混凝土结构耐久性的研究现状与展望最新土木工程材料论文

混凝土结构耐久性的研究现状与展望混凝土结构耐久性的研究现状与展望 摘要 混凝土结构是土建工程中广泛采用的结构形式 但由于在其使用过程中经常会受到各种各样的 腐蚀和损伤 经常达不到预定的使用年限 由此造成了巨大的经济损失 因此对混凝土结构的耐久性进行 深入的研究意义重大 本文对混凝土结构耐久性的阐述以及混凝土耐久性损伤的影响因素及混凝土结构耐 久性损伤机理和成因研究等方面进行了总结阐述 关键词 混凝土结构 耐久性 损伤机理 1 混凝土结构 concrete structure 混凝土结构是以混凝土为主要材 料制成的结构 包括素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 等结构形式 这种结构广泛应用于建 筑 桥梁 隧道 矿井以及水利 港 口等工程 我国每年用于混凝土结构 的资金达 2000 亿元以上 钢筋混凝土 结构结合了钢筋与混凝土两种不同材 料各自的优点 充分发挥了钢筋的抗 拉强度高和混凝土的抗压强度高的特 点 造价较低 取材广泛 同时 钢筋混凝土结构 框架结构 框筒结构 筒 体结构等结构形式 整体性能良好 具有较好的刚度和稳定性 延性和抗震性 能良好 另外 新拌和的混凝土为可塑状 可根据需要制成任意形状和尺寸的 结构 有利于建筑造型 因此 是土木工程结构设计中的首选形式 其应用范 围相当广泛 虽然 随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现 将 来还会出现许多新的结构形式 但可以肯定的是 钢筋混凝土结构仍然是未来 相当长一段时间内最常用的结构形式之一 但是由于各种各样的原因 大量的 钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效 达不到预定的服役年限 这 其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的 有的是由于使用荷载的不利变化 引起的 但更多的是由于结构的耐久性不足导致的 特别是一些处于特殊使用 环境中的建 构 筑物 如沿海及近海地区的混凝土结构 由于海洋环境对混 凝土的腐蚀 导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏 丧失了结构的耐久性能 这已成为实际工程中的重要问题 早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维 修补强 甚至造成停工停产的巨大经济损失 耐久性失效是导致混凝土结构在 正常使用状态下失效的主要原因之一 1 2 混凝土结构耐久性概述 所谓混凝土结构的耐久性 是指混凝土结构在自然环境 使用环境及材料 内部因素的作用下 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 引起结构耐久性失效的原因存 在于结构的设计 施工及维护的各个环节 但是由于种种原因 混凝土的耐久 性并没有完全的发挥 随着科技的发展 国际化的深化 近来工程设计施工方 对混凝土的耐久性有了更高的要求 目前 结构加固检测日渐增多 不论是已 使用工程或在建工程均可见 这说明了许多混土结构已受不同程度的破坏 曾 有调查 表明 国内大多数工业建筑在使用 25 30a 后即需修复 处于严酷环境 下的建筑物的使用寿命仅 15 200 民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好一 般可维持 500 以上 但室外的阳台 雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有 3O 0a 桥梁 涵洞 机场 大坝 港口等基础设施工程的使用寿命更短 随着 建筑物使用时间的加长 环境污染的加剧 使用不当以及不符合要求的材料和 工艺的应用 导致了大量混凝土 