比较。
4 结束语
由于冻融作用试验模拟的复杂性，涉及到多学科多理论基础，同时受试验时间、试验条件、试验方法等多方面的限制，该领域仍有许多方面需要完善并进行深入研究。
参考文献
[1]齐吉琳,程国栋,P.A.Vermeer.冻融作用对土工程性质影响的研究现状[J].地球科学进展,2005,(8):887-894.
[2]邢开第.普通冻土学[J].冰川冻土,1990,(4):154.
性能劣化 篇6
关键词：滨海地区,桥梁,地下水,腐蚀,耐久性
0 引言
2006年,天津滨海新区的开发开放被正式纳入国家总体发展战略。随着滨海新区作为我国北方经济发展引擎地位的确立和经济的快速发展,新区范围内工程建设规模也持续扩大。在这些建设投资中,基础的市政交通工程是初期建设的重点,而这些工程的结构直接接触沿海水土,造成了结构的过早劣化,特别是桥梁,处于最为恶劣的环境,因为,研究本区域的桥梁劣化模式、有针对性地进行应对,是保障桥梁耐久性的关键。
1 侵蚀性地下水对钢筋混凝土的腐蚀
滨海地区侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀主要体现在以下几方面。
1.1 地下水对混凝土的腐蚀
地下水对混凝土的侵蚀作用主要可归纳为三种:溶出性侵蚀、结晶性侵蚀和化学侵蚀。
在地下水环境下,使混凝土材料侵蚀或造成损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的硫酸盐、镁盐、酸等化学介质的作用。
1)溶出性侵蚀。
当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水接触时,水泥石中的Ca(OH)2溶解析出,当为静水和无压水时,溶出反应仅限于混凝土表面,影响不大,但在流水及压力水作用下(如结构发生渗漏),会不断流失,随着浓度不断降低,碱度降低,水泥石中的C-S-H凝胶等随着碱度的降低而不断分解,使得混凝土内的孔隙增加、强度降低直至瓦解,进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。
2)结晶性侵蚀。
在污水处理池外壁地表附近,由于毛细作用,混凝土孔隙中充满了液体,当地下水位及环境温度变化时,液相中的盐分析出,在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物,体积膨胀,从而破坏混凝土结构[1]。
3)化学侵蚀。
地下水中的硫酸盐、镁盐还会和混凝土中的CaO·Al2O3和Ca(OH)2反应。
Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2
4CaO·Al2O3·12H2O·2H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2
MgSO4起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用,Mg(OH)2疏松无胶凝性,同时高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水,且难溶于水,比原体积膨胀1.5倍以上,在混凝土内产生很大的膨胀应力,从而导致混凝土的开裂。
Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2
生成的CaCl2易溶于水,Mg(OH)2疏松无胶凝性。
在温度低于15 ℃条件下,在硫酸盐、碳酸盐共同作用下,还可能形成碳硫硅钙石(Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6]×12H2O),其结果是生成的碳硫硅钙石毫无胶结能力,致使结构破坏。
