环境作用下混凝土结构的耐久性设计.ppt

环境作用下混凝土结构的耐久性设计方法2004年2月,结构设计的外加作用与极限状态,耐久性设计的极限状态,钢筋锈蚀预应力钢筋开始锈蚀普通钢筋混凝土表面锈痕，顺筋开裂（0.1mm,-,1mm）保护层剥落混凝土腐蚀轻微，不影响混凝土对钢筋的保护,耐久性设计方法,传统方法指数(评分)法因子法基于材料劣化模型的计算方法,传统方法Deem-to-satisfyMethod针对不同环境类别和环境作用等级，对混凝土材料和结构构造规定不同要求。（回避使用寿命要求）混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、）混凝土配合比（最大水胶比、最低胶凝材料用量）混凝土最低强度等级，抗冻等级，结构构造（保护层最小厚度，）改进趋向细化环境类别及其作用等级提出不同使用年限的不同要求,指数（评分）法IndexMethod日本土木工程学会1990年提出环境指数S耐久性指数RSS0SiS0正常环境指数（50年设计寿命取100）Si恶劣环境增量指数（冻融1040，盐蚀1070）RR0+RiR0常数，取50Rii=18,共8类，包括32个因素，分别评分后相加(按95保证率考虑),因子法FactorMethodISO15686-1建筑物与设备使用年限规划用于构件耐久性使用年限评估te=tgABCDEFGA构件质量（水胶比、强度等级、含气量）B设计水平（结构构造）C施工质量D室内环境E室外环境F使用状态G维修保养水平,基于材料劣化模型的计算方法RILEM-130委员会报告混凝土结构耐久性设计1996DuraCrete混凝土耐久性设计指南2000ACILife-365ComputerProgram2000日本土木学会标准示方书2002,我我国混凝土结构耐久性设计现状,规范的耐久性设置水准基本上停留在解放初或50年代国际水平由于水泥的早强成分和细度增加，施工进度加快，混凝土耐久性的实际质量下降环境条件恶化规范还阻碍粉煤灰等掺合料和引气剂的使用,为改善混凝土结构耐久性带来负面作用,国外对耐久性要求的不断改进盐冻环境,加拿大安大略省公路桥面板耐久性要求,规范对耐久性的低标准要求,我国现行规范（80年代颁布）与国外比较,大型工程城市地铁主体结构混凝土C20跨海大桥浪溅区混凝土C30，保护层34cm高边坡预应力锚索、高强锚杆无双重保护特大桥梁的公路桥面板底部保护层2cm,耐久性极限状态一般由适用性（正常使用极限状态）或可修复性控制少数可发生承载能力失效的极限状态预应力高强钢筋（索）的应力腐蚀隐蔽部位钢筋的锈断,混凝土结构耐久性设计与施工指南,中国土木工程学会标准CCES012004,混凝土结构及其构件的耐久性，应根据不同设计使用年限及其相应的极限状态和不同环境类别及其环境作用等级进行设计,设计使用年限有一定的保证率或安全储备极限状态与环境类别及结构特点有关环境类别分7类环境作用等级分6级，AF,结构设计使用年限,设计人员用以作为结构耐久性设计依据的目标使用年限设计使用年限应由业主或用户与设计人共同确定，并满足有关法规的最低要求设计基准期为确定可变荷载(使用荷载、风雪荷载)及与时间有关的材料强度而选用的时间参数使用年限结构建造完成后，在预定的使用与维护和修理条件下，能够满足原定性能要求的年限设计使用年限具有足够安全储备或保证率,设计使用年限的安全储备或保证率可以用寿命安全系数或失效概率表示定值法设计寿命安全系数凭工程经验和必要分析综合给定，考虑工程重要性，耐久性失效后果的严重性，修理的可行性与修理费用，环境作用、耐久性抗力和计算方法本身的不确定性与不确知性概率分析方法寿命安全系数为均值使用年限与设计使用年限的比值，与设定的保证率或失效概率有关若假定使用年限按对数正态分布，变异系数为0.5。