（水工结构工程专业论文）基于概率设计的混凝土结构耐久性研究.pdf

摘要 如何对既有混凝土结构进行科学的耐久性评估，为在役结构的维修决策和新建结 构的寿命设计提供依据，已成为当今混凝土结构耐久性研究的迫切任务。 本文介绍了混凝土耐久性研究的相应背景，采用有限元模拟和工程实测相结合的 方法，围绕混凝土碳化、混凝土保护层锈胀开裂及耐久性评估方法进行了分析。 结合内蒙古河套地区的环境影响因素和已建立的混凝土碳化深度随机模型，论文 建立了内蒙古河套地区的多系数混凝土碳化深度预测模型，并运用工程实测数据对所 提出的模型进行了验证。 混凝土结构耐久性研究是一个复杂的多因素、多变量、多层次的系统，对其进行 研究涉及诸多不确定性性信息。因此，参考对混凝土结构耐久性的研究现状，本文建 立了混凝土碳化极限状态下和钢筋锈蚀极限状态下的极限状态方程，并采用了大型商 用软件a n s y s 中的相应模块，对钢筋混凝土构件两种极限状态下的耐久性进行了预 测。 通过上述工作，得到了以下主要结论： 1 通过相应的实际工程数据的验证，结合环境影响因素建立的混凝土碳化深度 预测模型适合内蒙古河套地区使用； 2 概率设计是结构耐久性预测的重要方法之一。通过对混凝土构件两种耐久性 极限状态的模拟，得到了较为重要的影响因素，并得出了可靠指标与使用年限的函数 关系。 关键词：混凝土；耐久性；概率设计；蒙特卡罗法 r c s t r u c t u r ed u r a b i l i t ya n a l y s i s o nt h eb a s i so fp r o b a b i l i t yd e s i g n a b s t ra c t t o d a y , h o wt om a k ea na s s e s s m e n to fd u r a b i l i t y , i tp r o v i d e st h eb a s i s f o rt h e m a i n t e n a n c eo ft h ee x i s t i n gs t r u c t u r ea n dt h en e w l yb u i l ts t r u c t u r e sd e s i g n ，h a sb e c o m ea n u r g e n tt a s ki nt h er e s e a r c ho fr c s t r u c t u r e sd u r a b i l i t y i nt h i st h e s i s ，t h er e l a t i o n a lb a c k g r o u n do ft h es t r u c t u r e sd u r a b i l i t yh a sb e e n i n t r o d u c e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n dt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h ec o n c r e t e s c a r b o n a t i o na n dt h ec o n c r e t e sc o v e rc r a c k i n ga n dt h em e t h o do ft h ed u r a b i l i t ye v a l u a t i o n a r ea n a l y z e d b a s e do nt h ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c i n gf a c t o r so fh et a oa r e ao fi n n e rm o n g o l i aa n d t h ec o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nd e p t hp r o b a b i l i s t i cm o d e lw h i c hh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h i sp a p e r p r e s e n t sas t o c h a s t i cm o d e lf o rp r e d i c t i n gt h ec a r b o n a t e dd e p t ho f c o n c r e t e t h es t o c h a s t i c m o d e li sv e r i f i e db yan u m b e ro ff i e l dd a t a t h es t u d yo fr cs t r u c t u r ed u r a b i l i t yi sac o m p l i c a t e dm u l t i - f a c t o r , m u l t i v a r i a b l e ， m u l t i l a y e rs y s t e m ，i t ss t u d yi n v o l v e sm a n yu n c e r t a i ni n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，r e f e r e n c et o t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fs