（岩土工程专业论文）地铁结构耐久性影响因素及其寿命预测研究.pdf

摘要 摘要 与地面建筑和其它类地下建筑相比，地铁结构所处位置、施工工艺、使用 功能不同，其耐久性研究也有特殊意义地铁结构一般埋深约十几米，车站内 二氧化碳浓度较大，地下水和有害离子也比较丰富；结构进行地下施工，容易 存在如水中混凝土孔隙率大之类的隐患；另外地铁在运营时会产生较强的杂散 电流，这些都将加快地铁结构中钢筋的腐蚀。根据目前研究结果，钢筋锈蚀可 以使混凝土产生裂缝，降低结构强度，是影响混凝土结构耐久性的最直接因素。 本文是在一般建筑结构耐久性研究基础上，研究了地铁结构所处的环境特 征，认为杂散电流、混凝土碳化和氯离子侵入是地铁结构耐久性的主要影响因 素。通过分析三种主要影响因素各自对钢筋产生腐蚀的机理，确定三种影响因 素各自对钢筋腐蚀的程度和规律。接着分析钢筋锈蚀以及随之引起的混凝土开 裂的变化情况，由此确定地铁结构耐久性状况，并在此基础上进行地铁结构的 耐久性寿命预测，其结果可用于指导地铁结构的设计与施工。 首先，详细介绍了耐久性研究的意义和国内外研究现状，并介绍了一般混 凝土结构耐久性的研究内容以及本文的研究思路。 其次，对地铁车站耐久性影响因素及其作用机理进行了介绍，根据工作环 境和使用功能与地面建筑的不同，指出其耐久性主要影响因素为杂散电流、碳 化作用和氯离子侵蚀作用。 再次，对地铁杂散电流形成及钢筋腐蚀机理进行分析，介绍了影响地铁杂 散电流强度的几种主要因素并比较其影响性，并讨论了杂散电流对地下结构耐 久性的影响。同时对碳化作用和氯离子侵蚀作用的耐久性寿命预测模型进行了 分析比较。 最后，介绍了耐久性寿命研究方法和有关寿命准则，根据适用性标准对耐 久性寿命模型中各个时间段进行确定，并以此对某地铁车站进行耐久性寿命预 测。 关键词：耐久性，杂散电流，碳化作用，氯离子侵蚀，钢筋腐蚀。地铁， 寿命预测 a b s l l t a c t a b s t r a c t c o n t r a s t i n gw i t l lg r o u n db u i l d i n g sa n do t h e ru n d e r g r o u n db u i l d i n g s s t u d yo n i t sd u r a b i l i t yh a ds p e c i a lm e a n i n g sf o rd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，c o n s t r u c t i n gt e c h n i q u e s a n du s i n gf u n c t i o n so fs u b w a y5 t r u c t u r e s t h ed e p t ho ft h es u b w a ys t r u c t u r eb u r i e d w a so v e rl o mc o m m o n l y t h e r ei sah i g hc o n c e n t r a t i o no f c 0 2i nt h es u b w a ys t a t i o n a n dp l e n t yo fu n d e r w a t e ra n dp o i s o n o u si o n si nt h es o i l b e c a u s ep a r to fs t r u c t u r e w a sb u i l tb e f o r ed i g g i n g ，t h eh i d d e nt r o u b l e ，l i k et h eh i g hp o r o s i t yo f c o n c r e t ei nt h e w a t e r , o f t e ne x i s t o t h e r w i s e , t h es u b w a yw i l lp r o d u c es t r o n gs w a yc u r r e n t , a n da l lo f t h o s ew i l ls p e e dt h ec o r r o s i o no f r e i n f o r c e m e n ti nt h es u b w a ys t r u c t u r e s t h ec m t c n t r e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o nc o u l dm a k et h ec o n c r e t ec r a c k a n dd e c r e a s et h es 虮砧n 船i n t e n s i t y , w h i c hw a st h em o s td i r e c tr e a s o no f i n f l u e n c i n g c o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t y o nt h eb a s i so ft h es t u d yo nd u r a b i l i t yo ft h eg e n e r a lb u i l d i n gs t r u c t u r e ，t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a t s t r a yc u r r e n t , c o n c r e t e c a r b o n i z a t i o na n d p e n e t r a t i o no fc h l o r i d ew c r et h r e em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fs u b w a ys t r u c t u r e t h r o u g hs t u d y i n gi t se n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o r r o s i o n m e c h a n i s mt h a tt h et h r e em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa f f e c to nr e i n f o r c e m e n t r e s p e c t i v e l y , t h ed e g r e ea n dl a wo fe a c ho ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nr e i n f o r c e m e n t w a sc o n f i r m e d b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a n g ec o n d i t i o n so fr e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o na n df o l l o w i n gc o n c r e t ec r a c k , t h ed u r a b i l i t ys t a t u so fs u b w a ys t r u c t u r ew a s c o n f i r m e da n dt h ef o r e c a s t0 1 1t h es e r v i c el i f eo fs u b w a ys t r u c t u r ew a sc o n d u c t e d ， w h i c hc o u l db eu s e df o rt h er e f e r e n c eo f s u b w a yd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a tf i r s t , t h em e a n i n go fs t u d y0 1 1d u r a b i l i t ya n dr e s e a r c ha d v a n c eh o m ea n d a b r o a dw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t es t r u c t u r ea n dt h er e s e a r c ht h o u g h t sw e r ei n t r o d u c e dt o o s e c o n d l y , i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs u b w a ys t a t i o na n dt h e i re f f e c t m e c h a n i s m w c r ed i s c u s s e d s t r a yc u r r e n t , c a r b o n a t i o na n dp e n e t r a t i o no f c h l o r i d ew e r et h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n du s i n g f u n c t i o nb e t w e e ns u b w a ys t a t i o na n dg r o u n db u i l d i n g s 1 1 1 i r d l y t h ef o r mo fs t r a yc u r r e n ta n dm e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n w c i ea n a l y z e d ，t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fs t r a yc u r r e n tw e r ei n t r o d u c e da n dt h e i n f l u e n c ew a sc o m p a r e d n 伦i n f l u e n c eo f t h es t r a yc u r r e n to nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e d u r a b i l i t