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第四节 材料结构研究室
日期:2014-08-19点击数:字号:【

一、长期静荷载作用下大块体结构的研究

自1957年由于交通部水运科学研究院筹备处人员的加盟,南科所归属水电、交通两部领导,新成立的材料结构研究室主要为港口航道工程服务。

本专业方向先从研究水运工程结构(包括码头、船坞、船闸)受力状态开始,1972年以后,逐步扩展到水利水电工程结构研究,及至1980年以后,又进一步发展到以水电站结构应力分析与坝工结构安全问题为主要研究内容的研究。由于这些结构均属大块体结构,具有同样性质的问题需要研究,如温度应力、徐变、结构地基相互作用等,因而形成了本研究方向。

1957年从水运工程的码头、船坞、船闸等结构受力状态开始探索研究。

1960-1966年,结合江苏省五里窑船闸原体观测需要,研制了有关弦式传感器,开展了原体观测和内力分析,在此基础上,对广州文冲船厂一、二号万吨级船坞沉降、浮托力、坞墙土压力、龙骨墩反力以及底板应力等多项观测和分析,为水运工程原体观测及分析积累了经验和教训。

1963年,开始先以研究高桩码头的嵌固点问题开展了以模型试验与光弹性试验方法研究弹性支承排架与深梁的应力分布问题。

1964年,结合船闸和码头等进行平面光弹试验,并对低弹模材料与制模技术作了研究。70年代初步开展了三向光弹试验,并对不同弹模材料的研究与制模加工测试技术,进一步作了提高。80年代开始,对水电站结构进行了光弹应力分析试验。

1964年:开展了混凝土徐变试验及计算方法的研究,70年代以后,在大量生产试验基础上,对徐变理论和计算方法作了进一步研究。

1967年,结合湖北洪湖船闸的试验研究,提出了尼龙橡胶片状闸门的设计方案,以后在水电部的指示下,结合国内橡胶坝的兴建,进行了总结和推广工作。通过探索并在室内和现场试验基础上,提出无锚固和充水锚固橡胶坝结构型式。

1980年以后,开展了以水电站结构应力分析与坝工结构安全问题为主要研究内容的工作。

本专业方向的具体研究成果有6个方面。

1、船坞、船闸与水电站结构研究

1962—1973年间,对黄埔文冲船厂一、二号万吨级船坞进行了结构原体观测与内力分析;1973—1974年间,对江苏金湾水闸进行了原观测试;1964年以及1972—1977年间,用光弹性试验的方法对西津船闸、葛洲坝船闸闸首与闸室结构进行了应力分析;70年代初,开始以光弹性试验对水电站结构进行实验应力分析;1973年之后,用有限单元分析方法编制了船闸、船坞、拱坝等电算程序,对葛洲坝船闸、文冲及马耳他船坞底板、马岭头拱坝等进行了线性或非线性应力分析。本部分内容共提出成果近20篇。

2、混凝土结构的徐变问题的研究

1964年开始,配合船坞原观试验开展了混凝土徐变试验与徐变计算方法的研究。70年代中期以后,由于兴建更多的大体积水工建筑物.徐变试验愈益频繁,在大量试验的基础上对徐变理论与计算方法作了进一步研究。后来,结合南科所及其它单位混凝土改性材料的研制,对这些特种材料的徐变性质也作了一些试验研究。这方面的成果共20余篇报告

3、温度应力问题研究

70代初期起,随着船坞的大量兴建,最令人关心的问题是坞墙与底板在施工过程中的开裂问题。为解决这一问题,交通部有关科研单位成立协作研究课题组,南科所参加了这一工作。通过试验、调查与分析,对大块体结构物在施工期温度应力的发展过程与裂缝产生之间的关系有了较清楚的认识。在此基础上,于80年代初参加了船坞规范中有关温度应力与温控防裂措施条目的编写工作;60年代中期,结合文冲一号坞底板及坞墙的温度场、应力场进行了观测与分析,提出了港工混凝土大块体温度应力的试验研究报告,给出了温度应力计算公式;1975年开始:与交通部第一、第四航务工程局科研所合作,通过对文冲、红星、山海关等船坞坞墙的温度场与温度应力场的观测与分析,对坞墙温度应力计算抗裂措施作了探讨。80年代初,参加了交通部港口工程船坞设计规范中有关温度应力与防裂措施条文和说明的编写工作。