t r u c t u r ed u r a b i l i t y , t w ok i n d so fd u r a b i l i t y1 i m i ts t a t e sa r e e s t a b l i s h e d t h ec a r b o n a t i o no fc o n c r e t ea n dt h ec o r r o s i o no fs t e e l a c c o r d i n gt ot h e m o d u l e so f a n s y s ，t h ed u r a b i l i t yo ft h el i m i ts t a t e sh a sb e e np r e d i c t e d t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 t h r o u g h t h e c o r r e s p o n d i n ge n g i n e e r i n g d a t a sc o n f i r m a t i o n ，t h ec o n c r e t e s c a r b o n i z a t i o nd e p t hp r e d i c t i n gm o d e lb a s e do nt h ee n v i r o n m e n t a le f f e c tf a c t o r si su s e f u l f o rh et a oa r e ao fi n n e rm o n g o l i a 2 p r o b a b i l i t yd e s i g ni so n ei m p o r t a n tm e t h o df o rp r e d i c t i n gt h ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t e a f t e rt w ok i n do fd u r a b l el i m i t i n gc o n d i t i o n ss i m u l a t i o nt h ea u t h o rg o ti m p o r t a n tf a c t o r s ， a n do b t a i n e dt h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n sb e t w e e nd e g r e eo fr e l i a b i l i t ya n dd i f f e r e n td a y s k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；d u r a b i l i t y ；p r o b a b i l i t yd e s i g n ；m o n t ec a r l om e t h o d d ir e t t e db y ：p r o f l ip i n g a p pi ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：w a n gz h u o h u a ( h y d m u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g ) ( w a t e rc o n s e r v a n c ya n dc i v i le n g i n e e r i n gc o l l e g e ，i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ，h u h h o t0 1 0 0 18 ， c h i n a ) 插图和附表清单 图1 混凝土锈胀开裂图j 1 图2 混凝土结构耐久性分析图一4 图3 技术路线图7 图4 混凝土碳化深度对照2 3 图5 混凝土碳化深度拟合结果2 4 图6 碳化寿命准则概率分布3 4 图7 可靠指标随时闯变化曲线3 6 图9锈胀开裂寿命准则柱状图4 0 图1 0 可靠指标随时问变化曲线4 1 图1 1 锈胀开裂寿命准则灵敏度分析4 2 表1 水泥石中各水化产物稳定存在的p h 值1 2 表2 水泥品种对碳化速度的影响1 3 表3 国内外主要混凝土碳化模型j 1 6 表4 模型各参数符号说明1 6 表5c 0 2 浓度影响系数取值1 9 表6 全国不同区域各代表城市k 。的统计值1 9 表7 实际工程碳化深度的统计特征2 0 表8 系数取值表2 1 表9 混凝土碳化深度对照表2 2 表1 6 参数取值表3 3 表1 1 影响因素统计特征表3 3 表1 2a n s y s 程序计算结果表3 5 表1 3 影响因素统计特征表3 9 表1 4a n s y s 程序计算结果表4 1 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢婀 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：。