yw a ss t u d i e d a st h es a m et i m et h ef o r e c a s t i n gm o d e l so fd u r a b i l i t yo f c a r b o n a t i o na n dc h l o r i d ep e n e t r a t i o nw e r ea n a l y z e da n dc o n t r a s t e d a tl a s t ，t h er e s e a r c hm e t h o d so f d u r a b i l i t ya n dr e l e v a n tc r i t e r i ao f l i f e s p a nw e r e i n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h ea p p l i c a b i l i t yc f i t e r i a e a c hp e r i o do fd u r a b i l i t y l i f e - s p a nm o d e l sw a sd e t e r m i n e d , w h i c hc o u l db eu s e df o rf o r e c a s t i n gt h ed u r a b i l i t y o f l i f e s p a ni nc e r t a i ns u b w a ys t a t i o n k e yw o r d s ：d u r a b i l i t y , s t r a yc u r r e n t , c a r b o n a t i o n , p e n e t r a t i o no fc h l o r i d e ， r e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n , s u b w a y , p r e d i c t i o no f s e r v i c el i f e 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：黄嫡德、 2 厕年罗月f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：勘- 了麓, 、 年多月f 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和研究意义 自1 9 世纪6 0 年代伦敦第一条地铁建成以来，经过一百多年的时间，各国 的城市轨道交通得到了蓬勃发展。我国的城市轨道交通建设从上世纪中期修 建北京地铁开始起步，随着国民经济的持续增长和城市规模的不断扩大。也逐 步发展起来在城市建设中，人口密集、交通紧张等问题日益突出而发展城 市轨道交通则是解决大中型城市公共交通问题和促进城市可持续性发展的重要 途径。在国内至今已有北京、上海、天津、广州、南京、重庆等地的地铁或轻 轨实现正常运营并继续规划扩建，另外大连、青岛、武汉、成都等地的轨道交 通工程也在筹备或完成了立项。可以说，轨道交通建设是中心城市发展不可或 缺的重要项目，是名副其实的生命线工程之一。 地铁结构因其所处位置不同而与地面建筑的环境、施工工艺、使用功能等 不同，其耐久性研究也有特殊意义。根据目前研究结果，钢筋锈蚀可以使混凝 土产生裂缝，降低结构强度，是影响混凝土结构耐久性的最直接因素。可认为 钢筋锈蚀后体积膨胀，使混凝土胀裂，钢筋和混凝土的强度均降低。当前所知 有三个外部作用成为地铁混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因：杂散电流、混凝 土的碳化和氯离子侵入。地铁结构的耐久性不仅受到碳化和氯离子的影响，更 因为杂散电流的存在而与地面建筑不同。由于国内外的城市轨道交通直流牵引 供电系统中，普遍采用了走行轨回流的供电方式，而由此泄漏到道床及其周围 土壤介质中的电流便形成杂散电流。杂散电流对地下建筑结构钢筋以及金属管 道等会产生电化学腐蚀。这种电化学腐蚀不仅能缩短金属管线的使用寿命，而 且会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。 地铁杂散电流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是 电化学腐蚀，这种腐蚀属于局部腐蚀，其原理与金属在大气条件下或在水溶液 中发生的自然腐蚀一样，都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。但混 凝土结构中的钢筋在高电压和较大的杂散电流作用下，所发生的腐蚀与其在电 解质中自发进行的腐蚀有较大的区别，主要表现在钢筋的腐蚀速率与周围介质 第1 章绪论 的电阻率、混凝土的水胶比等有关，实际的电化学当量、腐蚀速率远远小于电 解质溶液中的腐蚀速率。 目前，关于地铁杂散电流的研究取得了一些进展，主要在地铁杂教电流的 形成机理和对钢筋混凝土中钢筋腐蚀的模拟实验方面，而关于杂散电流的分布 和大小模型及其检测、防护措施等，只能见到一些零星的结果。目前所知有三 个外部作用成为地铁混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因：杂散电流、混凝土的 碳化和氯离子侵入。