4、光弹性实验应力分析

船坞、闸坝等大块体结构的研究,主要借助于光弹性试验与现场原型观测。在光弹试验方面,自上世纪60年代中至70年代初,主要结合水工结构(包括码头结构)进行平面光弹试验,并对低弹模光弹材料与制模技术作了研究。70年代中期以后,逐步开展三向光弹试验,并进一步提高了不同弹模光弹材料的性能与制模加工测试技术。

除了结合工程进行闸坝结构以及码头排架方面的光弹性试验外,还在实验技术方面取得了以下成果:研制成功供平面常温光弹试验用的不同弹性模量光弹性材料。在国内首先使用了以室温硫化硅橡胶作光弹性模型的模具材料。研制了可供三维光弹性应力试验用的变弹模光弹性材料。研制了镀银反射涂层、可供进行薄板光弹性试验。研制了光弹分析用的计算尺和简易切片机。

5、橡胶闸坝试验研究

60年代末,结合洪湖船闸,第一次提出了尼龙橡胶片袋闸门的设计试验,并成功地投入了运行。之后,进一步结合有关工程对橡胶坝在水闸以及围堰上的应用及其锚固方式进行了试验研究工作。

在70年代初期,通过室内试验分析,研制成功用锦纶材料制作的片状柔性闸门,在湖北洪湖船闸上成功应用。这是在我国创新的一种新型闸门,将重力式U形结构改为斜坡薄底板轻型结构,并可取消输水廊道与消能系统,从而在节约三材、降低投资、加速施工等方面发挥了效益。

在70年代后期及80年代初期,进行了以下工作:结合北京右安门水闸,将橡胶坝推广应用于围堰结构上。进行了无锚固橡胶坝的室内模型试验,提出了试验报告。进行了胶囊充水锚固橡胶坝的室内及现场试验,在安徽固镇新马桥水坝上应用,取得了成功,并提出了试验研究报告及设计施工总结报告。参加橡胶坝设计手册的编写工作。

6、结构物原观测试技术开发

在60年代前期,配合结构物的原观测试,研制了各种钢弦式传感器,包括土压力计、钢筋计等,其后编写了研制报告。同时研制成接收总机,在原观测试中起了较大的作用。在文冲一号坞原观测试的基础上,编写了880—2工程原体观测技术总结,在港工大块体结构原体观测工作有重要参考价值。在80年代后期与80年代初期,进一步研制了D—O型钢弦式频率仪与巡回检测自动化装置。80年代初又研制了大吨位反力计(150吨),并在几个水电站大坝预锚加固工程中用于预锚力的测试,获得了比较满意的结果。

二、结构振动与抗震问题研究

自1963年开始研究高桩码头的嵌固点问题起,开展了以模型试验与光弹性试验方法研究弹性支承排架与深梁的应力分布问题。

1964—1965年,结合南京炼油厂悬重式消能万吨浮码头进行了靠船与系泊时的船舶荷载的模型试验与现场测试工作。

1966—1967年,先后对上海和广州两地区码头和船舶荷载作了进一步调查和实测。

1973—1974年,随着油轮码头日益向海外发展,南科所又结合上海供油码头工程进行波浪作用下码头与船舶荷载的模型试验,为我国港口工程荷载规范中船舶荷载部分提供了科学依据。

1973年开始,结合湖南镇电站机墩结构振动模型试验,开展了水工结构振动问题研究。

1974年继续结合张华浜五泊位进行了现场原型观测。

1976年,唐山地震后,开展了闸坝工程结构抗震研究,重点对江苏嶂山闸加固前后的动力特性进行现场与模型试验研究。还陆续开展了东江、紧水滩等水电工程的动力试验。同时开展了桩基梁板式码头、桩基墩式码头、方块重力式码头等抗震性能研究。

1974-1976年间,结合湛江一区南整体码头模型试验,开展了码头空间受力问题的研究。

1983年后,随着港工结构逐步向深海发展,外海结构物在波浪作用下的动力特性与受力性能位为设计单位所十分关注,南科所开展了深海筑港结构包括重力式与和桩基结构的振动与抗震问题研究,结合近海固定平台设计规范的修订,开展了固定式平台的动力分析与试验研究,以及桩基在静、动、循环水平荷载下桩土相互作用性态的研究。

主要理论和规律性研究成果有5个方面。

1、高桩码头结构受力问题研究

1963年对高桩码头在水平荷载作用下桩基的嵌固点问题进行了初步研讨,在此基础上开展了有机玻璃排架模型试验,并模拟桩基的弹性支承。试验表明,码头横梁的应力基本上是线性分布,水平荷载的95%由叉桩承受。