也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关贲任 论文作者签名：日期：丝墨：笪：三至 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定印：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 i - 子文档，允许论文被查阅和借阒学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印缩印或其他手段保存论文 论文作暑签名：垒差笪 指导教师签名：垄： 日 期：坐型：乏：垒 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 研究背景及选题意义 1 1 1 混凝土耐久性的研究背景 自从1 8 2 4 年英国人a s p i d i n 发明波特兰水泥后，人类便开始了应用混凝土建造 建筑物的历史，水泥和混凝土也因此成为世界上最广泛使用的建筑材料。到2 0 0 4 年 年底，全世界混凝土的年消耗量大约为5 0 亿吨，而我国的水泥年消耗量就达到l l 亿吨，居世界首位。 众所周知，混凝土是由水泥、粗细骨料、水等为基本组分，必要时加入混凝土的 第五组分一混凝土外加剂( 如减水剂、引气剂等) 和混凝土的第六组分一混凝土掺合料 ( 粉煤灰、磨细矿渣等) ，经搅拌成型后硬化而形成的人工石材。因为混凝土具有可 塑性强、抗压强度高等优点而广泛地应用于工业与民用建筑中，如工业厂房、居民住 宅、水利枢纽、桥梁、隧道、海港、机场等。 长期以来，人们一直认为混凝土是非常耐久的材料，从而忽视了对混凝土耐久性 的研究。直到7 0 年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的混凝土结构工程在一些 环境下出现过早损坏的现象，图l 就是其中的例子。 美国标准局( n b s ) 1 9 7 5 年的调查表明，美国许多城市的混凝土工程建成后不到 二、三十年甚至在更短的时间内就出现劣化的现象，全年因各种腐蚀造成的损失就高 达7 0 0 多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占4 0 c “。在美国公路网5 6 万座桥中，处于严重失效的就有9 力座，1 9 6 9 年一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏公 路桥面板的费用高达2 6 亿美元，1 9 7 8 年增至6 3 亿美元n - ，1 9 9 2 年用于桥梁盐冻破 坏和钢筋锈蚀的修复费用高达2 5 8 0 亿美元，为初始造价的4 倍；美国困家研究协会 1 9 9 0 年的研究报告指出，在今后2 0 年内，美国将需花费2 0 0 0 3 0 0 0 亿美元米修复山 于腐蚀和质量低劣而处于危险r f i 的混凝土结构”1 。 2 基于概率设计的混凝土结构耐久性研究 英国为解决海洋环境下混凝土建筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费近2 0 万英 镑。英国英格兰岛中部环形线的快车道上有1 1 座混凝土高架桥，建于1 9 7 2 年，建造 费为2 8 0 0 万英镑，建成两年后就发现因钢筋锈蚀造成的混凝土顺筋裂缝现象；1 9 7 4 年一1 9 8 9 年的1 5 年间，其修补费用高达4 5 0 0 - 万英镑，为初始造价的1 6 倍。当时估 计以后1 5 年间( 到2 0 0 4 年) 的维修还要耗费1 2 亿英镑，累计接近当初造价的6 倍 o l 。 1 9 8 5 年沙特阿拉伯对沿海地区的4 2 座混凝土框架结构的建筑物进行的调查发现7 4 的结构中钢筋锈蚀严重；而日本引以为自豪的新干线，在运行1 0 年后就出现了大面 积的混凝土开裂、剥蚀现象；日本运输省曾检查了其中的1 0 3 座混凝土码头，发现使 用2 0 年以上的都有大量的顺筋裂缝，目前日本每年用于房屋结构维修的费用就达4 0 0 亿日元。 1 1 2 混凝土耐久性研究的选题意义 ， 在大量应用钢筋混凝土的同时，人们不得不关注的一个问题，那就是钢筋混凝土 结构的耐久性问题，如此庞大的混凝土结构家族，即便是耐久性寿命缩短一年，所带 来的损失也是不可估量的。美国学者曾提出“五倍定律 形象地描述耐久性设计的重 要性，即设计阶段对钢筋防护方面如果节省1 美元，那么就意味着，在发现钢筋锈蚀 时采取措施多追加维修费5 美元，顺筋开裂时多追加维修费2 5 美元，严重破坏时多 追加维修费1 2 5 美元口1 。发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极 采取应对措施，美国已明确提出，要与基础设施中的腐蚀破坏作斗争。通过对建筑物 实施“寿命周期成本分析法 大力倡导预先采取防护措施，以减少后期维修、停产所 带来的巨大经济损失。如在氯盐环境下，钢筋混凝土桥设计寿命为4 0 年，采用加钢 筋阻锈剂作为预先防护措施，其附加费用为5 4 美元m 2 。若前期不采取防护措施， 则1 5 年开始修复，寿命周期4 0 年内累积费用达1 0 8 一1 6 1 美元m 2 ( 这又是一个“五 倍定律”) ，加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害，钢筋的混凝 土保护层最小厚度从5 0 年代的2 5 m m 逐渐增加到8 0 年代后的7 0 m m ，而混凝土强度 的最低等级也从5 0 年代的c 2 5 增到后来的c 4 0 。可见钢筋混凝土耐久性防护措施的 研究，其重大意义和长远经济效益是不可低估的。 我国工程结构大多数使用钢筋混凝土结构，但人们忽视了钢筋混凝土结构耐久性 问题的研究，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究相对滞后的现状，并因此付出了沉重 的代价。