钢筋混凝土结构耐久性研究现状及其提高措施.doc

钢筋混凝土结构耐久性研究现状及其提高措施 【摘 要】本文介绍了国内外钢筋混凝土结构耐久性的状况及研究的动态，从材料、构件和结构3个层次论述了钢筋混凝土结构耐久性研究的现状。从研究与分析混凝土的结构形式和耐久性的影响因素入手，总结了提高钢筋混凝土耐久性的措施，并列出了耐久性研究的方向。 【关键词】钢筋混凝土结构；耐久性；碳化；锈蚀；冻融；寿命预测 引言 混凝土的耐久性，是指结构及其各组成部分，在所处的自然环境和使用条件等因素的长期作用下，抵抗材料性能劣化、仍能维持结构的安全和适用功能的能力1。或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力2。在结构设计中，耐久性被看成是结构所需的一种功能而不是其固有的内在性能，所以耐久性又被定义为结构及其部件在各种可能导致材料性能劣化的外加因素作用下、并在预期的使用年限内维持其所需功能的能力3。 由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国1991年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑。而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上。日本引以为豪的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。我国基础建设比发达国家迟三十多年，现有建筑物的老化现象也是很严重的。据统计，我国现有建筑面积70亿平方米，其中有50 %进入老化阶段，约23亿平方米需分期分批进行鉴定加固，近10-12亿平方米急需维修加固才能使用。建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组曾对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查，其结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态；现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求，一般使用2530年就需大修加固。钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们关注。美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面每节省一美元，就意味着，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25美元，严重破坏时则多追加维修费125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性问题的研究4。混凝土结构的耐久性及耐久性设计现已成为结构工程学科发展研究的前沿，而我国不论在耐久性研究或耐久性要求的设计水准上，与国外相比存在非常大的差距。我国当前正进行空前规模的基础设施工程建设，改善混凝土结构的耐久性迫在眉睫。否则，巨大投资将蒙受重大损失，有限资源将遭到极大浪费，并将给今后生活和生产带来长期困扰3。 1、国内外混凝土耐久性研究动态 混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国学术机构、学者和工程技术人员对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视，表现在各种结构耐久性学术机构的不断成立和频繁的学术活动、大量的与结构耐久性有关的出版物以及大规模的科学研究方面。 对混凝土结构耐久性问题的研究可追溯到三四十年代，但最近十几年才受到广泛重视。美国A CI437委员会于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，提出了检测试验的详细方法和步骤。美国联邦公路管理局制定计划，研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究，并于1985年提交了研究成果概要报告，1986年开始陆续出版发行了建筑物耐久性系列规程。日本建筑学会（AIJ）1988年推出了建筑物使用指南1992年又推出了建筑物现状调查、诊断、维修指南；同年，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。 钢筋混凝土结构的耐久性问题在我国也日益受到重视。1990年4月，建设部组织成立全国建筑物鉴定与加固委员会，至今已召开三届学术交流会。全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学组于1991年成立，中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段。