1964年与交通部第二航务工程局协作,结合某工程对外径φ600毫米。厚14毫米的钢管桩进行现场试验,试验内容包括打桩锤击动应力、轴向位压承载力、水平荷载作用下的桩身弯矩分布等。

1965年,结合上海张华浜码头三、四泊位前方桩台叉桩的断裂问题,与有关单位一起参加了码头结构现场观测与承载力测定等工作,以判别结构的安全状态,并为加固方案做出抉择。

与此同时,对高桩码头排架计算方法进行了研究,提出了考虑桩土相互作用的排架计算方法,并提出了计算图表,使高桩排架计算更为精确,实用而简捷。

此外,还通过光弹性试验方法对高桩码头排架进行试验,表明弹性支承上的横梁实际上已不属于深梁范畴。

1973—1974年,在新建张华浜港区五泊位高桩码头前后方平台进行了原型观测,试验的分析采用了回归截矩法,使原观资料分析水平提高一步。

1970年与有关工程单位协作,对天津、上海地区板桩岸壁的设计计算方法、施工工艺及试验研究进行了调研,编写了调查总结报告。与此同时,还对国产钢板桩截面造型进行了模型试验。

1978年,结合设计中的湛江一区南高桩码头进行了五跨空间整体模型试验,检验火车荷载、门机荷载与水平荷载下各排架桩基与横梁的受力状态。

在此期间,编制了高桩码头简化空间计算程序,结合具体工程进行计算,并与实验进行了比较。

1979—1980年间,对上海地区铰接码头面板定型设计进行了模型试验与有限元分析。

在实验设备方面,1973年,结合生产任务,筹建结构振动试验室,研制振动与抗震相似材料,开始了水工结构振动问题的研究,开展了一系列结构振动模型试验。

2、码头船舶荷载问题

1964—1965年间,与交通部第二航务工程局设计院协作,开始了以模型试验方法研究船舶荷载问题。通过试验提出两篇成果。根据这些研究成果编写了港口工程荷载规范中的船舶荷载部分的有关条文。

1966年,参加交通部港口工程荷载规范编写工作,并负责船舶荷载部分。与各航务工程局设计院协作,先在上海港进行调研与现场测试。通过对船舶靠泊、系泊及离岸时状态及影响因素的调查,及对50余艘船舶靠船力、靠船速度、船舶质量、系缆角度等的测定,提出了调查实测报告。对当时条件下上海码头船舶荷载的量值、规律及其影响因素作了探讨与分析,为港口工程荷载规范中船舶荷载部分条文的编写打下了基础。

1973—1974年,受工程单位委托,对广州地区码头结合上海供油码头进行波浪作用下船舶荷载的模型试验。

3、码头结构抗震问题研究

1976年唐山地震,天津新港地区一些码头遭受一定程度的破坏、交通部开始重视港工结构的抗震设计与试验研究。配合编制《水运工程建筑物抗震设计规范》的要求,开展了以新港软基高桩码头、长江桩基框架码头及桩基墩式码头为实例的模型试验研究,同时也进行了一些现场实测。结合营口某码头工程进行了方块式码头的抗震试验。同时,结合水运工程抗震设计规范的编制工作,开展了桩基板梁式码头、桩基墩式码头与框架码头的抗震试验研究工作。进行了方块重力式码头和沉箱式码头的抗震性能研究。

4、深海筑港结构振动问题研究

1983年以后,在桩基结构振动方面,除进行考虑桩土相互作用的动力分析外,结合某工程完成了现场静、动循环与水平荷载试验,同时还进行了干湿沙中管桩受水平静载与循环荷载的模型试验。提出了现场软粘土中以及模型干沙中的曲线及其表达公式,是国内这方面研究中较早取得的成果。结合试验进行了桩的非线性有限元静动力分析。这项成果在第三届国际离岸力学与极区工程会议上进行了交流。

此外,结合近海工程固定式平台进行了规则波与不规则波下的模型试验与动力分析,包括概率性动力分析。

5、水工结构振动与抗震问题研究

自1973年开始,随着水电建设事业的发展,逐步开展了水工结构振动问题的研究。

1976年唐山大地震后,开展了闸坝结构的抗震研究,主要结合位于江苏省10度强震区的嶂山闸进行动力性能与抗震加固方案的试验分析。对嶂山闸进行了加固前后的现场试验,不同结构状态的动力模型试验,以及考虑闸整体工作状态时的动力有限元分析。其后又对其它闸墩进行了计算分析。