我国用于旧建筑物维修、改造和加固的投资比例增长较快，而用于新建建筑 的投资比例却有所下降，我国现有房屋2 0 - - 3 0 具备改造条件，改建比新建可以更 快的收回投资。据1 9 8 7 年统计分析n ，如把我国现有建筑物的使用寿命延长一年，相 当于新建房屋上亿平方米，或相当于创造几百亿的投资。林志伸对我国工业厂房进行 了宏观调查表明，环境条件是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素，当结构质量 较好，且在f 常环境中工作的结构，虽然混凝土会发生碳化，但钢筋锈蚀少。而处于 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 干湿交替、特别是在有腐蚀介质的部位，构件中钢筋发生严重锈蚀。 我国建设部于8 0 年代的一项调查也表明，国内大多数工业建筑物在使用2 5 q o 年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅1 5 二- 2 0 年。民用建筑和公共建 筑的使用环境相对较好，一般可维持5 0 年以上，但室外的阳台、雨棚等露天构件的 使用寿命通常仅有3 0 4 0 年。海港码头等基础设旌工程的耐久性问题更为严重，一 般使用十年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落而需要大修。我国呼和浩特铁路局呼和浩 特西机务段的中检库，屋顶为高强钢丝束配筋的2 1 m 跨预应力梯形屋架，由于灌浆 内掺5 的c a c l 2 ，且灌浆不彻底，在蒸汽机车的喷烟排气的作用下，使用i o 年后， 于1 9 7 2 年2 月1 1 日屋架塌落，钢丝束早在几年前就被锈蚀断裂，最后一次拉断时， 仅有7 根钢丝“蚰。我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2 6 7 5 座，其中的7 2 2 座发生 裂损。1 9 8 8 年对4 0 座处于淡水钢筋混凝土水闸耐久性的调查表明，因混凝土碳化引 起钢筋锈蚀而导致上部结构破坏的占6 2 0 5 ，其中2 2 的结构已严重破坏旧。建筑物在长 期使用的过程中，混凝土结构因混凝土碳化或钢筋锈蚀导致的结构安全事故，其严重 程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害。由此可见，进行钢 筋混凝土耐久性研究会带来巨大的经济效益，并且具有深远的意义。 1 ，1 3 混凝土耐久性研究的提出 所谓混凝土的耐久性，是指结构在化学侵蚀或其它不利因素的作用下，在预定时 间内，其材料性能的恶化不至于导致结构出现不可接受的失效概率n 】或者说是结构 在要求的目标使用期限内，不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和适用性 的能力“习。混凝土的耐久性是个很古老的话题，又是当前十分关注急待解决的难题。 近几十年来由于混凝耐久性不足引起工程结构过早破坏拆除或失效不得不进行维 护与加固，造成了巨大的经济损失，这是各国普遍存在的现象，因而引起学术界、工 程界、以及政府职能部门的高度重视和共鸣。2 0 0 0 年我国发布的建设工程质量管 理条理( 中华人民共和围困务院第2 7 9 号令) ，首次以政令形式对基础设施工程的耐 久性提出明确要求。 因此，如何保证结构混凝土在复杂损伤因素作用下具有高耐久性，又如何进行科 学的评价和预测，至今仍是国内外没有解决的重大理论难题。在满足经济条件的同时， 进一步研究和改善混凝土的配制技术和提高混凝的性能，建立新的耐久性评估和寿 命预测理论体系是当今我国结构混凝土与工程建设高速发展中的重大科学技术与理 论难题，同时也是工程界永恒的研究热点。 1 2 国内外研究现状 一般来说，混凝土结构耐久性研究划分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究 和结构的耐久性研究三个层次“，文献1 对各层次进行了详细的分解，如图2 所示。 4 基于概军设计的混凝土结构耐久性研究 这样的分类简单明了，并与结构组合次序一致，但这样的分类使各因素各层次相互影 响的关系不够明确。事实上，人们在研究混凝土耐久性问题时，首先从寻找各种影响 因素开始，然后研究这些因素的作用机理，建立模型，再进一步研究耐久性问题，最 终建立结构耐久性的评估理论。因此，从研究路径出发，应该划分为影响因素研究、 机理研究、性能研究、评估理论研究四个层次，从影响因素到评估理论是由低层次向 高层次发展，在各层次内又有相互影响、相互依存的关系，这样的划分更能反映各层 次的复杂性关系。 混凝土结构耐久性分析 材料层次 构件层次 r 碳化机理 混凝土碳化l 影响因素 l 碳化模式 l 其他中性化因素 r 腐蚀机理 氯盐腐蚀j 渗入模型 l 防护措施 广冻害机理 冻融破坏 影响因素 l 抗冻措施 广反应机理 碱一集料反应 影响因素 l 防治措施 r 锈蚀机理 钢筋锈蚀j 影响因素 i 锈蚀模型 l 检测与防护 混凝土锈胀开裂模型 粘结性能衰退模型 构件承载力的变化 图2 混凝土结构耐久性分析图 ，耐久性计算和验算 l 制定构造措施 厂传统经验法 l 模糊数学法 神经网络法 l 专家系统法 l 可靠度法 1 2 1 国外研究现状 进入本世纪6 0 年代，混凝士结构的使用进入了高峰期。同时，混凝土结构的耐久 性研究也进入了一个高潮期，并且：h ：始朝系统化、困际化方向发展m ，。