这三种作用各自发生的机理、引起钢筋的锈蚀量及速度均 有相关的研究，但关于它们三者综合作用对耐久性影响的成果极少。 由于城市轨道交通工程主体结构在施工完成后己定型。经若干年运营后， 要对主体结构因杂散电流腐蚀而进行更换或翻修则是十分艰难的。因此，在地 铁设计中研究杂散电流的分布与大小，分析杂散电流对地下结构耐久性的影响 无疑具有重要现实意义。目前国内杂散电流防护借鉴了国外的一些经验教训， 但未深入对杂散电流特性及分布对地铁结构的影响程度进行分析研究。研究杂 散电流的特性和分布及其对地铁结构耐久性影响，将有助于设计、施工、运营 的杂散电流防护，从而经济、可靠地限制杂散电流，提高地铁结构耐久性。 本课题是在一般建筑结构耐久性研究基础上，通过对地铁结构所处环境特 征进行研究，以杂散电流、混凝土碳化和氯离子侵入为主要影响因素，通过分 析三种主要影响因素各自对钢筋产生腐蚀影响的机理，确定三种影响因素各自 对钢筋腐蚀的程度和规律，接着分析三种影响因素对钢筋产生腐蚀肘钢筋锈蚀 的变化情况及混凝土开裂的变化情况，由此确定地铁结构耐久性状况，并在此 基础上进行地铁结构的耐久性寿命预测，其结果可用于指导地铁结构的设计与 施工。 1 2 耐久性定义 我国规范建筑结构可靠度设计统一标准”中对结构可靠度的定义为： 结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。这里的规定时间 是指结构的设计使用年限，规定条件是指正常设计、正常施工、正常使用和正 常维护，而预定功能则指结构的安全性、适用性和耐久性。 而结构耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金 加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。结构耐久性也可以定 2 第1 章绪论 义为结构在内、外各种不利因素作用下，在预定时问内，其材料性能的恶化不 致导致结构出现不可接受的失效概率m 。混凝土结构耐久性设计是在考虑影响 混凝土结构耐久性的内外因素下，将结构的可靠性问题沿时间坐标轴展开，使 新设计的结构可靠性在规定的目标使用期内不低于规范要求，即无需花费大量 资金维修与加固。混凝土结构耐久性评估是指对现有的混凝土结构，通过适当 的方法评价其现有的可靠性，最终预测该结构今后可靠性降低情况。 1 3 国外耐久性研究概况 自1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料以其广泛的适用性和 低廉的造价而成为土木建筑工程中不可缺少的材料、其用量越来越大。1 9 世纪 2 0 3 0 年代用素混凝土修建了许多海岸防坡堤、码头、灯塔等沿海或海上构筑 物。1 。但是这些构筑物的使用期往往不能像人们预料那样长，因此混凝土结构 的耐久性问题才逐渐引起了人们的重视。到1 8 8 0 1 8 9 0 年第批钢筋混凝土结 构问世，此后普遍应用于工业和民用建筑物，随之而来的钢筋混凝土结构腐蚀 条件下的安全使用和耐久性问题也就越来越多的摆在了人们面前”1 。2 0 世纪初， 格尤恩、拉巴利德和克莱罗门等人对工业建筑中使用的混凝土和钢筋混凝土进 行了基本研究和经验总结川。1 9 2 5 年在密勒领导下，美国开始在硫酸盐含量极 高的土壤中进行实验，以获取混凝土结构长期痿蚀的数据”；同期的联邦德国 钢筋混凝土协会也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期试验 2 0 世纪4 0 年代，美国学者t e s t a n t o n 首先发现并定义了碱一骨料反应。1 9 4 5 年，p o w e r s 等人从混凝土亚微观入手，提出了静水压假说”1 和渗透压假说“， 开始对混凝土冻融破坏的研究。1 9 5 1 年，前苏联学者a a a 螽k o b 、b m m o e 髓n 最先开始进行混凝土中钢筋锈蚀闯题的研究，并在一系列研究成果基础上制定 了防腐蚀标准规范“”。1 9 3 4 1 9 6 4 年间，卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的 耐久性进行了试验研究，得到了大量有关混凝土结构在自然条件下使用情况的 可靠数据，以及有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产因素对混凝土结构抗 腐蚀性影响方面的见解“”。从2 0 世纪5 0 年代末开始，混凝土结构的耐久性问 题己成为国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。1 9 5 7 年，美国混 凝土学会( a c l ) 成立了混凝土耐久性委员会a c i 一2 0 l ，负责指导和协调混凝土 耐久性方面的研究。1 9 6 0 年，国际材料与结构试验研究联合会( r i l e m ) 专门成 3 第1 章绪论 立了“混凝土中钢筋锈蚀”技术委员会( c r c ) ，并设立了“混凝土结构损伤等级 评定工作小组1 0 4 - - d c c ”，负责总结当时各国在钢筋锈蚀方面的研究成果，并 对以后的研究方向提出了提议：r i l e mt c 一1 1 6 技术委员会在经过大量长时间 的试验工作后，确定以混凝土的透气性试验和毛细孔吸水率试验两种方法作为 混凝土耐久性评定标准。