混凝土耐久性研究现状和研究方向

综述 混凝土耐久性研究现状和研究方向 卢 木 (清华大学土木工程系 100084) 摘 要: 阐述了混凝土耐久性研究的背景、意义和动态 ,从材料、构件和结构三个层次总结归纳了国 内外混凝土耐久性研究的成果 ,并提出了今后的研究方向。 关键词: 混凝土耐久性 碳化 钢筋锈蚀 冻融 寿命预测 RECENT STUDY AND RESEARCH DIRECTIONS OF CONCRETE DURABILITY Lu Mu ( Dept. of Civil Eng rg. , Tsinghua Univ. 100084) Abstract : Presented in this paper is a discription of the background, significance and present dev elopment of concrete durability studies. Recent accomplishments are summarized on three levels- material, component and structure. Directions of future research are also proposed. Keywords: concrete durability carbonation reinforcing steel corrosion freeze-thaw servicelife prediction 1 引 言 随着我国现代化进程的加快 ,各类社会 基础设施的建设方兴未艾。 这些构筑物大都 为钢筋混凝土结构 ,其设计方法除了传统的 强度、刚度等力学性能指标设计 ,还要考虑耐 久性、经济性进行寿命设计。 跨世纪的建筑不 仅要求具有安全性、功能性 ,而且要求具有足 够的耐久性 1。 到本世纪末 ,我国现有房屋将有 50 % 进 入老化阶段 ,也就是说将有 23. 4亿 m 2 的建 筑面临耐久性问题 2。 如何对这些建筑进行 科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的 预测 ,是当今土木工程领域的研究热点。 如何找到一种简便易行的钢筋混凝土结 构剩余寿命的预测方法 ,该方法综合地考虑 了结构的耐久性、安全性和经济性 ,并将其有 机地结合起来 ,从而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 今混凝土研究的迫切任务。 2 混凝土耐久性研究的背景 所谓混凝土的耐久性 ,是指在使用过程 中 ,在内部的或外部的 ,人为的或自然的因素 作用下 ,混凝土保持自身工作能力的一种性 收稿日期: 1996- 11- 25 Industrial Construction 1997, Vol. 27, No. 5 工业建筑 1997年第 27卷第 5期 1 能 3。 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 4。 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 1975年由于腐蚀引 起的损失达 700亿美元 , 1985年则达 1680 亿美元;目前 ,整个混凝土工程的价值约为 6 万亿美元 ,而今后每年用于维修或重建的费 用预计将高达 3000亿美元 5。 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。 日本引以为自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 50亿 m 2 ,其 中约 23亿 m2需分期分批进行鉴定加固 ,近 10亿 m2急需维修加固才能使用 6, 7。 1989 年 ,建设部科技发展司混凝土结构耐久性综 合调查组对北京、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 25 30年就需大修加固 6。 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。 3 混凝土耐久性研究的意义 对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定 和剩余寿命预测 ,不仅可以揭示潜在危险 ,及 时做出维修或拆除决策 ,避免重大事故的发 生 ,而且研究成果可直接用于结构设计。 通过 对结构的耐久性预评估 ,修改设计方案 ,使所 建结构具有足够的耐久性 ,从而做到防患于 未然。 对已有建筑进行科学的耐久性评定和剩 余寿命预测 ,以选择对其正确的处理方法 ,可 以说是混凝土耐久性研究最主要的背景。 世 界发达国家在经过了大规模的新建之后 ,重 点已转向对旧建筑的维修改造上。英国 1978 年用于投资改造的费用为 1965年的 3. 76 倍。 瑞典建筑业的首要任务是对已有建筑物 进行更新改造。 在我国 ,国情决定了基建投资 不能一味追求新建项目 ,应将眼光转向危旧 房屋的扩建、改建上。 我国现有房屋 20 % 30 %具有改造条件 ,改建比新建可以较快地 收回投资 8。 除了对已有建筑进行耐久性评定之外 , 对新建项目进行耐久性预评估和寿命设计 , 可以揭示影响结构寿命的内部和外部因素 , 对于提高工程的设计水平和施工质量也有一 定的意义。 4 混凝土耐久性的研究动态 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 ACI437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 9。 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 2 工业建筑 1997年第 27卷第 5期 混凝土结构耐久性研究的水平。 有关混凝土耐久性国际会议已召开多 次 ,反映了各国研究的最新成果。 1987年 ,国 际桥梁与结构学会 ( IABSE)在巴黎召开“混 凝土的未来”国际会议; 1988年在丹麦召开 了“混凝土结构的重新评估”国际会议; 1989 年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的 国际会议; 1991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 ; 1993年 IABSE在丹麦哥本哈根召开了结构 残余能力国际学术会议;由欧洲 RILEM 等 公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会 议 10 ,自 1976年以来 ,每三年举行一次。 