国际材料与结 计 估 设 评 性 性 久 久 耐 耐 厂j、l 次层构结 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 构研究所联合会( r i l e m ) 于1 9 6 0 年成立了“混凝土中钢筋腐蚀 技术委员会，目的 在于推动混凝土结构耐久性研究的发展，使得混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国 际学术机构和国际性学术会议讨论的重要课题之一。1 9 6 1 年和1 9 6 9 年分别召开了国际 混凝土耐久性学术会议；1 9 7 0 年在布拉格召开了第六届、第七届国际水泥化学会议； 1 9 7 8 年一1 9 9 3 年连续六次召开了建筑材料与构件的混凝土耐久性国际学术会议；1 9 8 7 年，国际桥梁与结构协会在巴黎召开了“混凝土的未来”国际会议；1 9 8 8 年在丹麦召 开了“混凝土结构的重新评估 国际会议；1 9 8 9 年，国际桥梁与结构协会( 认b s e ) 在美国和葡萄牙举办了有关结构耐久性的国际学术会议；1 9 9 1 年美国和加拿大联合举 行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议；1 9 9 3 年在丹麦哥本哈根召开了结构残余 能力国际学术会议；2 0 0 1 年3 月国际桥梁与结构协会在马尔他岛召开了“安全性，风 险性与可靠性工程趋势 的国际学术会议。 这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流，取得了显著的成 果，部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工、维护等的标准性技 术文件n 町，如美国a c l 4 3 7 委员会于1 9 9 1 年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最 新报告，以及检测试验的详细方法和步骤。日本建设省从1 9 8 0 年就组织了进行“建 筑物耐久性提高技术 的开发和研究。1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布的耐久性 混凝土结构设计指南反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究的水平。2 0 0 1 年亚洲 混凝土模式规范委员会公布了亚洲混凝土模式规范( a c m c 2 0 0 1 ) ，提出了基于性 能的设计方法。目前，国外混凝土耐久性的研究基本形成了比较完善的体系与成熟的 技术方法。 1 ，2 2 国内研究现状 我国对混凝土耐久性研究始于2 0 世纪6 0 年代，但是从8 0 年代初才开始了广泛 而深入的研究，中国土木工程学会于1 9 8 2 年、1 9 8 3 年连续两次召开了全国耐久性学 术会议，为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础，推动了耐久性研究工作的进一步 开展；1 9 8 9 年我国颁布的钢铁工业建( 构) 筑物可靠性鉴定规程( y b j 2 1 9 8 9 ) 规定 了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法。1 9 9 1 年1 2 月在天津成立了全国耐久性研究小 组，它的诞生使我国在混凝土结构耐久性的研究方面朝系统化、规范化的方向迈进了 一步，由中国工程院土木水利建筑学部发起的“土建结构工程的安全性与耐久性”科 技论坛，于2 0 0 1 年1 1 月1 7 一1 8r 在清华大学举行。第四界混凝土耐久性科学论坛 于2 0 0 5 年1 2 月在浙江大学召开。混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视。 1 9 9 0 年王光远院士建立了结构服役期间的动态可靠度分析及优化维修决策理论 和在役结构强度储备评估方法；1 9 9 1 年赵国藩院士提出了服役结构在剩余寿命内荷 载及荷载效应的统计分析方法；1 9 9 2 年一1 9 9 6 年段忠东研究了结构概率损伤理论及 构件抗力衰减规律；1 9 9 3 年一1 9 9 6 年王林科、孙维章、陶峰等研究了服役钢筋混凝 6 基于概军设计的混凝土结构耐久性研究 土结构构件承载力的评估方法；1 9 9 5 年一1 9 9 9 年郭院成、李广慧、赵卓等对化工环 境下钢筋混凝土结构的腐蚀机理进行了研究，并建立了受腐蚀服役混凝土结构的动态 可靠性评估方法及相应的维修决策理论；1 9 9 8 年卢木等以层次分析法为基础，建立 了结构耐久性多层次综合评判模型，并对结构耐久性进行综合分级评定；1 9 9 9 年一 2 0 0 1 年，张德峰、王百成、柴金义等针对预应力混凝土结构的腐蚀耐久性进行了广 泛的研究；2 0 0 0 年易海平提出了用概率法评估既有预应力混凝土桥承载能力及使用 性能的方法；2 0 0 2 年，王春生等提出基于损伤机理的结构损伤安全评定、方法的设 想，综合应用基于损伤力学、疲劳断裂、可靠度理论等多种方法和理论进行损伤安全 评定；2 0 0 2 年赵冬兵提出了基于动态有限元分析的桥梁快速评估方法；2 0 0 3 年仲伟 秋提出了基于碳化损伤的混凝土工业厂房耐久性评估方法：2 0 0 4 年夏宁等提出了基 于模糊等价关系的动态聚类分析的一种构件耐久性评估方法。