我国在编制混凝土结构设计规范（GBJ 10-89）的过程中，规范组成员曾在混凝土耐久性方面做了许多工作，而10余年后在对混凝土结构设计规范（GBJ 10-89）的修订过程中，又将混凝土结构耐久性的可靠度设计方法及措施作为一个专题研究。2007年编制了混凝土结构耐久性评定标准（2007）。国家和省部级的研究基金曾支持过多项有关耐久性的研究课题。建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限”，包括结构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响等；“八五”攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”，包括拟建混凝土结构耐久性设计方法，在用混凝土结构的耐久性检测和评估方法，在一定条件下诸因素对混凝土结构耐久性的综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库等，目前已取得一些成果。 2、混凝土耐久性研究状况 钢筋混凝土结构的耐久性研究，分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究和结构耐久性研究三个层次，其中前两个层次已经研究得较为深入。 2.1 材料耐久性研究 材料耐久性的研究已经比较深入，成果主要集中在混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环等方面，并考虑了大气、海洋、化学侵蚀等不同的工作环境对材料耐久性的影响。 （1）混凝土碳化研究 一般认为，混凝土碳化是由于大气中的CO2与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土表面碱性降低。在建立理论模型时，国内、国外大都假设： （a）CO2在混凝土中的扩散遵循Fick第一定律； （b）CO2的浓度呈线性分布，锋面处浓度为0。 （2）钢筋锈蚀研究 混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。国外这方面研究得比较早，且许多成果已被国内所引用。国内主要是在国外成果的基础上，进行修正和补充研究。因此，国内的成果基本反映了当今世界的研究现状。中国建研院考虑水泥品种、混凝土养护条件、环境作用等多种因素建立了钢筋锈蚀的一般规律。西安建筑科技大学牛荻涛等人根据工程调查结果，给出了一般室内环境钢筋锈蚀开始时间的确定方法；利用腐蚀电化学原理建立了一般室内环境中钢筋锈蚀量的预测模型。 （3）冻融破坏研究 对于混凝土冻融破坏的研究，现已形成较为完整的基础理论。Powers等人从混凝土的亚微观入手，分析孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，前苏联学者从力学概念出发，提出了现象学观点。清华大学土木系基于静水压假说，利用损伤力学的方法，给出了预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。这一模型考虑了亚微观层次上冻融的破坏机理，并将这种破场、作用反映在混凝土的宏观力学行为上，较好地联系了亚微观和宏观两个层次，并得到了满意的计算结果。 2.2结构耐久性研究 对于钢筋混凝土结构的耐久性，国外研究得较少，国内也刚刚开始。研究结构耐久性的目的主要在于解决新建结构的耐久性设计和已建结构的耐久性评估问题；同时，对于不同耐久性等级的混凝土结构，给出不同的构造措施，在保证结构可靠、耐久的前提下，使工程造价最低。钢筋混凝土结构耐久性的研究包括对结构的耐久性评定和寿命预测两个层次。 （1）结构的耐久性评定 有关结构的耐久性评定，从已取得的成果来看，主要包括基于构件耐久性损伤加权的耐久性评定、基于模糊综合评判的耐久性评定和基于可靠度的耐久性评定三类。清华大学王晓刚、王娴明提出用于混凝土耐久性评判的模糊综合评判法。这种方法充分反映了各因素关联性、随机性强的特点结果较为可信。日本清水株氏会社研究所给出了一种对建筑物综合评价的方法，这种方法通过三次调查进行综合评价，避免了人为因素的影响。这种方法结构严密，条理清楚，调查评价方法系统、可行，在日本已被广泛采用。 （2）结构构件寿命预测 目前对结构构件的寿命预测研究较多，常见的理论有碳化寿命理论、开裂寿命理论、承载力寿命理论和经济寿命理论。钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程（YB 8219-89）采用承载力寿命理论，以一半主筋破坏为丧失承载力标志，给出了构件剩余寿命的计算公式。清华大学肖从真、刘西拉以混凝土构件纵向开裂（截面损失率达5%）作为寿命的终点引入数论模拟方法，结合方差缩减技术对构件进行寿命预测。R. N .Swamy， H .Hamada和J. C. Laity基于氯离子在混凝土中的扩散服从Fick第二定律的假设，建立了预测含氯条件下混凝土构件寿命的数学模型。上海建材学院许丽萍、吴学礼等人给出了上述模型中参数的确定方法。 （3）结构寿命预测 近些年来，人们采用模糊法、概率法、网络法、动态分析法、生存分析理论等来预测结构构件的寿命，并取得了一些成果，但对结构寿命的预测才刚刚起步。