1980年,提出了“中国近年来水闸与桩基结构的抗震研究的若干进展”一文参加美南双边地震工程学术讨论会进行了交流。

 

三、钢筋混凝土结构研究

1957年,适逢我国第一个五年计划时期,为发展水上运输,在沿海、沿江修建港口码头,在软土地基中普遍采用桩基结构,由于在沉桩过程中,经常发生裂桩、断桩事故,严重影响工程质量。受生产单位委托,在上海和塘沽新港等地开展了大规模钢筋混凝土桩现场试验工作。

1958—1961年,通过对空心桩、实心桩、实心变截面桩等不同长度、不同截面的试验,取得丰富资料基础上,分析断桩和裂桩原因,提出了抗裂抗断的措施。

1965年,参加上海张华浜三、四泊位前方桩断裂问题的现场观测与加固方案研究及南京炼油厂码头钢管桩的现场试验。

1974年对张华浜五泊位进行了原体观测,同时对湛江一区南高桩码头进行了五跨空间整体模型试验,检验码头在各种受力情况下排架桩基与横梁的受力状态。

1966—1976年,十年动乱影响,开展了少量研究工作。

1970—1971年,对天津、上海地区板桩岸壁的设计计算方法、施工工艺及试验研究进行了调研,并对国产钢板桩截面造型做了模型试验,选定BIY型作为试制新型钢板桩型式。

1976—1980年,在1978年建成钢筋混凝土结构试验大厅后开展钢筋混凝土和预应力混凝土的试验和研究工作,包括预应力混凝土桩的预应力损失试验、高1.2米和1.6米钢筋混凝土梁抗剪强度和抗裂塑性系数试验研究、预应力叠合梁抗剪强度和收缩徐变微差应力试验研究,同时开展了少筋混凝土的研究工作。

1979—1981年,为研究高桩码头钢筋混凝土桩帽合理计算方法,进行了钢筋混凝土的模型桩帽和足尺桩帽的试验研究,提出对重要港口的高桩码头,桩帽应满足正截面、侧面和斜裂缝抗裂要求。

1981年后,南科所开展了局部荷载作用在钢筋混凝土空心铰接板的横向传递和局部荷载作用在钢筋混凝土实心板的有效工作宽度的研究,拟通过模型和足尺试验,为制定港口的高桩码头规范提供科学依据。

70年代起,结合港口工程的设计和规范编制,进行了较多的试验研究,如预应力钢筋混凝土叠合梁的抗剪强度,预应力钢筋混凝土叠合梁的收缩徐变微差应力,钢筋混凝土高粱的正截面抗裂和破坏强度,少筋混凝土和钢筋混凝土桩帽受力性能的试验研究等。

1、预应力混凝土桩研究

50年代末,为解决高桩码头沉桩过程中断桩、裂桩质量问题,与兄弟单位协作,对打桩时锤击动能、打桩应力、预应力度及预应力损失等问题,先后在上海、塘沽新港等地进行了规模较大的预应力桩现场试验。试验桩共31根,计有空心桩、实心核、实心变截面桩三种桩型。通过试验,取得了丰富的现场试验资料,分析了断桩、裂桩原因,提出了防裂抗裂措施,改进了设计要求和施工工艺。保证了工程质量。通过试验,提出了改进桩设计和施工工艺的建议。

2、预应力混凝土叠合梁研究

对17根预应力混凝土叠合梁和9根钢筋混凝土梁进行试验,提出了预应力叠合梁抗剪强度公式。对钢筋混凝土叠合梁收缩徐变微差应力进行试验研究。 推导了可供计算使用的梯度微差应力的公式。对39根有支撑施工的钢筋混凝土叠合梁、17根有支撑施工的钢筋混凝土叠合梁的试验以及22根无支撑施工的预应力叠合梁,得出了有支撑施工的非预应力钢筋混凝土叠合梁的收缩徐变微差应力随期龄增长,达到最大之后,又随期龄而减小。以至达到可以忽略不计的程度等结论。

