临涣矿区立井井壁腐蚀机理与结构可靠性研究

发布时间：2017-09-15 04:26

  本文关键词：临涣矿区立井井壁腐蚀机理与结构可靠性研究

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【摘要】：临涣矿区的地下水中,普遍含有高浓度的S042-和Ca2+离子。该矿区部分立井的基岩段,有大量腐蚀性水流淌的部位腐蚀程度较轻,而有少量渗水的部位却腐蚀严重。以童亭副井为例,对这种腐蚀现象的机理进行研究后,建立了一种基于室内加速腐蚀试验的,对腐蚀井壁进行可靠性评价和剩余寿命预测的方法。使用超声平测法和混凝土回弹法,对童亭副井典型部位的腐蚀程度进行评价后,通过腐蚀性水的离子成分分析和腐蚀产物、过水面井壁及其附着致密层的物相分析,对井壁腐蚀机理进行了研究。研究结果表明：腐蚀性水中的CaSO4已经饱和,当这种腐蚀性水在井壁表面流淌时,CaSO4结晶形成的致密层,有效减少了混凝土与腐蚀性水的接触,延缓了腐蚀性水中S042-对井壁的腐蚀；当腐蚀性水从浇筑缝流出时,由于渗水量小且蒸发作用大,CaSO4在浇筑缝内结晶膨胀,促进了硫酸盐腐蚀的发生。腐蚀发生后,井壁结构是否安全以及还能服役多久,是最令人关心的问题,这显然与其强度相关。目前腐蚀结构剩余强度的时间预测,多基于加速腐蚀试验,需要解决加速腐蚀试验的当量加速关系,以及加速腐蚀试验中混凝土强度劣化规律这两个关键问题。为了解决这两个问题,分别进行了三点弯曲梁和立方体试件的加速腐蚀试验。三点弯曲梁加速腐蚀的试验环境,包括三种浓度(清水、9%和15%)的浸泡腐蚀和一种浓度(15%)的干湿循环腐蚀。腐蚀试件的物相分析表明,这三种加速腐蚀环境下发生的硫酸盐腐蚀反应基本与井壁腐蚀相同,加速腐蚀对现场腐蚀具有代表性。使用GM(1,1)模型建立试件腐蚀厚度和弹性模量的时间函数,将干湿循环腐蚀厚度的时间函数与现场腐蚀深度的对比,得到干湿循环腐蚀的当量加速关系。再结合15%浸泡与干湿循环弹性模量时间函数的相互对比,得到了15%浸泡腐蚀试验的当量加速关系。立方体试件在进行0、14和21MPa的加载后,分别放入清水和15%硫酸盐溶液进行浸泡腐蚀试验。利用不同腐蚀龄期时的单轴抗压试验,使用GM(1,1)模型建立了腐蚀试件轴心抗压强度的时间函数。假设以抗压强度与弹性模量为指标的当量加速关系相等,结合15%溶液浸泡腐蚀的当量加速关系,建立起了井壁腐蚀段轴心抗压强度的时间函数。以童亭副井四个腐蚀段为研究对象,以等比例降低材料参数的方式,使用FLAC3D对不同腐蚀程度井壁的应力分布进行了数值模拟。结果表明腐蚀段全部失效时,井壁应力的最大改变率也不超过10.2%,并且影响范围有限。忽略腐蚀对井壁应力分布影响后,结合井壁腐蚀段轴心抗压强度的时间函数和圆形井壁的弹性力学解,建立了童亭副井结构可靠度指标的时间函数。若服役环境不发生改变,童亭副井的结构失效概率达50%时的服役时间为47.3年,自2014年起还有22.3年,目前可不急于进行加固。而如果在施工期,井壁经历了相当于14MPa或21MPa的损伤,那么其结构失效概率达50%时的服役时间将会分别降低至24.4和20.2年。当地下水中含硫酸盐等腐蚀介质时,应当特别注意施工节奏,避免早期受力对混凝土形成损伤,造成井壁服役寿命降低。
【关键词】：井璧 腐蚀机理分析 可靠度评价 服役寿命
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD265.32
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-15
• 2 文献综述15-25
• 2.1 硫酸盐作用对混凝土耐久性研究现状15-19
• 2.1.1 地下混凝土耐久性研究现状15-16
• 2.1.2 硫酸盐腐蚀机理16-17
• 2.1.3 影响硫酸盐侵蚀的因素17-19
• 2.2 灰色理论在混凝土领域的应用现状19-21
• 2.3 在役结构可靠性研究现状21-25
• 2.3.1 可靠性评价方法21-23
• 2.3.2 结构剩余寿命的评价方法23-25
• 3 童亭副井腐蚀情况调查及腐蚀机理分析25-58
• 3.1 引言25-26
• 3.2 童亭副井概况26-29
• 3.2.1 地层与井筒概况27-29
• 3.2.2 水文概况29