构出现不同程度的碳化 开裂 变形 酥松 露筋 蜂窝 空洞 剥落等破坏现象 在过分追经济效益的现在 这种问题更 值得关注 我国混凝土结构量大面广 随着环境的变迁和功要求的提高 耐久性 问题越来越突出 是迫切需要加以解决的问题 5 目前我国混凝土结构耐久性设计方法的研究可分成两种 第一种方法来源于欧洲 CEB 耐久性设计规范 仅解决了耐久性设计的构造 要求部分 欧洲 CEB 耐久性设计规范对口到我国现行规范体系应是施工及验收 规范和建筑设计规范 如其中的水灰比控制 防水节点大样等 欧洲 CEB 耐久 性设计规范中有些条文也不适合我国国情 如为了防止钢筋锈蚀 提高混凝土 结构的耐久性 CEB 采用加大混凝土结构保护层厚度的办法 而我国除了在 混凝土结构设计规范 中规定了各类构件的最小保护层厚度外 还在混凝比 设计中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的办法以及在实际工程中采用在混 凝土构件表面涂刷环氧改性材料 来保证混凝土构件在设计使用期内具有足够 的耐久性 6 第二种方法认为混凝土结构耐久性设计应包括两部分 计算和验算部分 以及构造要求部分 而其中的计算和验算部分是混凝土耐久性设计的关键 它 要分析出抗力与荷载随时间变化的规律 使新设计的结构有明确的目标使用期 使改建扩建结构同原有结构有相同的有效使用寿命 达到安全 适用 经济和 耐久的建设目的 9 3 混凝土结构耐久性的损伤机理以及研究现状 混凝土结构的耐久性是由混凝土本身的特性和所处使用环境的侵蚀性两方 面决定的 耐久性损伤的外观表现形式有 出现裂缝 断面缺损和变质等 除 了内部缺陷和荷载作用引起的损伤外 引起混凝土结构耐久土配合性损伤的原 因可以归纳为五类 1 电化学等作用引起的钢 筋锈蚀 2 酸 碱 盐等化学侵蚀 及碱骨料反应等内部化学作用 3 冻融循环 霜冻及干摍 徐变 风化等物理作用 4 磨损 冲蚀及机械作用 5 高温及火灾作用 4 6 实际上 混凝土结构的破坏很少是由于单一因素造成的 引起破坏的几种 化学和物理作用常常紧密交叉 同时作用 这体现了混凝土耐久性问题的复杂 性 由混凝土结构耐久性损伤的影响因素可以看出 要对混凝土结构耐久性损 伤机理和成因进行研究 必须从以下几个方面进行综合研究 1 从材料层次对耐久性的研究 从材料角度上对结构耐久性进行 研究 是混凝土结构耐久性研究的基 本手段 引起混凝土结构材料性能劣 化的原因不同 研究的内容和方法也 不同 从已有的研究文献来看 研究 最多的是大气环境中混凝土的碳化和 钢筋的锈蚀 一般认为混凝土的碳化 对混凝土本身没有太大伤害 相反会 使混凝土自身强度提高 但混凝土碳 化会使混凝土中的钢筋失去碱性环境 的保护 而引起钢筋的锈蚀 另外 混凝土碳化使混凝土变脆 延性变差 对 于混凝土材料本身 影响混凝土碳化的因素有水泥品种 水泥用量 水灰比及 掺和料的掺量等 一般认为 混凝土的碳化速度与水灰比成正比 而与混凝土 的抗压强度成反比 另外 混凝土的碳化速度还与混凝土的施工 早期养护及 使用中的维护等因素有关 加载快速碳化试验也表明 结构的应力状态对混凝 土的碳化速度有明显的影响 8 结构构件不由于双向渗透 梁边角混凝土的 碳化速度要高于梁底面混凝土的碳化速度 另外 一些工程实际调查资料也表 明 大气环境中混凝土的碳化与实验室碳化试验有着较大的差别 环境条件的 变化是造成这种偏差的最主要因素 从而引起混凝土碳化深度呈现较大的不稳 定性 利用人工神经网络技术来分析 模拟混凝土的碳化过程和规律 也是混 凝土耐久性研究的一个手段和方法 12 混凝土原本对于钢筋具有良好的防 锈能力 但各种不利因素 如混凝土表面微裂 雨水和空气中的水分 二氧化 碳的侵蚀等 的作用导致钢筋表面钝化膜遭到破坏 当有氧和水存在时 钢筋 开始锈蚀 其力学性能有较大变化 同时 钢筋锈蚀到一定程度后 锈蚀产物 产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂 从而使钢筋的锈蚀速度进 一步加大 握裹力降低 从而导致构件因承载能力的不足引起构件耐久使用年 限的降低 10 钢筋的承载能力与钢筋的腐蚀量关系最为密切 关于钢筋锈 蚀量的计算 有两种模型 一种是基于电化学原理的理论模型 另一种是通过 对试验资料拟合得到的经验公式 一般而言 理论模型原理上较为合理 而经 验公式应用上更为方便 钢筋锈蚀试验表明 混凝土中钢筋的锈蚀速度与结构 所处的环境 混凝土保护层厚度 混凝土强度及钢筋直径有关 目前钢筋腐蚀 的电化学快速测定方法以及红外检测技术都有了较大的发展 关于混凝土顺筋 开裂的钢筋临界锈蚀量的确定方法有弹性力学法 断裂力学法 有限元法和试 验统计法 一般认为 混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度 混凝 土保护层厚度及钢筋直径有关 在混凝土结构中钢筋锈蚀可分为自然电化学腐 蚀 杂散电流腐蚀 应力腐蚀及氢脆腐蚀 钢筋是否锈蚀 很大程度上依赖于 46 混凝土的密实性 钢筋生锈的内部条件是钝化膜遭到破坏 产生活化点 构件 内部存在电位差 可以产生局部腐蚀电池 钢筋锈蚀的外部条件是必须有水分 和氧的存在 当这几个条件同时存在时 钢筋就会产生锈蚀 11 研究表明 使钢筋的钝化膜遭到破坏的主要因素有四点 1 当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋的钝化膜 2 由 CL 的作用破坏钢筋的钝化膜 3 由于 SO42 离子或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度及 PH 值降低导致 钝化膜破坏 4 混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥 导致钝化膜破坏或 根本不生成钝化膜 降低混凝土中钢筋锈蚀的措施包括 通过适当降低水灰比 选用矿渣硅酸 盐水泥 采用不是海砂的细骨料 掺用不含氯盐的外加剂 提高混凝土保护层 厚度 适当增加混 凝土的搅拌时间和振捣力度等方法以保证混凝土的密实性 使混凝土中的钢筋处于碱性环境中 施工时应重视钢筋的除锈 还可使用环氧 涂层钢筋 通过混凝土的表面处理 如涂抹防水涂料等形成保护层活作表面装 饰层等使混凝土结构不长期裸露于空气中或水中 采用阴极保护法 包括牺牲 阳极法和外加电流法 其中外加电流法应注意防止钢筋的氢锈破坏 防止加 剧混凝土的碱骨料反应 防止过大的保护电流对混凝土与钢筋之间的粘结强度 可能产生的不利影响 13 2 从构件层次对耐久性的研究 在腐蚀环境中 当混凝土结构 的材料发生劣化后 结构构件的承 载力和适用性也随之降低 从而影 响结构的安全和正常使用 试验 表明 受腐蚀钢筋混凝土构件的承 载能力与构件截面尺寸的变化 材 料强度的变化及钢筋与混凝土之间 粘结性能的变化 3 中因素有关 构 件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀 后其截面面积的减小 当钢筋的锈 蚀量较小时 5 钢筋强度变 化不大 承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化 锈蚀钢筋与混凝土之间的粘 结性能的变化比较复杂 在锈蚀量较小时 1 粘结强度随钢筋锈蚀量的 增加有所提高 但随钢筋锈蚀量的进一步加大 粘结强度将明显下降 这一变 化过程与钢筋锈蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关 7 试验也表明 在使用荷载下 受腐蚀钢筋混凝土受弯构件的截面应变宏观上仍符合平截面假 定 而对于大偏心受压和小偏心受压构件 在钢筋锈蚀量较大时 截面应变与 平截面假定有出入 另外 受腐蚀钢筋混凝土构件的延性随钢筋锈蚀量的增大 而降低 构件的破坏形态也将有延性破坏转化为脆性破坏 试验同时也表明 当钢筋锈蚀混凝土构件的钢筋锈蚀后 