r i l e m 还于1 9 6 1 和1 9 6 9 年召开了国际混凝土结构耐 久性学术会议。1 9 7 9 年国际建筑研究与文献协会( c l b ) 成立w 一7 0 委员会，并 提出包含有建筑物维修和鉴定方面项目的协调计划。1 9 8 2 年，r i l e m 和c i b 联 合成立共同工作委员会r i l 脚一7 l p s l c i bw 8 0 共同研究结构的寿命预测问 题，决定每三年举行一次有关建筑材料与构件耐久性的国际会议。1 9 8 7 年又成 立一个新委员会c i bw 8 0 r i l e m 一1 0 0 t s l 进一步推进委员会工作1 9 9 4 年， 国际标准化组织i s o 专门成立t c 5 9 s c 3 w g 9 工作小组，旨在制定一条结构耐久 性设计的国际统一标准。 与此同时，有关混凝土结构耐久性的国际会议也越来越频繁。1 9 7 4 1 9 8 9 年，每隔两年召开一次碱与骨料反应国际学术会议；1 9 8 3 年在丹麦哥本哈根召 开过混凝土耐久性会议，1 9 8 4 年在日本召开混凝土耐久性会议。1 9 8 7 年，国际 桥梁与结构工程协会( i a b s e ) 在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议，把耐久性 放在一个非常突出的位置。1 9 8 7 年在美国召开了“第一届混凝土耐久性会议”， 出版论文集s p 1 0 0 ；1 9 8 9 年i a b s e 在葡萄牙召开“结构耐久性”国际会议； 1 9 9 1 年在法国召开“第二届混凝土耐久性会议”，出版论文集s p - - 1 2 6 。1 9 7 8 年至1 9 9 3 年召开了六届建筑材料与构件的耐久性国际会议。1 9 9 1 年至1 9 9 7 年 美国a c i 连续举办了第二、三、四届混凝土结构耐久性国际会议。1 9 9 4 年在法 国召开了“第三届国际混凝土耐久性会议”，出版论文集s p 一1 4 5 。1 9 9 8 年在荷 兰阿姆斯特丹召开“第十三届国际预应力混凝土学术会议”，成立国际结构混凝 土学会( f i b ) ，下辖有结构使用寿命委员会。1 9 9 9 年r i l e m 组织召开“混凝土 结构寿命预测和耐久性设计国际会议”2 0 0 0 年，c a n m e t a c l 主办在西班牙巴 塞罗那召开“第五届混凝土耐久性会议”；同年9 月在新加坡召开“第六次结构 的缺陷的耐久性和修补”国际会议，1 1 月在法国召开“混凝土结构的寿命预测 和耐久件设计国际会议”。2 0 0 6 年在中国同济大学召开“首届地下结构服务寿 命国际专题研讨会”。 这些研究和学术活动的开展极大的加强了各国学术界之间的合作与交流， 也取得了显著的成果，一些科研成果已经应用于工程实践并成为指导性的标准 4 第1 章绪论 文件。1 9 8 0 年，国际标准化委员会预应力混凝土委员会i s o t c 一7 1 提出了影 响混凝土环境条件的级别标准。1 9 8 9 年，日本土木学会混凝土委员会制定了混 凝土结构耐久性设计准则( 试行) 。1 9 9 1 年，美国a c l 4 3 7 委员会发布“已有 混凝土房屋抗力评估”的最新报告。1 9 9 2 年英国标准b s 7 5 4 3 “建筑物与建筑构 件、产品及组件的耐久性”颁布；同年欧洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝 土结构设计指南( d u r a b l ec o n c r e t es t r u c t u r e sd e s i g ng u i d e ) ，反映了当 时欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。2 0 0 0 年亚洲混凝土模式规范委员会颁布 了亚洲混凝土模式规范( a c 眦2 0 0 1 ) 。这些成果都代表着相关阶段最先进的 科研水平，既可用于指导实践，也为进一步研究结构耐久性打下了坚实的基础。 1 4 国内耐久性研究概况 我国过去的混凝土结构设计，长期按照“按强度设计混凝土”的传统思维， 对混凝土结构的耐久件和结构长期安全性问题认识不足。除了在2 0 世纪5 0 年 代建设大型水利工程时，提出过预防混凝土碱骨料反应破坏问题之后便毫无进 展“”。因此自2 0 世纪6 0 年代起，相继出现不少工程病害和破坏事例。到了2 0 世纪8 0 年代之后，钢筋混凝土结构耐久性问题日益引起重视，逐渐形成有组织 有系统的研究。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年，中国土木工程学会连续两次召开全国耐久 性学术会议。1 9 8 9 年我国颁布了 钢铁工业建( 构) 筑物可靠性鉴定规程( y b j 2 1 9 - - 8 9 ) ，其中规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法；1 9 9 0 年在中国工程建 设林准化协会下成立了“全国建筑物鉴定加固标准委员会”，两年召开一次学术 会议。1 9 9 1 年在全国钢筋混凝土标准技术委员会下成立“混凝土结构耐久性学 组”。