正在编写的混凝土结 构耐久性设计指南和混凝土结构耐久性评定标准基本上代表了我国耐久性研究 的水平。 1 2 3 当前存在的问题 我国混凝土结构的设计与施工规范，重点放在各种荷载作用下的结构强度和刚度 要求，而对环境因素( 如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学介质 侵蚀) 作用下的耐久性要求则考虑得较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致 的结构安全事故，其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的 危害。我国规范规定的与耐久性有关的一些要求，如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护 层最小厚度和混凝土的最低强度等级，都显著低于国外规范。 当前在建的众多工程在耐久性设计上由于没有可供遵循的新依据，所以仍然沿着 重蹈覆辙的道路走。此外，工程技术界还存在长期形成的一些守旧的看法，对改善混 凝土的耐久性能造成很大的阻力。 1 3 本文主要工作 1 3 1 研究内容、方法 综上所述，现阶段人们虽然对混凝土耐久性的重要性己有所认识，但混凝土耐久 性理论的发展远远不能满足实际工程中对结构耐久性的设计要求。另一方面，混凝土 结构耐久性问题的研究，对混凝土结构的研究领域提出了新的研究课题。针对上述原 因，本论文应用理论分析与工程实测相结合，计算机模拟的方法。在材料耐久性方面， 围绕混凝土碳化的影响因素，钢筋锈蚀进行分析，在构件耐久性方面主要通过从构件 的混凝土碳化耐久性极限状态和钢筋锈胀开裂耐久性极限状态两个方面建立极限状 念方程，对混凝土构件进行耐久性评估。本文主要对钢筋混凝土构件的耐久性进行了 分析，提出了相关结论。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 1 3 2 拟解决的问题 ， 1 结合内蒙古河套地区相关参数，确立内蒙古河套地区混凝土碳化深度预测模型； 2 黄河三盛公水利枢纽拦河闸碳化深度模拟结果； 3 混凝土构件碳化极限状态下的耐久性分析； 4 混凝土构件锈胀开裂极限状态下的耐久性分析。 1 3 3 技术路线 本文将按照图3 的路线进行研究。 图3 技术路线图 8 基于概率设计的混凝土结构耐久性研究 2 混凝土结构碳化耐久性分析 混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标。现行规范对强度指标有详 细的计算和试验方法，达不到指标的即为不合格产品，而对于耐久性，却没有严格的 衡量参数，同一强度指标的混凝土其实际耐久性可能相差很大。混凝土抗碳化能力是 衡量混凝土结构耐久性非常重要的一个指标。由于过去在设计和施工时对混凝土碳化 问题重视不够，导致混凝土抗碳化能力较低，造成不少建筑物的耐久性差，被迫提前 加固的局面。 2 1 混凝土结构寿命评估的准则 2 1 1 混凝土结构寿命的定义 混凝土结构与其它产品一样都具有特定的使用寿命，其使用寿命可以分为自然寿 命和无形寿命“订。 混凝土结构的自然寿命也称为结构的耐久年限，是指混凝土结构在正常使用和维 护条件下，仍然具有其完成预定使用功能的时间。对于已经使用了一定时期的旧建筑 物，将在正常使用和正常维护条件下，仍然具有预定使用功能的时间称为结构的剩余 使用寿命或剩余耐久年限。 混凝土结构的无形寿命是指建筑结构尚未达到其自然寿命之前，由于各种原因终 止其原有使用功能的时间。如工业厂房结构尚处于完好状态，但由于技术改造的需要， 厂房的使用功能( 如厂房高度、吊车起重量等) 已不能满足新工艺的要求而不得不拆除 重建。 使用寿命可以从不同的角度来分类。在英国的建筑物耐久性标准中。町，提出了要 求使用寿命( 被规定以满足用户要求的使用寿命) 、预期使用寿命( 根据经验、试验或 制造商提供资料所估计的寿命) 、设计寿命( 设计入预定进行设计的寿命) 的不同概念。 对混凝土结构而言，有种种原因可以造成使用寿命的终结，例如，因材料劣化导致承 载力降低而不能满足安全要求；因氯离子渗透到钢筋表面且其浓度超过一定值，使钢 筋锈蚀的危险性达到难以预测的地步；因继续进行维修的费用过大达到人们难以承受 的程度；因外观陈旧达到不能接受的程度。英国的s o m e r v il l e 从使用寿命终结的角 度出发，将使用寿命分成以下三类“玎： ( 1 ) 技术性使用寿命 是结构使用到某种技术指标( 如结构整体性、承载力等) 进入不合格状态时的期 限，这种状态可因为混凝土剥落、钢筋锈蚀引起。 ( 2 ) 功能性使用寿命 与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。如桥梁的行车能 力已经不能适应新的需要、结构的用途发生改变；由于新工艺的需要，工业厂房的厂 房高度不能满足要求。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 ( 3 ) 经济性使用寿命7 是指混凝土结构使用到继续保留维修费用相当高，已经不如拆除掉重新建造的期 限。 2 1 2 混凝土结构使用寿命的评估准则 结构的使用寿命定义为建筑结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具有其预定 使用功能的时间。根据这一定义，在进行结构寿命预测之前，必须明确结构的预定功 能是什么，如何判断结构的功能失效，即耐久性极限状态的定义，这是结构寿命预测 和剩余寿命评估的关键。 