3、少筋混凝土桩和高粱研究

1980年与兄弟单位协作,进行了少筋混凝土梁的试验。

1979—1981年,为研究高桩码头钢筋混凝土桩帽合理计算方法,进行了模型钢筋混凝土桩帽和足尺钢筋混凝土桩帽试验。提出了三阶段裂缝的抗裂算式,可供设计参考应用。

对5根高1.2公尺和3根高1.6公尺米有腹筋的码头钢筋混凝土梁进行抗剪试验,这些试验可以说是填补了空白。

5、其它方面的研究

除以上所述外,本专业还对在建和已建工程的钢筋混凝土构件和结构进行技术鉴定性试验,计有:荻港码头钢筋混凝土大梁,新港码头预应力混凝土大板,二航局裕溪口预制厂预应力混凝土空心梁,江阴澄西船厂艏装码头,南京市大中桥,海南岛八所港矿石栈桥码头等,测定构件强度和变形,结构的应力和变形,检验构件和结构的材质,评估结构的使用寿命,并提出应采取的技术措施等,为工程单位解决实际问题。

 

四、水工港工混凝土与钢筋混凝土耐久性与性能改进研究

1957年先后调查研究了我国沿海北起大连南到海南的海工建筑物,以及海河、长江、珠江等河流上的河港建筑物的混凝土腐蚀与冻融破坏问题,60年代初,增开了钢筋混凝土中钢筋锈蚀的耐久性研究工作。

1957—1966年,实地调查了我国海工混凝土耐腐蚀性、耐冻性和钢筋混凝土的锈蚀状况和原因,在葫芦岛、秦皇岛、天津、海南、湛江等地,建立了海工混凝土耐久性野外暴露试验站。并在室内开展了相应的试验和研究。

1964年—1972年期间,在50年代后期研究混凝土无破坏检测的基础上,先后对很多工程包括对南京长江大桥进行桥墩台、墩柱、双曲拱的无破损超声检测,对不符合混凝土质量的部位,时进行了修补。1979—1980年对长江葛洲坝水利枢纽工程大坝混凝土等工程,也作了无损检测,并列入国家验收文件中。南科所应用超声波检测混凝土强度、裂缝和内部缺陷的方法,经水电部组织鉴定,在国内首次列入部颁标准。

1973年,为确定我国第一艘万吨钢筋混凝土浮船坞—钟山号—的节点混凝土的配方,进行了试验研究,提出了最佳配方方案,为工程部门采用。

1973年,开始混凝土外加剂的研究工作,开发出非氯型混凝土早强剂及N型减水剂,填补了国内空白。1975年由交通部组织鉴定列入部颁港工混凝土规范,并在全国首先推广应用了混凝土的外加剂。

1971年,在湛江、天津新港和上海高桥进行了港工钢筋混凝土耐久性现场暴露试验、海水海沙在港工混凝土中的作用、港工混凝土允许裂缝宽度、高强钢丝在海工预应力腐蚀以及粉煤灰应用对混凝土耐久性影响研究,

1977年,配合广西大化水电站建设,从作用机理和工程实践的角度研究开发了糖蜜、TE和3FG—2等减水缓凝剂,解决了大坝主体工程不敢用外加剂的难题,1980年经水电部鉴定,在大化水电站大坝混凝土中应用,收到了明显的技术经济效益,开创了混凝土外加剂在大体积水工建筑物中应用的先河。

1978年,开始了聚合物水泥砂浆和混凝土的研究工作,先后进行了乳胶水泥砂浆、丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆、低毒环氧砂浆、树脂砂浆以及聚合物混凝土等研究,并在浙江百丈际电厂高压引水钢管、钢丝网闸门、刘家峡水电站、龙羊峡水电站等地应用,具有抗蚀、抗裂和抗冲磨等优点。

随着研究专业范围的迅速扩大,研究项目也成倍增多。仅1984年,研究项目已达15项之多,几乎平均每一个工程师承担一个研究项目。研究工作均结合水利水电水运工程建设中的重大课题,如葛洲坝水利枢纽工程中混凝土技术问题,港工大口径管桩中高强钢丝的应力腐蚀问题,以及水工、港工混凝土中的新技术新材料的开发和应用等。

几年来,开展了一些新的技术专题研究有5个方面

1、混凝土及钢筋混凝土耐久性研究。实地调查了我国海工混凝土耐腐蚀性、耐冻性及钢筋混凝土的锈蚀状况和原因,室内也开展了相应的试验。提出我国沿海港工建筑物混凝土耐久性调查报告、上海及湛江港钢筋锈蚀调查报告以及混凝土抗冻标号如何确定的研究报告,此外还有港工混凝土技术规范等研究报告及成果十三篇,如,港工钢筋混凝土耐久性现场暴露试验十年小结,港工钢筋混凝土允许裂缝宽度值的研究与确定,湛江港一区老码头上部结构修补方案研究以及高强钢丝在海工预应力混凝土中应力腐蚀破裂的敏感性等。 指出港工(水工)混凝土破坏原因,在南方主要是钢筋混凝土中钢筋的锈蚀,在北方,除锈蚀外,还有冻融的破坏作用。同时主持制定了我国第一个有关提高混凝土耐久性的技术标准《港口混凝土技术规范》。同时负责《港工混凝土施工技术规范》的修订和港工、水工两个混凝土试验方法的编制工作。