国外在这方面的研究集中于考虑抗力衰减的结构可靠度分析上。这种方法将抗力作为时变随机变量，将荷载视为随机变量或随机过程，比较准确地反映了结构的实际情况。如果再引入结构的经济因素，从经济角度来进行结构寿命预测，将是较为理想的研究方向。 3、提高钢筋混凝土耐久性的措施 3.1采用高性能混凝土提高钢筋混凝土耐久性 高性能混凝土的核心是保证耐久性。高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂，减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高强度，提高耐久性。 （1）掺入高效减水剂：在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构，在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入的减水剂定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现，而掺入高效减水剂，完全可以将水灰比降低到0.38以下。 （2）掺入高效活性矿物掺料：普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化碳酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化碳酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透通路。此外，还能改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些重要的作用，对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。 （3）消除混凝土自身的结构破坏因素：除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化性过热过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱骨料反应等。 3.2 钢筋锈蚀的防护 （1）采用钢筋阻锈剂提高钢筋的抗蚀能力：在拌制混凝土时加入阻锈剂可提高混凝土的抗蚀能力。迁移型阻锈剂是近年来提出的全新概念，它可外涂，虽然不如内掺效果好，但它迁移到钢筋表面的这种性能是有重要意义的。迁移型阻锈剂并不降低混凝土的力学性能；和易性、吸水性等物理性能没有任何改变；相反可以提高混凝土的高温（可达6）拉伸强度、弯曲强度。电化学研究表明，迁移型阻锈剂可显著降低腐蚀速度，且这种作用对低强混凝土比对高强混凝土更明显。它通过在钢筋表面形成保护膜来抑制电化学反应。 （2）采用钢筋表面防护来提高钢筋混凝土耐久性：钢筋的表面防护可分为金属的表面防护和非金属的表面防护。镀锌是常用的金属表面防护措施。它既可以使钢筋和外界环境隔离，又可起到牺牲阳极的保护作用。非金属表面防护主要有环氧和聚合体树酯等。各种钢筋的表面防护对策已相继出台，其中混凝土防腐蚀较为经典的一种方法是使用热浸镀锌钢筋（HDGR）；此外，环氧树酯涂层钢筋（ECR）也是很有代表性的有效方法。由于二者的防腐蚀机理不同，哪一种对钢筋防腐蚀效果最佳不能一概而论，应该视具体情况而定。 3.3采用混凝土表面涂敷涂料提高钢筋混凝土耐久性 混凝土表面涂敷涂料适用于混凝土表层封闭应具有如下一些特点：稳定性好，该涂料在大气、淡水、海水及酸碱溶液等介质中长期稳定；物理机械性能好，该涂料附着力强，涂层坚硬耐磨，耐热性及电绝缘性好；密封性能好，该涂料涂刷后能完全密闭混凝土表面，耐水、耐湿；保护周期长，使用寿命在12年以上；施工方便，既适合手工涂刷，又适合机械喷涂。 对混凝土构筑物的保护目前广泛应用的海工防腐涂料有环氧树酯、聚氨酯、丙烯酸树酯及氯化橡胶等，它们都有优良的防腐性能。利用这类材料分子聚合度较高，固化后所形成的固态膜（膜厚一般几百微米）分子空间构造较密实的特点，作为混凝土构筑物的防腐蚀覆盖面，完全封闭混凝土表面，使混凝土与腐蚀介质隔离开，不与腐蚀性介质发生直接接触，来达到防护目的。随着世界各国环保意识的增强，出现了许多有发展前景的高性能、环保型新涂料新技术。渗透性防护剂对混凝土具有物理隔离和化学隔离的双重防护。它是一种无机渗透性溶胶，能通过毛细管压力作用或与水一起通过毛细压力作用由孔隙及毛细孔向混凝土内部渗透与混凝土中的液相水和游离氢氧化钙发生反应，生成湿润的凝胶堵塞孔隙，有效阻止了水和有害侵蚀性介质的进入，使混凝土中氢氧化钙不流失，从而保护了混凝土。 4、结语 最优结构设计应为结构初始设计与全生命周期内经营维修决策的结合。设计者的任务在于如何平衡结构的费用、安全度与服务质量三者之间的关系。因而有必要建立全生命周期内的结构性能和维修决策模型。设计者必须面对两个挑战：如何建立结构未来的荷载、腐蚀和安全模型及如何刻划包括人为因素在内的动态过程；如何建立钢筋混凝土结构的全生命周期内的优化决策模型（如Markov决策模型等），从