• 3.3 童亭副井腐蚀程度评价29-43
• 3.3.1 检测仪器及检测依据30-31
• 3.3.2 检测步骤及检测数据的处理方法31-33
• 3.3.3 典型部位的腐蚀程度检测33-43
• 3.4 井壁腐蚀因素调查与分析43-56
• 3.4.1 试验仪器43-45
• 3.4.2 地层和渗水化学成分分析45-49
• 3.4.3 腐蚀混凝土和致密层的成分分析49-55
• 3.4.4 井壁腐蚀因素分析55-56
• 3.5 小结56-58
• 4 加速腐蚀试验腐蚀机理及损伤规律分析58-86
• 4.1 引言58
• 4.2 硫酸盐腐蚀环境下的加速试验58-65
• 4.2.1 加速腐蚀环境58-59
• 4.2.2 腐蚀溶液浓度59-61
• 4.2.3 试件尺寸的确定61-62
• 4.2.4 材料和配合比62-65
• 4.3 加速腐蚀试验的机理分析65-70
• 4.3.1 加速腐蚀试验的代表性分析65-67
• 4.3.2 腐蚀以外因素对混凝土性能的影响分析67-70
• 4.4 井壁混凝土性能的腐蚀劣化规律研究70-85
• 4.4.1 超声性能的劣化规律70-75
• 4.4.2 失稳韧度的劣化规律75-80
• 4.4.3 立方体抗压强度的劣化规律80-83
• 4.4.4 弹性模量的劣化规律83-85
• 4.5 本章小结85-86
• 5 加速腐蚀试验与井壁腐蚀的时间关系86-102
• 5.1 引言86-87
• 5.2 干湿循环腐蚀与现场的时间关系87-91
• 5.2.1 腐蚀深度长期值的时间函数87-90
• 5.2.2 干湿循环腐蚀试验的当量加速关系90-91
• 5.3 浸泡腐蚀与现场的时间关系91-97
• 5.3.1 弹性模量长期值的时间函数91-95
• 5.3.2 浸泡腐蚀试验的当量加速关系95-97
• 5.4 井壁腐蚀段轴心抗压强度的时间函数97-100
• 5.5 小结100-102
• 6 腐蚀井壁结构可靠性评价102-110
• 6.1 引言102
• 6.2 服役结构可靠性的特点及计算方法102-104
• 6.2.1 服役结构可靠性的特点102-103
• 6.2.2 结构可靠性的计算方法103-104
• 6.3 井壁结构可靠度的功能函数104-107
• 6.3.1 井壁抗力标准值的公式推导104-105
• 6.3.2 抗力和荷载的统计分析105-107
• 6.4 腐蚀井壁结构可靠度指标的时间函数107-109
• 6.5 小结109-110
• 7 童亭副井井壁整体结构稳定性与可靠度评价110-143
• 7.1 引言110
• 7.2 井壁的荷载作用分类及计算110-116
• 7.2.1 竖直附加力111-113
• 7.2.2 自重荷载113
• 7.2.3 永久地压113-116
• 7.3 腐蚀井壁FLAC~(3D)模型的建立116-126
• 7.3.1 模型范围及边界条件116-117
• 7.3.2 材料参数117-121
• 7.3.3 应力初始化121-126
• 7.4 腐蚀对井壁塑性区及应力分布的影响分析126-134
• 7.4.1 腐蚀过程中井壁塑性区的变化规律126-128
• 7.4.2 腐蚀过程中井壁应力分布的变化规律128-134
• 7.5 腐蚀井壁的结构可靠度及剩余寿命评价134-142
• 7.5.1 童亭副井腐蚀段结构可靠度指标的时间函数135-137
• 7.5.2 童亭副井的结构可靠度评价和剩余寿命预测137-140
• 7.5.3 初始损伤对腐蚀井壁服役寿命的影响分析140-142
• 7.6 小结142-143
• 8 结论与展望143-145
• 8.1 主要结论143
• 8.2 主要创新点143-144
• 8.3 研究展望144-145
• 参考文献145-156
• 作者简历及在学研究成果156-159
• 学位论文数据集159

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3 崔广心;程锡禄;;徐淮地区井壁破坏原因的初步研究[J];煤炭科学技术;1991年08期

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本文编号：854317