1 9 9 2 年在中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分科学会下成立“混 凝土耐久性专业委员会”，迄今已召开过多次学术交流会。2 0 0 0 年举行的土木 工程学会第九届年会学术会议将混凝土结构耐久性作为主题之一。 建设部、冶金部在“七五”、”八五”和“九五”期间都设立了混凝土结构 耐久性课题，进行了“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限”、“预 应力混凝土结构及混凝土耐久技术”、“工业厂房混凝土结构耐久性研究”和“重 点工程混凝土安全性的研究”等课题的研究，均取得重要成果“”“”。1 9 9 5 年， 国家科委、国家自然科学基金设立了攀登计划b 项目中唯一的土木工程科研项 目“重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究”。该项目在耐久性监测系统、 5 第1 章绪论 结构耐久性的各种数学物理模型、测试及模拟试验方法、现有结构剩余寿命的 预测和结构维修方法及耐久性设计标准等方面均获得显著成果。1 9 9 6 年，混 凝土结构耐久性检测指南编写工作完成。1 9 9 8 年，全国建筑物鉴定加固标准 委员会下达混凝土结构耐久性评估标准项目。2 0 0 0 年，中国工程院土木水 利与建筑学部提出“工程结构安全性与耐久性研究”咨询项目。与此同时，建 设部也就建筑物耐久性和使用年限提出了课题。2 0 0 4 年，依托上述项目和课题， 陈肇元主编的混凝土结构耐久性设计与施工设计指南( 中国土木工程学会标 准c c e s0 1 - - 2 0 0 4 ) 正式出版。 1 5 地下结构耐久性的研究现状 地铁建筑结构属地下空间建筑范畴地下空间建筑结构不同于地面建筑结 构及水中建筑结构。两者所处的环境不同、施工工艺不同、工程使用特征不同、 结构体系计算不同，而且耐久性影响因素也有不同之处。因此，地铁结构耐久 性的研究有其特殊意义。由于各种原因，地下结构耐久性的研究历来为人们所 忽视，极少对其展开专门、系统的研究。国内外现有的一些研究成果表明这方 面的研究工作也很不够，而且比较零散、不够深入，侧重于针对具体工程的应 用性方面的研究，涉及的范围主要为地下管线、地下贮藏室或填埋场、隧道工 程、地下腐蚀环境对钢筋混凝土的腐蚀性及耐久性水泥材料的开发等方面，并 且研究内容仍主要局限在材料学科方面。本文对目前已建成地下工程耐久性研 究的主要工作总结如下： 2 0 世纪6 0 年代以来，美国、法国、德国等国为提高地下管道、停车场、 燃料储藏库的耐久性而进行了系列的研究工作，主要集中在材料性能和构造措 施方面“俨o “。1 9 8 4 年c l a r k e 和w i l l i a m 研究超细微耐久性混凝土在地下工程 中的应用。1 9 8 6 年日本研究开发港口、码头用高性能水泥混凝土，并于1 9 9 4 年寻求建立地下混凝土结构的水密性( 抗渗性) 耐久性评价模式。1 9 8 7 年 e s c a l a n t e ，e 对土壤中钢筋腐蚀进行了测试研究2 1 。2 0 世纪8 0 年代开始，美 国由能源部组织开展了对核废料及玻璃的地下掩埋场的隔离拱顶耐久性的系列 研究，并在2 0 世纪末研究火山灰、矿渣等掺加物对降低混凝土渗透性的作用及 碱骨料反应影响耐久性的试验嘲2 0 0 2 年l o m a x 等发表了阴极保护系统防 治氯离子腐蚀地下蓄水池钢筋混凝土结构的研究成果。2 0 0 6 年首届地下工程服 6 第1 章绪论 务寿命国际专题研讨会会议召开，出版论文集地下结构服役性能。在地下侵 蚀性环境中混凝土材料耐久性试验方面，美、英、韩等国也做了相应的研究工 作。日本曾建立雨水渗流系统对地下管线、u 型沟、路基等的渗透性进行了2 0 年的观察研究。 国内对地下结构耐久性的研究虽然起步较晚，但也获得一些可观的成果。 全国土壤腐蚀网站于6 0 年代初在全国多处地方埋设硅酸钢筋混凝土试件， 3 0 余年后分析发现腐蚀严重，不同地区试件抗压强度降低7 7 3 ，混凝土中性化 深度达1 5 4 4 2 5 r m ，混凝土中钢筋面积锈蚀率为1 8 9 2 ，得出结论：硅酸盐 材料在地下的耐久性及腐蚀性能较差，不宜于重点工程地下结构。1 9 9 4 年关 宝树、高波总结了日本在隧道剩余寿命研究中引入“健康度”的概念及方法， 以及美国在工程结构损伤评估中引入“结构损伤度”的概念。但这种“健康 度”或“损伤度”是以隧道破坏、劣化现象的严重程度进行等级划分作为评定 依据的，具有一定的粗糙性和主观性，有待进一步完善。1 9 9 9 年，蔺安林等进 行了地铁迷流对混凝土中钢筋的腐蚀及混凝土强度影响的试验研究嘲。同年周 晓军等根据地铁杂散电流分布对地铁衬砌耐久性进行了探讨删。2 0 0 2 年同济大 学刘宗光对软土地层中钢筋混凝土排水管道结构的耐久性进行了研究，重点讨 论了各因素对耐久性的影响，并对上海市排水管道耐久性进行了评估。2 0 0 3 年李永和提出了钢筋锈蚀性状和裂纹扩展轨迹。2 0 0 4 年同济大学黄慷对水底盾 构隧道结构的耐久性问题进行了研究，并提出了对策o “2 0 0 5 年杜应吉讨论了 “双掺混凝土”对地铁结构耐久性的影响，并运用模糊多属性决策理论对多因 素下混凝土耐久寿命进行了预测o ”。