2、粉煤灰的应用及其对混凝土耐久性的影响研究。

提出的研究报告主要有:粉煤灰对混凝土密实性和碳化性能的影响,粉煤灰水泥混凝土对钢筋的防护性能,以及江苏谏壁电厂原状粉煤灰代砂的砌筑砂浆及混凝土的研究报告等十篇。1965年,南科所参加交通部组织的粉煤灰水泥对港工混凝土影响的研究,1968年,与有关单位配合,在天津、上海、湛江三处建立了掺粉煤灰混凝土的现场暴露试验站;1978年参加国家建委建材总局和水电部环保办组织的粉煤灰水泥对钢筋锈蚀合碳化影响的研究。80年代对江苏谏壁电厂粉煤灰进行了混凝土代砂的研究,1983年经江苏省电力局组织鉴定后推广应用。

3、混凝土外加剂研究方面。研究报告和论文主要有:港工混凝土复合旱强剂的研究,N型减水剂的研究与应用,水工减水缓凝剂的研究与应用,糖类及茶磺酸盐类减水剂对水泥适应性的作用机理探讨,减水剂对掺硬石膏水泥的异常凝结结构的研究,水工混凝土外加剂技术标准的编制,以及组织编写的混凝土外加剂基本知识的讲义等。1981—1983年,由南科所牵头,组织有关单位研究和编制了《水工混凝土外加剂技术标准》,标志我国水工混凝土外加剂的研究和应用中,结束了无章可循无据可依的混乱局面,1983年经水电部鉴定后,作为部颁标准公布实行,这是我国第一个部级外加剂标准。之后建材部又组织南科所、建筑材料科学研究院、建筑科学研究院、铁道科学研究院、上海建筑科学研究院等五个单位编制完成了全国第一个混凝土外加剂标准。

4、聚合物混凝土研究方面。提出的报告和论文主要有:天然乳胶水泥砂浆的研究和应用,丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆的研究和应用,丙烯酸酯共聚乳液改性混凝土的试验研究,用于水工建筑物的抗冲磨低毒环氧、丙烯酸环氧酯及不饱和聚酯三类砂浆的研究,刘家峡水电厂泄水道抗气蚀、抗冲磨护面材料现场试验研究报告,龙羊峡水电站泄水建筑物抗空蚀、抗冲磨护面材料研究,用于水工建筑物抗空蚀、抗冲磨特种混凝土的应用和研究等十余篇。

5、关于混凝土无破损检测技术研究方面。研究报告主要有:用超声波检查建筑物混凝土质量、测量混凝土裂缝深度及混凝土强度的研究接收波频率、波形和超声检测中的应用的初步研究,葛洲坝水利枢纽工程大坝、贵州后水河水库、南京烷基苯厂等混凝土质量无损检测总结等十余篇。

此外,还开展了部分有关技术标准、规范和规程编制的研究工作。代部担负一些技术干部的培训工作,如:为交通部举办的港工混凝土质量控制与无损检测培训班,为水电部举办的混凝土外加剂培训班等,先后培训技术人员和技术领导干部近200人。

 

五、港工钢结构腐蚀与防护技术的研究

1964年,由于我国水利水电水运工程中面广量大的钢结构经常受环境水的腐蚀,损失严重,为提高水工、港工钢结构防腐技术,南科所开展了本专业方向的研究,并参加全国舰船、港工钢结构五年暴露试验。

1966—1973年,紧密结合工程实际,在阴极保护、防腐蚀涂层以及钢材腐蚀等方面,开展了室内与现场试验研究,先后在三河闸、射阳河闸、新洋港闸和裕溪船闸等接触淡水与咸水的钢闸门上,广泛推广外加电流阴极保护与涂料的联合防腐技术,取得了较好的技术经济效果。

1975年—1978年,结合杭州湾陈山码头钢管桩码头、连云港钢板桩码头以及浙江乌溪江水电江水电站引水管内壁等首次在国内研究和采用涂料与外加电流阴极保护联合防腐技术,并对广东八所港钢板桩、浙江北仑港钢管桩的腐蚀进行试验研究,均获得满意结果。