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。 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。 5 混凝土耐久性研究的现状和评述 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。 5. 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。 5. 1. 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 11。 在建立理论模型时 , 国内、国外大都假设: ( 1) CO2在混凝土中的扩散遵循 Fick第 一定律; ( 2) CO2的浓度呈线性分布 ,锋面处浓度 为 0 。 Meyer、Nishi、阿列克谢耶夫等都得到了 混凝土碳化的理论公式 12, 13 ,但其中的一些 参数一般很难测定 ,工程上一般采用下述碳 化模式: X = Kt 这一公式已为 1990 CEB- FIP模式规 范所采用 ,式中碳化系数 K体现了混凝土的 抗碳化能力 ,与水灰比、水泥品种和用量、环 境因 素、养 护方法 等有关 , 对于 其取 值 , Kishitani 13、山 东建研 所14、 上海建材 学 院 15、中国建研院结构所16、清华大学17, 18、 西安建筑科技大学 19等都各自提出了经验 计算公式。 5. 1. 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。 文献 2基于 O2在混凝土中的扩散服 从 Fick第一定律的假设 ,利用 Farady定律 建立了大气环境中钢筋锈蚀模型 2 ,但公式 需测定电量 ,工程应用比较困难。 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 20。 3 混凝土耐久性研究现状和研究方向 卢木 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 21。 关于混凝土和锈蚀后钢筋经时变化的力 学性能 ,国内外已有较多的研究。 文献 22, 23在总结分析国内外混凝土 长期曝露试验和经年建筑物实测结果基础 上 ,模拟给出了一般大气环境下和海洋环境 下混凝土强度经时变化模型。 冶金工业部建筑研究总院通过对试验数 据的模拟 ,考虑坑蚀提出了钢筋锈蚀后伸长 率、屈服强度和抗拉强度的变化规律 24。 试 验证明 ,锈蚀后钢筋的伸长率与局部剩余面 积比成指数关系 ,而屈服强度和抗拉强度则 与局部重量 (或断处面积 )之比成线性关系 , 但仅适于截面锈蚀率小于 5 % 的情形。 中国建研院结构所利用快速试验方法研 究了 12和 钢筋的力学性能 ,并分别给 出了大气条件下极限延伸率和极限 抗拉强 度与截面损失率的线性关系式 20 ,适于截面 锈蚀率小于 10 %的情形。 文献 25根据钢筋混凝土构件内锈蚀钢 筋的试验结果 ,给出了钢筋锈蚀后力学性能 的变化规律 ,截面锈蚀率达 60 %仍可适用。 文献推荐了考虑应力集中影响对结构进行鉴 定时的公式。 5. 1. 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 26, 27和渗透压假说28, 29 ,前 苏联学者从力学概念出发 ,提出了现象学观 点 30。 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 31。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 坏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。 5. 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。 5. 2. 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。 文献 32推荐了一种结构耐久性综合评 估的方法 ,该方法全面考虑了影响耐久性的 各种因素 ,通过对构件的耐久性检测 ,确定其 耐久性损伤指标 ,从而对整个结构进行耐久 性评估。 清华大学王晓刚、王娴明 18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 33。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。 5. 2. 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 ( YB219- 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 34。 4 工业建筑 1997年第 27卷第 5期 文献 35对于大气中的 CO2导致混凝 土碳化并引起钢筋锈蚀的情形 ,假设碳化深 度和钢筋保护层的波动规律均服从正态分 布 ,室外钢筋在碳化范围扩展到自身表面 ,室 内钢筋在碳化范围深达 20mm厚的保护层 时 ,开始发生腐蚀 ,建立了钢筋腐蚀率 d 与龄 期 t的关系 ,得到构件剩余寿命的预测模型。 日本工学博士林永繁研究了由氯离子引 起的钢筋锈蚀 ,并以钢筋表面混凝土出现裂 缝作为失效准则 36。 通过试验 ,得到混凝土 纵向开裂的钢筋锈蚀量为 Qcr和钢筋锈蚀速 度 q,并以二者的比值作为构件的寿命。 清华大学赵宏延、王娴明采用抗力下降 达到承载力极限和钢筋锈蚀混凝土胀裂两个 准则预测混凝土结构构件的寿命 ,并以二者 的较小值作为构件的寿命 37。 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 2。 R. N. Swamy, H. Hamada和 J. C. Laiw 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 38。 