如前所述，混凝土结构的使用寿命受各种环境条件和材料本身性能的影响，人们 目前尚不能较好地把握混凝土失效的全过程，致使在混凝土结构耐久性极限状态的确 定上未能达成共识。目前，评估混凝土结构剩余寿命的方法有多种。根据结构失效形 式的不同，可把结构寿命分为正常使用寿命和承载力使用寿命；根据结构老化状态不 同，又可把结构寿命分为碳化使用寿命、钢筋锈蚀使用寿命和锈蚀开裂使用寿命，任 何一种寿命都应有明确的寿命终止准则和计算方法。参照现有的钢筋混凝土结构耐久 性研究成果，主要有以下几种寿命准则： l 正常使用寿命准则 指结构从建成投入使用开始到结构不能满足某一使用功能要求为止的时间，但维 护加固或改造后仍可继续使用，这常用于资产分析与评估之中。 2 承载力寿命准则 承载力寿命准则是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化，指构件的承载力因自然原因 ( 物理、化学变化等) 降低到某一界限值作为耐久性极限状态。我国钢铁工业建筑物 可靠性鉴定规程( y b z l 9 8 9 ) 以一半主筋破坏作为丧失承载力标志，给出了构件剩余 寿命的计算公式。 对混凝土结构耐久性破坏准则的合理选择是进行耐久性评估和寿命预测的重要 前提。出于混凝土结构的性能退化过程是一个极其复杂的演化过程，不仅取决于结构 本身，而且与结构所处的环境有非常密切的关系，故在有些情况下，钢筋锈蚀并不十 分严重，但却发生了构件破坏现象：而有时钢筋锈蚀已经出现明显的损失，却未发生 破坏，构件还在“正常 使用。因此，不存在一个规定不变的耐久性评估准则，对不 同类型的结构、使用环境等应区别对待。 3 耐久性寿命准则 指结构从投入使用开始到耐久性失效而无法继续使用的年限。从结构的功能上 讲，耐久性失效主要有结构的安全耐久性失效和适用耐久性失效两个方面。其中，安 全耐久性失效是指由于影响结构耐久性的因素( 如由碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀) 引 起的结构承载力失效，主要包括以下几种寿命准则： 1 0 基子概率设计的混凝结构耐久性研究 ( 1 ) 碳化寿命准则 碳化寿命准则是以混凝土保护层碳化，从而失去对钢筋的保护作用，把钢筋开始 产生锈蚀的时间作为混凝土结构的寿命。到目前为止，基本上是以混凝土碳化深度达 到钢筋表面作为钢筋开始锈蚀的标志。如前苏联有关标准m ，以混凝土碳化深度到达钢 筋表面的时间作为混凝土结构的寿命，f u n a h a s h i 嘲在研究停车场预应力构件的使用寿 命时，提出了以钢筋开始锈蚀作为寿命终结的标志，并通过有限差分法计算了构件的 寿命。 采用碳化寿命准则的理由，主要是考虑到钢筋一旦开始锈蚀，不大的锈蚀量、不 长的时间就足以使混凝土开裂，而开裂后锈蚀受到很多随机因素的影响，很难做出定 量的估计。但是大量的实际工程调查表明，混凝土碳化深度达到钢筋表面并不是钢筋 锈蚀的充分条件，有许多使用了二、三十年的构件，碳化深度己经达到甚至超过钢筋 表面，而钢筋尚未发生锈蚀“力。一般情况下，将混凝土碳化寿命作为混凝土结构使用 寿命终止的标准过于保守，但是研究混凝土结构的碳化寿命对于新建结构的耐久性设 计以及服役结构的及时维护具有重要意义，尤其是对于不允许钢筋锈蚀的预应力钢筋 混凝土结构而言，这一标准更为合适。 ( 2 ) 锈胀开裂寿命准则 锈胀开裂寿命理论是以混凝土表面出现顺筋的锈胀裂缝所需时间作为结构的使 用寿命。这一准则认为，混凝土中的钢筋锈蚀使混凝土出现纵向裂缝以后，钢筋锈蚀 速度明显加快，将这一界限视为危及结构安全，需要维修加固的预兆。早在2 0 世纪 8 0 年代初，t u u t t i 怔”就提出了基于钢筋锈蚀的结构构件使用寿命两阶段预测模型，对 于一般大气环境下，结构构件使用寿命t = t l + t 2 ，其中，t 1 为混凝土保护层完全碳化、 钢筋脱钝开始锈蚀的时间，t 2 为因钢筋锈蚀发展导致结构构件达到耐久性极限状态的 时间，m o r i n a g a t = ，以氯离子引起钢筋锈蚀导致混凝土结构出现顺筋裂缝为失效准则， 由试验建立纵向裂缝时的钢筋锈蚀量与钢筋锈蚀速度关系来预测构件的寿命。因此对 于有装修的钢筋混凝土结构构件，采用混凝土扦裂寿命准则较为合适。 ( 3 ) 裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则 由于锈胀开裂的标准很难定量，且锈胀开裂对于大多数结构的安全性和适用性影 响不大。于是，人们又提出了裂缝宽度与钢筋锈蚀量控制的寿命准则，即认为锈胀裂 缝宽度或钢筋锈蚀量达到某一界限值时寿命终止。有学者提出以保护层出现0 1 5 0 2 5 r a m 的裂缝宽度或钢筋截面损失率达到1 作为耐久性极限状态标志。 对于工业厂房和一般民用建筑，采用锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度或钢筋锈蚀量 限值寿命准则似乎偏严。在实际工程中不乏这样的实例，构件混凝土保护层早己脱落， 钢筋锈蚀严重，但构件仍在“j 下常”使用。因此，对于一般混凝土构件，以受力破坏 作为判断寿命终结的标准则可能更合理一些。 内蒙古农业大学硕士学位论文 ” 2 2 混凝土的碳化 钢筋锈蚀是结构耐久性退化的首要原因，钢筋钝化膜的破坏是钢筋锈蚀的前提条 件，而混凝土碳化和氯盐侵蚀是导致钢筋钝化膜破坏的前提条件。 