1978—1981年,为了研制更经济、性能更好、污染少的铝合金牺牲阳极,南科所与重庆有色金属研究所和上海船厂协作,进行了铅—锌—铟—锡—镁系10余种铝合金牺牲阳极的大样小样筛选工作,并在东台挡潮闸钢闸门上应用,证明其性能优良,也表明牺牲阴极保护效果显著。

1980—1983年,对长江防洪堤降压井的钢筋—铝丝—钢丝布裹滤层腐蚀、深圳赤湾港钢桩腐蚀等进行了试验研究。应用十种国产涂料、日本无机富锌—环氧沥青涂料和南科所自行配制的聚氨酯焦油沥青、水溶性无机富锌、无溶剂环氧防腐涂料等四种涂料,模拟海洋浪溅区和潮差段室内加速腐蚀试验和现场天然暴露试验,证明南科所研制的涂料性能均较优异,1984年已投入试生产和中间试验。

1984年,结合深圳蛇口工业区万吨级码头钢管桩潮差区的需要,在玻璃钢套内灌入水泥浆的方法进行防腐处理,在石臼港煤码头浪溅区的防腐蚀研究,采用热喷铝加配套涂层的防腐设计,以探索长效防腐的新途径。

为提高水利、水运工程钢结构防腐技术,从1966年起,开展本专业方向的研究。紧密结合工程实际,在阴极保护、防腐涂料以及钢材腐蚀三方面先后开展了一系列试验研究工作,取得了较好的工程技术经济效益,在学术上也起了良好的促进与提高的作用,其中以阴极保护与防腐涂料为主,钢材腐蚀为辅,大幅度提高防腐效益。

1、外加电流阴极保护与涂料联合防腐

根据国外经验,在水利、水运工程钢结构上,这种联合防腐技术具有很大的经济效益。通过室内与现场试验研究,在国内首先在苏北洪泽湖三河节制闸四扇钢闸门、安徽巢湖裕溪口船闸全部钢闸门、浙江乌溪江中型水电站引水钢管内壁、杭州湾陈山万吨原油钢管桩码头、连云港二码头西侧钢板桩万吨杂货码头的正背面等水利、水运工程上推广应用了这一种联合防腐技术,取得良好的技术经济效益,并促进了这种技术在我国水利、水运工程钢结构上的广泛采用。

通过试验研究与工程实践,就配套涂料、阳极材料、电源与监控测量装置的选择、阳极布置方案与固定方式、保护参数等取得了比较系统而又行之有效的经验。连云港钢板桩码头和钢闸门阴板保护试验研究成果曾分别荣获交通部1978年科技大会科技成果奖和江苏省1978年重大科技成果奖。

根据上述实践经验,编写了《外加电流阴极防腐原理及其在水工钢结构上的应用》(1978年由中国科技情报研究所出版)。1979—l981年期间,受水电部工程管理局与交通部科技局委托,先后举办了三期水工(或港工)钢结构防腐研究学习班,向全国水利、水电系统和港口建设、管理系统全面介绍了水工、港工钢结构腐蚀与防护知识,培训了一批防腐专业技术干部。为水利部培训中心编写了教材《水工港工钢结构物腐蚀与防护》(1980年)。

结合上述工作需要,南科所研制了长效的硫酸铜参比电极,开展了铅银合金嵌铂丝阳极在咸水中、镀铂钛阳极在高纯水中的保护参数的室内和现场试验以及铁氧体辅助阳极小样的研制与室内性能试验。这方面的主要研究成果共有六篇。

2、牺牲阳极保护

1977年,对国产锌—铝—镉合金牺牲阳极在海水中的电化学性能进行了室内综合测试工作,证实其性能能满足港工钢结构的防腐要求。

1978—1981年,为研制更经济、性能更好、污染少的铝合金牺牲阳极,与重庆有色金属研究所等研制单位协作,进行了铝—锌—铟—锡系十余种合金小样、大样的牺牲阳极筛选工作,主要是多次在室内模拟海水中的电化学性能综合测试,从中筛选出性能优异(接近国外水平)的铝—锌—铟—锡—镁合金牺牲阳极,确定了它的合金成份的下限,并以金相分析、扫描电镜能谱分析探讨了多种牺牲阳极电化学性能优劣的内因。1980年、198l年还对电流效率低、可能遭到晶间腐蚀的两种合金试样的腐蚀进行了金相分析,证实其局部腐蚀孔中发生了晶间腐蚀,使晶粒脱落,致使电流效率大大降低,还用晶界扫描电镜能谱分析初步判断其原因。基于以上科研成果,被邀请参加全国牺牲阳极国家标准的编写工作。