2 0 0 5 年同济大学潘洪科和李文卿对地铁车 站地下连续墙耐久性规律进行了研究，提出多因素交互影响的碳化模型卜汹1 。 2 0 0 6 年孙钧对海底隧道耐久性及服务寿命设计预测进行了研究，提出了进行耐 久性设计和试验的新方法m 。 1 6 耐久性研究的重要意义 目前世界上绝大部分土建工程结构都用钢筋混凝土结构建造。混凝土已经 成为工程中用得最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，而钢筋混凝土结构 也已成为世界上应用最为广泛的结构形式我国每年耗费在混凝土结构上的费 用为2 0 0 0 亿元以上。与钢材和木材相比，混凝土或钢筋混凝土抵抗环境作用 7 第1 章绪论 的能力较强，常被认为是耐久的材料，或者认为钢筋混凝土结构中虽然钢筋易 腐蚀，但有混凝土保护层，钢筋也不会发生锈蚀。因此，对钢筋混凝土结构的 使用寿命期望值也是很高的，从而忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题。因为 对耐久性的研究相对滞后，在实际中结构耐久性问题越来越严重并造成了巨大 的经济损失。 建设部2 0 世纪8 0 年代组织过相关调查订，我国一般民用房屋建筑及公共 建筑的大多数结构构件，在正常设计和正常使用条件下，通常可以达到5 0 年的 设计使用年限面不需大修；但阳台、女儿墙等室外构件，以及一些紧接房顶出 口、天窗和靠近基础部位的构件因经常处于干湿交替的环境，或受到反复冻融， 往往不到3 0 4 0 年就出现钢筋锈蚀引起的混凝土顺筋胀裂和混凝土保护层剥 落，受冻蚀的混凝土则开裂剥蚀、骨料裸露。一般工业厂房及露天构筑物，大 多数在使用2 5 3 0 年后即需大修。接触有害气体液体物质的工业建筑，使用寿 命仅1 5 2 0 年甚至更短“”。1 9 8 6 年全国当时有城镇房屋约4 6 8 亿砰。由于建 筑标准低，施工质量差，劣化速度快，估计有半数需要分期分批进行鉴定、修 缮或加固，其中有1 0 1 2 亿平方米亟待加固改造才能正常使用。据1 9 9 5 年统 计，我国当时在役的6 0 亿酽城镇民用建筑中，有3 0 亿m 2 需要加固，其中1 0 亿m 2 急需修理加固。2 0 0 0 年底我国城镇民用建筑面积己达到7 7 9 亿m 2 。但是 这些新建的房屋在耐久性的设计标准上并没有根本改善，施工质量也没有明显 提高，其长期使用功能依然令人担忧。 相对于房屋建筑来说，处于露天环境下的桥梁耐久性、隧道耐久性和海洋 环境下的工程耐久性与病害状况则更为严重。这些结构出现钢筋锈蚀、混凝土 开裂的现象十分普遍。据2 0 0 0 年全国公路普查，国内的公路桥梁6 1 6 主要 分布在县乡公路上，设计荷载标准低，与现行的主要级别要求相比有很大差距。 由于交通量与日俱增，且缺乏例行维修，其损坏速度进一步加快。截止2 0 0 0 年 底，公路桥梁每年实际需要维修费用3 8 亿元。北京、天津地区的立交桥，由于 冻融循环和除冰盐腐蚀破损严重。国内最早建成的北京西直门立交桥使用期限 不到1 9 年就被迫拆除，其余二十几座立交桥也不得不提前进行大修加固。我国 不少盐质地区的结构耐久性问题更为突出。山东潍坊白浪河大桥受盐、冻侵蚀， 仅使用8 年已成危桥。天津滨海的三座混凝土桥使用8 1 0 年后，礅柱钢筋遭 严重锈蚀，柱体混凝土保护层普遍剥落。天津开发区内处于滨海盐质地的混凝 土排水地下管道，埋入土中仅半年就发现混凝土表面开裂和起皮的现象。 8 第1 章绪论 1 9 9 4 年铁路检查统计，全国铁路桥梁中因劣化损害和锈蚀开裂所需修补加 固费用约4 亿元。2 0 0 3 年铁路秋季检查发现，全国铁路桥梁中有占桥梁总数 1 8 1 5 的失格桥梁，占隧道总数的6 5 5 失格隧道，其中混凝土梁体发生顺 筋开裂3 3 4 5 孔，大面积锈蚀3 3 9 0 孔，t 型梁横隔板断裂3 0 0 0 多孔，严重漏水 隧道1 7 6 3 座，严重腐蚀隧道1 9 4 8 座。铁路隧道和地铁隧道的衬砌结构绝大部 分用混混凝土构筑，但是由于设计缺陷以及混凝土强度等级过低，隧道衬砌的 裂损、腐蚀和渗漏现象非常普遍。据1 9 9 7 年调查，铁路隧道发生裂损的数量约 占当年隧道拥有量的1 0 ，衬砌漏水十分严重。据1 9 9 8 年底铁道部统计，我 国铁路隧道受腐蚀而裂损的占隧道总数的1 3 2 * a 严重的如7 0 年代建成的成 昆路某些区段，交付使用仅3 年，就有2 2 座隧道发生化学腐蚀；到1 9 7 8 年普 查，有的腐蚀深度已达3 0 m 以上。 港口、码头、闸门等工程因处于海洋环境，腐蚀情况最为严重。吴绍章、 洪定海、许冠绍等人调查了华东、华南的部分海港、引桥和水闸，发现其中有 腐蚀破坏的占7 4 以上。交通部等单位对华东、华南地区的码头组织过调查， 统计出有8 0 以上均发生严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的码头有的 距建成的时间仅5 1 0 年。如连云港杂货一、二码头1 9 7 6 年建成，1 9 8 0 年就 发现钢筋锈蚀导致的混凝土胀裂；宁波北仑港1 0 万吨级矿石码头，其上部结构 使用不到l o 年就发现严重锈蚀损坏：天津港客运码头1 9 7 9 年建成，使用不到 1 0 年就发现有一半左右的承台面板出现锈蚀损坏。