在京津地区还可能发生的一种反应是碱骨料反应,是指混凝土中的碱或来自地下水中的碱与某些活性骨料发生化学反应,引起混凝土膨胀开裂,甚至破坏。包括碱、硅酸反应和碱、碳酸反应,不同类型碱、骨料反应的共同特征是:骨料发生膨胀和开裂。
1.2 侵蚀性地下水对钢筋的腐蚀
钢筋腐蚀破坏被确认为是导致钢筋混凝土结构过早破坏的一个最主要的原因。
混凝土中钢筋的锈蚀过程是电化学过程,在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备四个条件:1)金属表面各处之间有电位差;2)组成原电池的电解质溶液的电阻较小;3)阳极区的金属表面处于活性状态,能发生电离阳极反应;4)阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂(通常是水和氧),能够进行还原阴极反应。
研究结果表明,氯离子的侵蚀则是引起钢筋腐蚀的首要因素。虽然对氯离子的腐蚀机理还存在许多不同观点,但普遍认为,氯离子半径小,活性大,进入混凝土到达钢筋表面后,对钢筋表面的钝化膜具有破坏作用,促使钢筋表面电化学反应的进行,而氯离子本身在钢筋腐蚀过程中并不参加反应,只是不停地强化离子通道,降低阴极和阳极之间的电阻,加快电化学反应的过程。
滨海环境的地下水,由于受海水的影响,大多富含氯离子、硫酸根离子、镁离子等对钢筋混凝土有害的物质。随着地下水水位的频繁变化,特别是在近海处地下水水位受潮涨潮落变化影响的区域,钢筋混凝土结构受到的腐蚀将最为严重,是结构耐久性设计应该重点考虑和解决的问题。
1.3 冻融和盐冻作用破坏模式
冻融破坏形式是受潮混凝土在负温条件下,由于水分结冰—融化反复作用造成的混凝土的破坏形式。混凝土受冻破坏的原理是水分结冰膨胀和相伴的由于水分迁移形成的渗透压作用。当水分中含有盐分时,这种破坏作用会显著加剧。
盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下,氯盐对混凝土结构的腐蚀主要是通过腐蚀混凝土中的钢筋形成的,但盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的腐蚀作用。
对于桥梁工程而言,盐冻作用通常是由于冬季雨雪天喷洒化冰盐水造成的,当地下水中氯离子含量较高时,也可能造成盐冻破坏。盐冻破坏和普通的混凝土冻融破坏在原理上并没有本质的区别,破坏的形态也相同,但盐冻作用更为严酷,因为氯离子的存在加速了冻融破坏的进程。可以认为盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式。
在天津的大量调查结果表明,如果桥面防水功能不良,由于桥面水下渗,泄水孔外壁缝隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流经处,以及盖梁顶部等处经常处于潮湿状态,为冻融破坏提供了条件。在和天津地区具有基本相同桥梁形式、气候和使用条件的北京地区有关技术人员曾对北京市政桥梁因化冰盐引起的腐蚀情况进行过比较系统的调查,其结果对研究天津地区桥梁受除冰盐腐蚀的状况具有同样的指导性:“通过对北京地区某些立交桥混凝土结构的观测发现,在有落水口或伸缩缝的墩柱处存在钢筋腐蚀阳极区、顺筋裂缝或层裂,墩柱根部也有不同程度的混凝土剥落现象。在负温条件下,以上工程部位可能发生混凝土受冻破坏,以背阳面更为明显。冬季使用化冰盐水时加速了破坏的进程。”
2 提高钢筋混凝土桥梁抗腐蚀性的方法
2.1 合理选择水泥品种
不同品种的水泥,其化学成分及制成混凝土后的性能不同,其耐腐蚀程度也不相同,因此正确选择混凝土的水泥品种十分重要。水泥通常分为5大类:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和特种水泥(如抗硫酸盐水泥等)。
