工程结构的安全性与耐久性

工程结构的安全性与耐久性工程结构的安全性与耐久性 1 混凝土的腐蚀主要有冻融破坏和化学腐蚀 配置混凝土时加入化学引气剂可 以在混凝土体内产生大量的封闭微细气泡 是防止混凝土冻融破坏的最有效手 段 2 钢筋混凝土的种种劣化过程 都需要有水的参与或以水为媒介 为了阻止水 分 氧气 二氧化碳等气体和盐 酸等有害物质侵入混凝土内部 最根本的措 施就是增加混凝土材料自身的抗侵入性或抗渗性 并增加混凝土保护层的厚度 以延缓有害物质到达钢筋位置的时间 3 在水化良好的低水灰比浆体中 毛细孔隙的尺寸在 0 01 0 1 微米的范围内 而在高水灰比的早期浆体中 毛细孔隙的最大尺寸可超过 5 微米 孔隙的总体 积可占整个浆体的百分之四十以上 尺寸大于 0 05 微米的毛细孔隙被认为对强 度和抗渗性有害 4 混凝土的抗侵入性或抗渗性主要取决于毛细孔隙的孔径分布和孔隙率等孔结 构特征 加入大量矿物掺合料能有效抑制硫酸盐 酸 碱 骨料反应等化学腐蚀 并能显著提高混凝土抗氯盐侵入能力 矿物掺合料与水泥水化产物中的氢氧化 钙发生化学作用 火山灰反应 后生成的产物可以进一步改善混凝土的微结构 并消耗部分的不利于混凝土强度和化学稳定性的氢氧化钙 5 扩撒 流体中的自由分子或离子通过无序运动从高浓度区到低浓度区的净流 动 其驱动力是浓度差 吸收 毛细孔隙表面张力引起的液体传输 渗透 在压力差的驱动下而产生的流体运动 1 混凝土碳化需要有一定的水分 如环境过于干燥 碳化也不会发生 没有足 够的水分和气供给 钢筋即使因混凝土碳化而脱钝 也不会发生持续的锈蚀 所以对钢筋而言 最易发生锈蚀的环境条件是干湿交替 所以海洋环境中 氯 离子向混凝土内部扩散的速度较快 但因缺氧 钢筋不易锈蚀 环境温度对锈 蚀速度也有重大影响 2 外界的水或水溶液在压力驱动下渗透到混凝土内部的情况比较少见 这种现 象主要发生在高水头下或水下混凝土的表层出 我国混凝土结构的耐久性现状 1 相对于房屋建筑而言 对于露天状况下的桥梁耐久性与病害状况要严重得多 2 隧道的衬砌机构多用素混凝土构筑 不存在钢筋锈蚀问题 衬砌的渗漏 裂 损和腐蚀主要是由于混凝土强度等级过低等设计缺陷 导致钢轨锈蚀 道床翻 浆 电力牵引设备漏电而危害正常运行 3 耐久性不足的原因 设计标准过低 施工进度的不适当追求 缺乏正常的检 测与维修 4 我国规范主要考虑的是荷载作用下结构强度的安全性需要 对于长期使用过 程中由于环境作用引起材料性能劣化的影响 则被置于次要和从属地位 5 水泥强度的不断增加靠的是提高水泥中的早强矿物成分和增加水泥的细度 结果导致水泥水化产物的内部微结构和后期强度发展不良 对耐久性带来不利 影响 而水泥强度的增加有使低强度等级混凝土的水灰比得益提高 降低了这 种混凝土的密实性和抗渗性 所以今天的低强度混凝土 其耐久性要比几时年 前同样强度的混凝土差得多 6 我国规范规定的混凝土保护层厚度远小于英美等国 由于混凝土碳化从构件 表面向里扩散到钢筋表面的年限大概与保护层厚度的平方成正比 这样按照我 国规范设计的主筋开始出现锈蚀的年限 大概短到只要按英美规范的四分之一 7 过薄的混凝土保护层厚度 过低的的混凝土强度等级 过高的水灰比 有时 又采用过细的钢筋 这些在结构设计上的先天不足 无疑是我国混凝土结构特 别是露天结构过早化破损的最主要原因 8 施工养护不良对于大尺寸构件的承载力不会有太大的影响 因为强度受到损 失的主要是表层混凝土 而内部混凝土因始终处于潮湿状态 尚不至于受到明 显损害 但养护不良可使表层混凝土抵抗空气渗透的能力成倍降低 9 规范规定保护层厚度的施工允许误差一般为 5 10mm 对于构件的承载力不 会产生很大的影响 但对耐久性却至关重要 所以从耐久性要求考虑 对于施 工图中的保护层厚度名义尺寸 应该额外加上施工负误差 改善工程结构安全性与耐久性的主要途径 1 合理的结构安全设置水准 应该是结构所承担的风险损失与社会 或业主 所 能提供的经济实力之间达到某种平衡的结果 2 设计基准期只是用来确定可变荷载的出现频率与其作用值以及材料强度参数 的取值 而不是考虑环境作用下与材料劣化相联系的耐久性要求 设计使用年 限与设计基准期是两种不同的概念 虽然从表面上看 两者的数值往往相同 设计使用年限必须具有一定的保证率或安全度而基准期则不是 2 技术使用寿命 结构的某种技术性能 如承载力或变形 因材料性能劣化而 不再满足要求时的期限 功能使用寿命 当结构的使用功能发生了变化 如桥梁行车能力增加或建筑物 用途改变 因而无法继续使用时的期限 经济使用寿命 当结构由于经济效益考虑 如继续修理使用还不如差拆除重建 时经济 而不再使用时的期限 3 结构的设计使用年限或使用寿命 结构竣工后 在设计预定的使用和维修条 件下 其安全性和适用性均能满足原定设计要求的期限 4 结构的可修复性 结构及其构件受到损害后能够经济合理地进行修复的能力 材料的劣化或腐蚀程度愈深 修复的费用和难度就越大 因此劣化程度易设定 在较轻的范围内 5 土建工程的设计使用年限是对主体结构而言的 由于技术条件所限或局部环 境特别严酷 结构个别部件的使用年限可能达不到这一要求而需在使用过程中 更换 6 横向裂缝宽度如果不是太大 如不大于 0 4mm 对碳化引起的钢筋锈蚀没有 大的影响 裂缝宽度大小与钢筋锈蚀发展速率和锈蚀程度之间并无直接联系 沿着钢筋表面发生的顺筋纵向裂缝则完全相反 它使水 氧等参与锈蚀反应的 物质长驱直入 极大加速钢筋的锈蚀 而预应力筋在应力腐蚀下的锈蚀素的快 对裂缝宽度的限制也要严格的多 7 混凝土抗氯离子侵入的能力虽水胶比