交通部于1 9 8 7 年颁布的港 口混凝土工程防腐蚀规范，虽然提高了设计标准，但由于施工质量等种种原因， 有些工程中的锈蚀仍然比较严重，无法普遍达到4 0 年内不需大修的设计目标。 据估计我国1 9 9 9 年底一年内由腐蚀造成的损失约在1 8 0 0 3 6 0 0 亿元，其中钢 筋腐蚀占4 0 ，约为7 2 0 1 4 4 0 亿元。 因为结构耐久性问题引起结构腐蚀造成的巨大经济损在国际上也有很多经 验与教训。2 0 世纪7 0 年代美国等一些国家就发现，5 0 年代以后修建的混凝土 工程设施，尤其是使用在恶劣环境条件下的混凝土桥面板结构，出现病害甚至 损坏的现象比2 0 年以前建造的结构还要严重。据美国标准局1 9 9 8 年调查表明， 美国当年各种腐蚀损失约为2 5 0 0 亿美元，其中混凝土桥梁修复费用为1 5 5 0 亿 美元。美国公路研究战略计划披露，到2 0 世纪末，为更换或修复冬天撤除冰盐 引起的破损公路混凝土桥面板，估计要耗资4 0 0 0 亿美元，其中大部分是由钢筋 锈蚀引起的。北欧、加拿大、澳大利亚都存在类似的耐久性问题。据瑞士联邦 9 第1 章绪论 公路局统计，瑞士公路系统每年用于桥面检测及维护的费用达8 0 0 0 万瑞土法 郎，修理或更换的费用还要更高。在日本，混凝土结构的早期劣化引起的研究 最初主要是碱骨料反应以及使用海砂和海洋环境下氯盐引起的锈蚀。日本运输 省曾检查1 0 3 座混凝土码头，发现凡使用2 0 年以上的均有相当明显的顺筋开裂 需要立即修补。我国香港在1 9 9 4 1 9 9 5 年对码头钢筋混凝土结构作过一次详细 调查，发现9 3 的损坏与钢筋锈蚀有关，造成保护层开裂剥落，有的建成还不 足5 年。在加拿大，为修复劣化损坏的全部基础设施估计要耗费5 0 0 0 亿美元。 在英国，1 9 9 8 年全国高速公路桥梁由于除冰盐引起腐蚀的损失仅在英格兰与威 尔士两地就达6 2 亿英镑。 由于各种腐蚀( 包括基础设施工程、生产设备、交通运输工具等) 每年带来 的直接、间接损失在美国约占g d p 的4 9 ( 1 9 7 6 年) 和4 2 ( 1 9 9 6 年) ；英国 3 0 年来的腐蚀损失平均占g d p 的3 5 ，澳大利亚占g d p 的4 2 ，而波兰占 g d p 的6 1 0 。欧美发达国家为现代化而进行的大规模基础设施建设高潮业 已过去，现在每年花在已有工程维修上的费用有的已超过新建工程的费用。英 国1 9 7 8 年的土建维修费用是1 9 6 5 年的3 7 倍，1 9 8 0 年的土建维修费占当年土 建费用总支出的2 3 ；多数发达国家的维修费用一般占5 0 左右。混凝土结 构的耐久性不足给这些国家带来沉重的经济负担和种种困扰。 显而易见，不管是对上部结构还是对地下结构，钢筋混凝土结构耐久性问 题都成为了一个十分重要而迫切需要解决的问题。通过开展对钢筋混凝土结构 耐久性的研究，一方面可以对新建的工程进行耐久性设计、施工和维护，保证 混凝土结构在服役过程中正常安全的进行工作：另一方面是能对已有的建筑结 构进行科学的耐久性评估和剩余使用寿命预测，从而选择可行的修缮或维护措 施。因此，耐久性研究既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构设 计和施工的重要作用。 1 7 混凝土结构耐久性研究内容及其影响因素 1 7 1 混凝土结构耐久性研究层次 混凝土结构耐久性是指一个构件、一个结构系统、一幢建筑物或一座构筑 物在一定时期内维持其安全性、适用性的能力也就是说，耐久性能良好的结 1 0 第1 章绪论 构，在其使用期限内，应当能够承受所有可能的荷载和环境作用，而且不会发 生过度的腐蚀、损坏或破坏。因此可知，混凝土结构耐久性研究是一个复杂的 综合性课题，根据已有的研究成果可知，耐久性分析需要考虑环境、材料、构 件和结构等四个层次，包括： 1 、环境层次：( 1 ) 大气环境，( 2 ) 海洋环境，( 3 ) 土壤环境，( 4 ) 工业环 境； 2 、材料层次：( 1 ) 混凝土碳化，( 2 ) 氯盐腐蚀，( 3 ) 冻融破坏，( 4 ) 碱一 集料反应，( 5 ) 钢筋锈蚀； 3 、构件层次：( 1 ) 混凝土锈胀开裂模型，( 2 ) 黏结性能衰退模型，( 3 ) 构 件承载力的变化； 4 、结构层次：( 1 ) 耐久性设计，( 2 ) 耐久性评估。 混凝土结构所处的环境可以为划分为一般大气环境、海洋环境、土壤环境、 工业环境等，其中一般大气环境和土壤环境是地铁混凝土结构所处的环境状态。 材料层次的研究是混凝土结构耐久性研究最基础的部分，包括对混凝土和钢筋 两种材料的研究。混凝土的耐久性又可分为混凝土碳化、氯离子侵蚀、冻融破 坏和碱一集料反应等。当混凝土材料的耐久性能发生衰退，失去对其内部钢筋 的保护作用时，钢筋钝化膜发生破坏并开始锈蚀，进而影响混凝土构件的承载 能力和使用性能。钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降最主要和最直接的因 素。混凝土构件耐久性的研究是混凝土结构耐久性研究的前提和基础。钢筋锈 蚀引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀加速，大大影响钢筋混 凝土构件耐久性能。而混凝土结构的耐久性课题应包括两部分：对未建混凝土 结构进行耐久性设计和对服役混凝土结构进行耐久性评估。目前国内外大都是 从耐久性计算或构造措施方面来进行耐