1)普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥性质基本相同,只是硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥纯度更高。其特点是早期强度高、硬化快,制成的混凝土密实性好、碱度高,对钢筋的保护性好。常用水泥中,普通硅酸盐水泥混凝土的密实性最好,碱度最高,碳化速率最慢。2)矿渣水泥的耐水性和耐硫酸盐性能略高。普通硅酸盐水泥耐硫酸根的浓度为250 mg/L,而矿渣水泥耐硫酸根的浓度为450 mg/L。在常用水泥中,矿渣水泥耐氯化物的性能最好。但矿渣水泥混凝土的早期强度低,密实性差,干缩性大,易开裂,碱度也低于普通硅酸盐水泥。3)火山灰质硅酸盐水泥与矿渣水泥基本相同,但综合性能差。火山灰质硅酸盐水泥混凝土吸水性大,不适用于受冻融的工程,也不适用于干燥地区的结构,在一般有腐蚀的建筑工程中不推荐采用。4)抗硫酸盐水泥由于组成中的铝酸三钙和硅酸三钙低,具有较好的耐硫酸盐性能。抗硫酸盐水泥耐硫酸根的浓度可达2 500 mg/L。适用于有硫酸盐腐蚀的地下和港口工程。其抗冻融和耐干湿交替性能都优于普通硅酸盐水泥,但抗氯盐腐蚀能力较差,在氯盐与硫酸盐并存的环境中(如海水),防腐蚀效果不好,容易因钢筋锈蚀而破坏,而且抗硫酸盐水泥产量小,价格较贵。
2.2 合理选择混凝土添加剂
在混凝土中掺加减水剂,可以减少拌合水量,可以达到提高混凝土密实性的目的;掺入引气剂,可以在混凝土搅拌过程中产生大量均匀分布的微小气泡,改善混凝土的和易性,提高混凝土的抗渗性能,达到抑制腐蚀的目的。在混凝土中掺入盐类(如CaCl2),对混凝土具有速凝、快硬作用,但易引起钢筋的锈蚀,特别是对蒸汽养护混凝土。有关资料表明,混凝土中掺有18%的NaCl时,无定电流对钢筋混凝土中钢筋的破坏作用会增加100倍。因此,添加剂种类的选择应该慎重。
在混凝土拌合物中加入外加剂(缓蚀剂)可以有效阻止混凝土中的钢筋锈蚀。亚硝酸钙是目前使用最广的缓蚀剂,其防锈性能很好,用亚硝酸钙与氯离子的摩尔比来表示锈蚀程序,则锈蚀的临界范围在0.07～0.09之间。一般掺混合料的硅酸盐水泥要比纯硅酸盐水泥的抗腐蚀性强,但都不同程度地存在一些缺点,如早期强度偏低,降低混凝土的碱度、自收缩偏大、易开裂等。
对于污水处理厂的给排水构筑物,平面尺寸经常会超出规范伸缩缝的允许尺寸,设计上为防止混凝土开裂,有时会要求在混凝土中添加膨胀剂。不同使用目的下多种添加剂并用时,一定要采取谨慎的态度,根据施工现场试验结果决定添加剂的种类和配比,以期达到最佳的工程效果。
另外,试验证明在混凝土中掺用抗氯离子腐蚀和硫酸盐腐蚀的防腐剂是抑制微生物腐蚀和地下水腐蚀的有效措施。
2.3 严格控制氯离子含量
氯离子是破坏钢筋表面钝化膜,引起钢筋腐蚀的重要原因。混凝土中钢筋腐蚀的氯离子临界浓度与pH值存在着一定的关系,混凝土孔隙溶液的pH值低,则钢筋腐蚀的氯离子临界浓度也低。当混凝土外加剂、骨料、水等原材料的氯离子含量超标时,不得使用,否则必须采取技术措施。而外部环境的渗透则靠提高混凝土密实度、提高抗渗性、加大保护层厚度等措施来防止。
2.4 严格控制水胶比、水泥用量,提高混凝土耐久性能
同一水泥品种的混凝土抗侵蚀性随着水胶比的减小而增强。水泥水化时所需的结合水,一般只占水泥质量的23%左右,混凝土硬化后,多余的水分就残留在混凝土中形成水泡或蒸发形成毛细孔,因此水胶比过大,则混凝土密实性降低,但水胶比过小,则无法保证混凝土浇筑质量,易出现蜂窝、麻面等质量问题。滨海环境受侵蚀性地下水作用的钢筋混凝土构筑物,混凝土的水胶比不宜大于0.5,最好不大于0.45。
2.5 加大保护层厚度