混凝土的碳化是指混凝土中的碱性物质( 主要是c a ( o h ) ：) 与渗进混凝土中的二氧 化碳( c 0 2 ) 和其它酸性气体如二氧化硫( s 0 , ) 、硫化氢( h 2 s ) 等发生复杂的物理化学反应 过程，虽然混凝土内部的碳化可以增强混凝土的强度，改善混凝土结构的尺寸稳定性， 但是碳化使混凝土的碱度下降，当混凝土完全碳化后，p h 值大约为8 5 - 9 0 ，在这种情 况下混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，如果再有水和氧气存在，混凝土中 的钢筋就开始锈蚀，导致混凝土结构破坏。混凝土的碳化是衡量钢筋混凝土结构物使 用寿命的一个重要指标。混凝土结构物的使用环境一般为空气中、水中或地下。至u 1 9 9 2 年为止的观测，空气中的二氧化碳的浓度，室外环境为3 0 0 p p m ( 0 0 3 ) ，室内环境为 1 0 0 0 p p m ( 0 1 ) 。随着工业的发展，特别是汽车使用量的增多，温室效应的问题越来 越严重，目前大气中的c 0 ：浓度已经达至l j 3 5 0 p p m ，预测到2 0 9 0 年将达至u 1 0 0 0 p p m 。此外 工厂排泄的“三废 也使河川、地下水中的c 0 2 、s 0 2 的浓度不断增加t 砑，大量处于暴 露环境中的混凝土结构面临的碳化问题越来越严重，所以混凝土碳化是一个不容忽视 的问题。 混凝土碳化的研究内容包括碳化机理、影响因素和碳化深度预测模型等的研究， p a p a d a k i s 等从分子层次上阐述了碳化机理，基于反应动力学分析了碳化过程中的主 要物理化学反应，为碳化过程的定量分析奠定了基础。影响混凝土碳化程度的因素有 混凝土的自身因素：混凝土的组分和配合比；施工过程因素：养护方法和龄期；环境 因素：湿度、温度和c 0 2 的浓度。 2 2 1 混凝土的碳化机理 混凝土的碳化是水泥石中水化产物与环境中二氧化碳( c 0 2 ) 相互作用的一个非常 复杂的物理化学连续过程。是一个山表及里、缓慢向混凝土内部扩散的过程。另外， 儿是能与c a ( o h ) 2 进行中和反应的一切酸性气体，如s 0 2 ，s 0 3 ，h 2 s 以至于气相h c l 等，均能发生中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化广义地称为“中性化。 以普通硅酸盐水泥为例，其主要水化产物有：水化硅酸钙( c 3 s 2 h 3 ，占6 0 以上) ，氢 氧化钙( c a ( o h ) 2 ，约占2 5 ) ，水化铝酸钙，水化硫铝酸钙等。其中c a ( o h ) 2 在水中 的溶解度低，除少数溶于孔隙液中使之成为饱和碱溶液外，大部分以结晶的形式存在， 成为孔隙液保持高碱性的储备嘶1 ，它的p h 值为1 2 5 1 3 5 ，在这种高碱性的环境中， 钢筋表面会形成一种保护膜，使其免遭破坏。在水泥水化过程中，由于化学收缩、自 由水蒸发等原因，使水泥石成为一个含有固相、液相和气孔的非均质体。环境中二氧 化碳气体首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管，其次溶解于孔隙内的液相 并生成碳酸，然后与水泥石中各水化产物发生碳化反应。水泥石中各水化产物稳定存 12 基于概率设计的混凝土结构耐久性研究 当混凝土细孔溶液的p h 值低于表1 中的临界数值时，该物质就开始进行分解， 在水化物中的氢氧化钙首先与酸性物质反应。 ， 主要的碳化反应方程式如下： c 0 2 + h 2 0 = h 2 c 0 3( 1 ) c a ( o h ) 2 + h 2 c 0 3 = c a c o ，i + 2 h 2 0( 2 ) c a s i 0 3 + h 2 c 0 3 = c a c 0 3 + s i 0 2 + h 2 0( 3 ) 3 c a o 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 = 3 c a c 0 3 + 2 s i 0 2 + 6 h 2 0( 4 ) 钢筋混凝土碳化的机理就是大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质，在气相、 液相和固相中进行的一个十分复杂的多相物理化学连续过程。混凝土碳化实质上就是 混凝土碱性降低的过程。未碳化区混凝土孔隙溶液的p h 值达1 2 5 左右，完全碳化区 混凝土孔隙溶液的p h 值一般为8 o _ _ 9 。0 之间。1 当p h 值降至1 1 5 以下时，钢筋周围 的致密钝化膜就受到破坏，在水和氧气得到满足的条件下，钢筋就开始锈蚀。 2 2 2 影响混凝土碳化的因素 2 2 2 1 材料性质的影响 ( 1 ) 水灰比对混凝土碳化的影响 水灰比是决定混凝土性能的重要参数，对混凝土碳化速度影响极大。众所周知， 水灰比基本上决定了混凝土的孔结构，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率就越大。混 凝土中的气孔主要有胶孔、气孔和毛细孔。胶孔的半径很小，c 0 2 分子很难自由进出； c 0 2 扩散均在内部的气孔和毛细孔中进行。因此水灰比一定程度上决定了c 0 2 在混凝 土中的扩散速度，水灰比越大，孔隙率越高，c 0 2 的扩散越容易，混凝土碳化速度越 快。 国内外进行了大量的快速碳化试验和长期暴露试验来研究水灰比与混凝土碳化 速度的关系。彦承越通过长期暴露试验研究了混凝土碳化速度与水灰比的关系，此 关系大致呈线性关系；山东建科院在济南、青岛、佛山进行了室外长期暴露试验及快 速试验，得到碳化速度与水灰比的关系，并根据济南地区暴露试验给出了碳化速度