构件刚度有所降低 变形增大 横向裂 缝距增大 宽度变宽 从而影响混凝土结构的正常使用性能 目前 对受腐蚀 钢筋混凝土构件的力学性能的研究大都集中在静态方面 对动态性能和疲劳性 能的研究尚不多见 这是一个需要加强研究的方面 另外 混凝土的密实性也 起着重要的作用 由于混凝土的用水量大于水泥水化的需水量 所以凝结硬 化之后混凝土中总是具有很多各种各样的孔 包括毛细孔 凝胶孔 过度孔等 孔隙的特征如孔隙大小 形状 分布及其封闭程度直接影响耐久性能 各种 介质通过孔隙和微裂缝直接侵蚀混凝土的内部结构 混凝土中孔隙率越大 密 实度就越低 混凝土的密实性几乎与混凝土的所有主要耐久性能有着密切的联 系 因此 提高混凝土的密实性是非常重要的 3 3 从结构层次对耐久性的研究 混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决 拟建混凝土结构的耐久性设计和现役结构的耐 久性评估 钢筋混凝土结构是由多种构件组成 的结构体系 在钢筋遭受腐蚀后 构件性能的 劣化 最终会影响整个结构的安全 对拟建混 凝土结构进行耐久性设计 提高结构的安全性 和耐久性已成为全世界关注的重大课题 目前 我国混凝土耐久性设计的研究有两种理论 第一种理论认为 在进行混凝土结构耐久性设计之前 首先要进行结构的 工作环境分类 然后确定结构的设计使用寿命 最后利用极限状态法对耐久性 极限状态进行验算 针对这部分的研究比较多 但基于这种理论的计算方法与 现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致 第二种理论认为 混凝土结构耐久性设计应包括两部分 计算和验算部分 以及构造要求部分 基于这种理论 李田 刘西拉等学者提出 S R 其中 S 为内力设计值 R 为结构构件的抗力设计值 为耐久性系数 是结构可靠 度指标的函数 这种设计方法形式简单 耐久性含义明确 且与现行规范采用 的极限状态设计方法相一致 15 但由于耐久性系数公式实际结构抗力衰减规律进行实测统计 进一步找出 抗力随机衰减过程分析模型 由于每个地区抗力衰减规律难以统计 并且即使 是同一地区 由于使用环境不同 其抗力衰减规律也有所不同 因此 耐久性 系数的计算不易实现 所以这种方法还需深入研究 能够对现役混凝土结构进 行耐久性评估一直是工程界和学术界研究人员很感兴趣的问题 也是迄今为止 国际上尚未解决的重大问题 混凝土结构耐久性评估的目的 是评价混凝土结 构现在的工作性能是否能满足设计要求 以及对其今后的耐久性变化进行预测 即包括对现役混凝土结构耐久性的评定和耐久寿命预测两个方面 对于混凝土 结构耐久性的评定 目前的研究主要有 1 综合考虑耐久性的各种影响因素 对耐久性损伤指标进行加权处理的耐 久性评定 2 借助于模糊数学的手段提出的模糊综合评定法 3 基于可靠度的耐久性评定法等 对于寿命预测的研究 目前主要的理论有 1 碳化寿命理论 这种理论假设碳化深度和钢筋混凝土保护层的变动规律 服从正态分布 建立了钢筋锈蚀率与龄期的关系 得到构件寿命预测模型 在 大气环境下 混凝土结构达到使用寿命的标志一般认为是混凝土碳化到钢筋表 面或钢筋锈蚀后构件出现顺筋裂缝 2 开裂寿命理论 这种理论以钢筋锈蚀引起钢筋表面混凝土出现裂缝作为 失效准则 预测结构构件的寿命 3 应用统计可靠度理论 这种理论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 分析抗力衰减的结构可靠度 通过可靠度指标变化函数 来预测结构构件的寿命 由于工程实际问题的复杂性 结构耐久性评估中有时 会遇到大量随机的 模糊的不将其定量化 并且这一部分工作尚处于起步阶段 所以 迄今为止尚未有较为理想的混凝土结构耐久性评估模式 在实际的工程 结构中 仍然是以经验判断为基础 这一领域的研究有待深入 14 4 混凝土结构耐久性检测与评估方法的研究 目前有关混凝土结构耐久性评估都存在着效率较低 成本高 准确率较差 主观经验性的