保护层厚度直接影响钢筋的使用寿命,同样条件下(环境介质、水泥用量、水胶比、水泥品种、添加剂、振捣和养护方法等)加大混凝土保护层,能延缓钢筋混凝土的腐蚀。但应当注意,加大保护层厚度意味着加大了结构断面的尺寸,同时当保护层超过一定厚度时,还应采取防止混凝土表面裂缝的构造措施。
2.6 用环氧树脂涂层钢筋
环氧树脂涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性,且膜层具有不渗透性,能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触。且环氧树脂涂层的弹性和耐摩擦性良好。GB 50011-2002混凝土结构设计规范规定:“三类环境下,钢筋混凝土结构宜采用环氧树脂涂层钢筋”。
2.7 混凝土表面涂覆防腐涂层
根据混凝土的高碱性、含水性和多孔性特点,防腐涂层应具备耐碱性、耐久性和浸渍性的性能并且与混凝土有良好的结合力,同时涂料必须是安全、无毒和环保型的,如高渗透改性环氧树脂,改变了以往常规环氧树脂易收缩、不渗透等缺点,在污水处理厂、雨水泵站、地铁等工程的防水防腐得到了广泛应用。
2.8 从系统论角度考虑结构耐久性问题
混凝土耐久性是一个复杂的问题,科学的材料配比是基础,而针对性的施工工艺则是关键,合理的养护制度是保障。针对具体工程,结合工程特点、地域环境等,制定专项工程的《设计、施工、验收规程》,从设计之初,将耐久性问题通盘考虑,实行全过程的质量监控,执行事前控制,事中监控、调整,事后鉴证是最为经济、可靠的措施,在这方面,我们已经取得了很多有益的经验。
3 结语
由于钢筋混凝土结构的复杂性及环境影响因素的不确定性,其腐蚀过程是非常复杂的。目前,随着研究工作的不断深入,混凝土已经从粗放转向精细的定量化设计,污水环境下的混凝土腐蚀与防护技术已经取得了阶段性的成果。耐久性观念已经开始深入人心,并落实到工程的设计、施工、管理等规范中去。污水处理厂等工程耗资巨大,直接影响人们的健康生活,以整体论的角度考虑结构耐久性,是保证结构长期安全健康运营的必要前提,必须引起足够重视。
参考文献
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[3]杨全兵.去冰盐对混凝土腐蚀的机理[J].上海建材学院学报,1991(4):95-97.
混凝土结构劣化原因及耐久性探讨 篇7
长期以来,我国土建工程在其设计中对于结构的耐久性和使用年限未能给予足够重视,随着混凝土的广泛应用,其劣化问题不断暴露,尤其是海洋、盐碱等恶劣环境更为突出,现就其劣化原因及耐久性做一些探讨。
1 混凝土劣化的原因
1.1 混凝土劣化的内部原因
在混凝土凝结初期,由于水泥胶块的收缩以及泌水、骨料下沉等原因,在骨料与水泥胶块的接触面上以及水泥胶块内部将形成微裂缝,它是混凝土内最薄弱的环节,在荷载的作用下将继续开展,对混凝土的强度和变形产生不利影响。
在大气作用下,混凝土内部微裂缝继续扩展而丧失水密性,形成早期裂缝。在使用阶段,随着环境条件的骤然变化(如干湿、冷热),混凝土内部应力增加,促使已有的微裂缝发展成为可见的裂缝。
1.2 混凝土劣化的外部原因
在实际工程中,由于施工浇筑产生的外观质量缺陷,如露筋、蜂窝、孔洞、夹渣、疏松和裂缝,以及缺棱掉角、麻面起砂、钢筋腐蚀等产生劣化。
混凝土本身受环境中腐蚀性介质作用引起的劣化,因水泥、水和骨料搅拌比例及施工质量不达规范而受盐碱侵蚀过早劣化。
试验表明,强度等级越高的结构混凝土,特别是掺有硅粉(降低渗透性,从而改善耐久性)的混凝土,尤其容易出现大量裂缝,原因除所用水泥活性高,用量较大,水化温升显著,降温期间会引起剧烈的温度收缩变形外,由于低水灰比导致的自身收缩增大以及混凝土的粘弹性减小,抗裂性能及开裂后自愈性能差等,也都是引起当今结构物大量出现早期开裂的重要因素。