1983年,在东台挡潮闸钢闸门上,以氯化橡胶涂料与铝—锌—铟合金或镁阳极联合防腐。两年保护电位测量与一年现场挂片检查结果证实铝合金阳极性能优异、牺牲阴极计算方法正确。之后,又用于湛江港钢板桩,厦门嵩屿油码头钢管桩、地下引水钢管、通讯电缆,丹东港钢管桩等工程上广泛应用,取得了显著的技术经济效益。在工程实践德基础上,受交通部委托主编了交通部第一本防腐蚀规范《海港工程钢结构防腐蚀技术规定JTJ230-8》(交通部颁布,人民交通出版社),

3、防腐涂料

1966年,对多种防腐涂料进行了室内耐阴极电位的长期对比试验,筛选出适用于淡水钢闸门阴极保护的防腐涂料。1980年对比试验了十种国产涂料、日本的无机富锌—环氧沥青涂料(防腐性能优异、已广泛用于水工、港工钢结构上)以及自制的聚氮酯焦油沥青、水溶性无机富锌等四种涂料的防腐性能(三种模拟海洋浪溅与潮差环境的室内加速腐蚀试验和海洋大气与潮差部位的天然暴露试验)。另外,还通过室内的淡水、海水中极化曲线测试和长期耐通电试验,对比它们对外加电流阴极保护的适应性。

1983年起开始进行厚浆型无溶剂环氧防腐涂料的研制。通过大量系统室内试验,研制出防腐性能比较优良、一次涂装厚度达500微米且不流淌的厚浆涂料,它在表面预处理质量高而且干燥的钢材表面上,具有较高的附着强度和耐冲击性能,1984年投入试生产与中间试验。

此外,1984年结合深圳蛇口南山开发公司新建万吨码头过渡段后方钢管桩潮差区防腐的需要,试以玻璃钢为套模,以竖管灌注掺铝粉与减水剂的水泥浆的方法进行了防腐处理。国家重点工程石臼港煤码头装煤机的箱形轨道梁是该码头的主体构件处于风浪大的开敞海域的浪溅部位,为使其长效防腐,南科所根据英国标准与欧美经验,提出热喷铝加配套涂层的防腐设计方案,并负责施工质量监督;同时进行室内加速腐蚀对比试验和海港天然暴露试验,为港工钢结构浪溅区长效防腐研究探索新途径迈开了第一步。

4、水工、港工钢结构腐蚀

现场腐蚀调查与试验。1964年-1969年,系统搜集我国舰船、港工钢结构用钢的基本腐蚀数据,与全国有关单位组织协作组,进行了五种船用钢板在青岛、厦门海港五年天然暴露试验(包括码头面板下的海洋大气、潮差、浅水和深水四个部位)。1975年,交通部计划扩建海南岛八所港,在烟台打捞局潜水班配合下,对钢板桩码头基本腐蚀情况进行了一次全面典型调查。查明处于高潮位的甲码头桩顶侧面和水下补焊钢板腐蚀严重,需及时局部补焊和防腐处理;而码头的大部分按现有腐蚀量推算,即使不另外采取防腐措施,也可以继续安全使用三十年,这些建议已为有关单位采纳。长江的安庆同马防洪大堤混凝土降压井,已经采用粗钢筋外绕铝丝再包覆钢丝布作为过滤层。1980-1982年,接受委托,进行了现场腐蚀调查与室内模拟和现场暴露试验,证实了这三种金属之间有电偶腐蚀效应,但仍以自然腐蚀为主,主要矛盾是汇口段(古河道)环境水质的腐蚀性较强、铝丝的杂质铜含量偏高引起隙缝腐蚀问题。建议对该段井管加强观测,并就新建井管提出防腐建议,均已为有关单位采纳。

室内加速腐蚀试验。日本STK50钢管桩试样的室内静止海水中恒电位与动电位极化曲线、线性极化、闭塞阳极电流试验和室内加速腐蚀试验,证实该钢材局部腐蚀倾向远远大于国产普通碳素钢材(与北仑港十万吨级矿石卸船码头及钢引桥该钢桩拔桩时发现的半年最大腐蚀坑深2.5毫米是一致的)。1983年,就铝管和镀锌钢管作为农田灌溉、化肥、污水的管线材料,进行了室内加速腐蚀对比试验,给有关设计生产部门提供了必要的基本腐蚀数据。 

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