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 39。 5. 2. 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。 H. Y. Chan and R. E. Melchers考虑结 构抗力衰减给出了承受一个或多个随机荷载 过程的结构系统的可靠度经时变化关系 40。 结构抗力被视为 Gaussian随机变量 ,而荷载 被视为 Gaussian随机过程。通过平均超越率 积分计算结构的失效概率。 但此方法要求所 建立的抗力衰减模型 (文中采用指数模型与 二次模型 )是时间的连续函数 ,没有反映结构 抗力由于维修或灾害引起的突变;而且要求 系统在衰减过程中必须是高度可靠的。 文献 41建立了描述大地震发生时间记 忆的半 Markov 过程模型 ,并结合钢筋锈蚀 模型 ,提出了结构在服役期间的区间可靠度 的计算方法;利用结构系统可靠度的分枝限 界法以及安全性等级划分方法 ,建立了服役 结构抗震维修决策的动态规划模型。 文中采 用钢筋锈蚀模型计算结构抗力衰减具有局限 性;采用没有考虑以前地震对结构的累积损 伤;没有给出结构全生命周期内的最优决策; 动态规划模型只以技术经济效益最好为判 则 ,没有考虑结构的使用功能转化的经济效 益。 ZongweiTao, RossB. Corotis 和 J. HughEllis应用 Markov决策过程和结构概 率理论 ,建立了结构使用过程的概率基础模 型 42。该模型的优点在于比较系统地反映了 结构使用的全过程 ,包括决策、成本和结构性 能。 文中没有给出结构抗力的衰减模型 ,对混 凝土的耐久性问题也没有很好的反映。 6 今后混凝土耐久性研究的方向 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 ) ,从而为设计人员进行 5 混凝土耐久性研究现状和研究方向 卢木 全寿命周期的优化设计提供依据 ,并根据决 策过程得到结构的寿命 ,是今后耐久性研究 的方向之一。 近几年来 ,关于钢筋混凝土在单因素作 用下的强度衰减 ,人们已经做了较多的研究 , 但至今还没有提出在多因素综合作用下钢筋 混凝土的强度衰减模型 43。如何在单因素作 用下钢筋混凝土强度衰减模型的基础上 ,建 立多因素作用钢筋混凝土的强度衰减模型 , 进而建立构件抗力衰减模型 ,是今后混凝土 耐久性研究的第二个方向。 对同类结构的寿命进行调查研究和统计 分析 ,得出此类结构寿命的概率统计模型 ,是 今后混凝土耐久性研究的第三个方向。 由构件抗力衰减模型推演得出构件的承 载力衰减模型 ,进而得到结构的承载力衰减 模型 ,是今后混凝土耐久性研究的第四个方 向。 参 考 文 献 1 杨静.混凝土碳化机理及影响因素 .混凝土 , 1995( 6) 2 肖从真.混凝土中钢筋腐蚀的机理研究及数论模拟方 法: 学位论文 .北京: 清华大学 , 1995 3 龚洛书,柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补.北京: 中国建筑工业出版社 , 1990 4 李清富,赵国藩 ,王恒栋 .混凝土结构的耐久性预评估. 混凝土 , 1995( 1) 5 How to make today s concrete durable for tomorrow. The Institution of Civil Engineers.London. 1985 6 邸小坛 .混凝土结构的耐久性综合调查报告.混凝土结 构耐久性综合调查组 , 1990. 1 7 韩继云 ,蔡鲁生.钢筋混凝土构件中钢筋锈蚀的试验研 究.中国建研院结构所 , 1991. 9 8 梁坦 .建筑物可靠性鉴定与加固改造的发展.四川建筑 科学研究 , 1994( 3) 9 ACI Committee 437. Streng th Evaluation of Existing Concrete Buildings. 1991 10 李田.混凝土结构耐久性研究的概况与若干特点.建筑 结构 , 1995( 12) 11 蔡光汀.钢筋混凝土腐蚀机理和防腐措施探讨 .混凝 土, 1992( 1) 12 Nishi T. RILEM. 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Freezing Effect in Concrete, ACI SP- 47, (下转第 52页 ) 6 工业建筑 1997年第 27卷第 5期 图 4 板的 J- ftk/( te ss)的关系 冷轧带肋钢筋; 5 普通 级钢筋 采用 J的修正公式代回构件中重新计算挠度 和平均裂缝宽度与实测值吻合较好 ,表 2、表 3所 列。 3 结束语 冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件裂缝间纵向受拉 钢筋应变不均匀性系数J修正 ,改善了冷轧带肋钢 筋混凝土受弯构件的变形和缝宽度计算公式 ,使其 应用更为合理 ,为充分发挥冷轧带肋钢筋的强度奠 定了基础。 为冷轧带肋钢筋更进一步推广应用提供 了试验依据。 参 考 文 献 1 傅温主编.钢筋工程技术.北京: 中国建材工业出版社 , 1994 2 中国工程建设标准化协会编.标准规范汇编第二集.北 京: 中国标准出自版社 , 1992 (上接第 6页 ) 1975 : 1 11 30 谢依金AE等著 ,胡春芝等译.水泥混凝土的结构与性 能.北京: 中国建筑工业出版社 , 1984 31 钢筋锈蚀与混凝土冻融破坏的预测模型年度研究报 告.清华大学土木工程系, 1995. 12 32 钢筋混凝土结构构件耐久性检测指南 (讨论稿 ) . 1993. 6 33 日本清水株氏会社研究所.已有建筑物可靠性鉴定方 法和检验手册. 1982. 3 34 YB219- 89钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程 35 蒋之峰 ,何肇弘选编.钢筋混凝土建筑物劣化诊断技术 规程及说明.冶金部建筑研究总院建筑技术情报研究 室 , 1987 36 Shigeru M orinag u. Prediction of Service Liv es of Re- info rced Concrete Buildings Based on Rate