1.3 影响混凝土耐久性的其他原因
现浇混凝土广泛用于各种工程结构:低高层地面建筑、电站安全壳、海洋结构及空间结构,如冷却塔、管道、水池等。我国近年修建的大量工程中,在耐久性要求上多套用设计规范中的低标准而留下或多或少的隐患,有的城市地下工程外墙混凝土强度仅有C20,有的跨海大桥浪溅区构件仍采用不耐氯盐侵蚀的C30混凝土和仅为3 cm～4 cm的保护层厚度,公路桥面板的混凝土保护层厚有的仅为2 cm,这些做法在国外的通用标准中是不许可的,但不违反我国规范的规定,因此设计规范的低标准及管理体制上的缺陷、施工质量管理不严格以致混凝土结构劣化增加,耐久性下降。
延长混凝土结构的寿命除了进行耐久性设计,还应在使用期间定期检查、诊断、修补和加固。
2 混凝土开裂与劣化机理
混凝土在凝结硬化过程中,其早期强度增长速度快,要求水灰比降低,水泥强度提高,混合材料活性提高,浆骨比(用水量)增加,此时混凝土水化温升提高,温度收缩增加,自收缩和干收缩增加,早期弹性模量提高,徐变减小,拉应力和拉应变增加,早期开裂倾向增加。在冷热、干湿及腐蚀性介质作用下,或循环、冲击荷载作用下,其内部拉应力超过抗拉强度,产生可见裂缝与不可见裂缝,混凝土开裂、剥落以致耐久性下降,整体性丧失。
3 改善混凝土劣化提高混凝土耐久性的措施
3.1 掺加粉煤灰或矿物等掺合料
在混凝土中掺加适量的优质粉煤灰或磨细掺合料,可以减少混凝土的早期裂缝,虽然早期强度有所降低,但能提高混凝土的后期强度和耐久性,提高混凝土的质量。
3.2 设置伸缩缝、后浇带或加强带
设置混凝土结构伸缩缝可以避免由于温差和混凝土收缩引起的结构裂缝与变形,伸缩缝间距是控制结构产生裂缝的重要因素,其设置给施工和使用带来的不便以及渗漏隐患,可设置后浇带和加强带,以减小结构的约束应力,从而避免结构裂缝的产生。
3.3 关键部位增加混凝土的构造配筋
为了减少混凝土的构造性裂缝,除满足受力筋的配置外关键部位增加构造钢筋对混凝土的收缩有约束作用,能减少混凝土开裂。如在混凝土板的阳角或阴角处布置放射状钢筋,在开口结构的自由端增加构造钢筋或增设暗梁、小肋,在高梁的腰部增加构造腰筋,在厚板顶部受压区连续配筋,此时增加的构造钢筋虽然对混凝土的收缩起了引起约束应力的作用,但是当裂缝形成时,它们又起了约束裂缝形成和开展的阻力作用。
3.4 采用蒸汽养护
采用蒸汽养护,从而避免自身收缩以及温度收缩引起的开裂现象。研究表明,混凝土的水灰比(水胶比)越低,就越需提早开始湿养护,并采用一些技术措施,如掺用适量粉煤灰等掺合料,部分骨料采用浸过水的轻骨料替代,模板内壁设置可透水垫层,以减少或避免开裂,增加其耐久性。
3.5控制早期混凝土内部应力
即使因施工的努力能控制住混凝土早期可见裂缝的发生,但在混凝土结构内部积蓄的应力依然存在。混凝土的干燥收缩期很长,使用阶段环境条件的骤然变化(例如干湿、冷热、温湿度陡升陡降)会增加内部的应力,促使已有的微裂缝发展成可见的裂缝,根本的办法是控制早期内部应力以减少内部应力的积蓄导致微裂缝扩展。
综上所述,改善混凝土的耐久性,延长结构使用寿命的关键是要根据工程所处环境条件,从结构设计角度,从混凝土选择原材料和配合比以及生产加工过程(包括搅拌、运送、浇筑、振捣、抹面、养护及拆模各个环节),赋予混凝土早期坚实匀质的基体,使之具有尽量小的内应力,对于大型或特大型工程,适当提高设计标准,加强施工管理和质量监督,是减少混凝土劣化、提高混凝土耐久性的有效措施。
改善混凝土结构的耐久性,还需要改善我们的工程教育,加大混凝土试验研究,更新混凝土技术,完善我国的混凝土设计规范,与国际接轨,以促进我国建筑业水平的提高。
参考文献
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