对于适用性极限状态，如失效概率5，K在2.4左右,环境类别,1一般环境（无冻融，盐、酸等作用）室内干燥环境A非干湿交替的室内潮湿环境或露天环境，长期湿润环境B干湿交替环境C2一般冻融环境(无盐、酸等作用)微冻地区，混凝土中度饱水B微冻地区，混凝土高度饱水C严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水C严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水D,环境类别,3近海或海洋环境水下区D大气区轻度盐雾区D离平均水位15m以上的海上大气区，离涨潮岸线50m外至200m内的陆上室外环境重度盐雾区E离平均水位上方15m以内的海上大气区，离涨潮岸线50m内的陆上室外环境水位变化区和浪溅区，非炎热地区E水位变化区和浪溅区，南方炎热地区F,环境类别,4除冰盐冻融环境混凝土中度饱水E混凝土高度饱水F5盐碱结晶环境轻度盐碱结晶E重度盐类结晶F6大气污染环境汽车或机车废气C酸雨D（pH小于4时按E级）盐碱地区含盐大气和雨水D，E，C,环境类别,7土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境(海水环境除外),环境类别选定一种最主要的环境类别进行设计多种环境作用影响荷载对环境作用影响,耐久性设计内容,按环境类别，环境作用等级，设计年限确定：混凝土材料结构构造和裂缝控制施工要求使用阶段检测和维修要求防腐蚀附加措施,耐久性设计的极限状态钢筋锈蚀预应力钢筋开始锈蚀普通钢筋顺筋开裂（0.1mm）混凝土腐蚀轻微，不影响混凝土对钢筋的保护,海洋环境下的重要工程，要求委托二个或二个以上的专业机构，分别进行使用寿命计算,混凝土材料选择1)选用低水化热、低C3A含量、偏低含碱量水泥2)选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及粒形3)矿物掺和料作为一般情况下的必需组份4)将适量引气作为常规手段5)采用偏低的用水量6)限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量7)尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量强度与耐久性的矛盾粉煤灰引气剂低水胶比与抗裂性的矛盾,构造措施和裂缝宽度限制1)隔绝或减轻环境对混凝土的作用结构形状，防、排水，2)混凝土裂缝控制3)钢筋的混凝土保护层混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾,钢筋保护层,普通钢筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保护层厚度ccmin+预应力筋的混凝土保护层厚度:无密封护套的比普通钢筋大10mm环境作用等级为C或C级以上（对无粘结预应力钢筋为B或B级以上），应采用有防腐连续密封护套的预应力钢筋。,施工要求与施工质量验收必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容表层混凝土质量混凝土养护质量保护层厚度的施工允许误差质量检验保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性（现场回弹、抗拔、抗渗）,钢筋位置的误差，5mm的施工误差，可使20mm保护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的年限缩短近一半养护不良影响更大DuraCrete指南中，7天的养护系数为1天的2倍（氯离子作用）和4倍（碳化作用）可使工作寿命从50年分别降到约25年和12.5年,施工质量对结构耐久性的头等重要性,使用期内的维修和定期检测使用年限与使用阶段维修紧密联系环境严重作用下的结构物必须定期检测设计文件中必须向业主与运营单位提出使用过程中的定期检测和维修要求,防腐蚀附加措施环氧涂层钢筋混凝土表面防腐涂层、面层钢筋阻锈剂阴极保护,不同环境类别下的耐久性设计,碳化引起锈蚀对付碳化锈蚀不应成为一个问题关键在于规范要提高标准，尤其干湿交替和炎热环境下的要求表面裂缝宽度的限制也不应成为问题横向裂缝能使裂缝截面处的普通钢筋提前发生局部锈蚀，但通常不会向周边和深部发展，只当保护层被碳化后，才能在钢筋表面发展全面稳定的锈蚀混凝土规范的裂缝宽度限制不适用于较厚的保护层预应力筋的应力腐蚀则不同,碳化锈蚀,GB500102002规范中，要求100年设计寿命的保护层厚度为50年的1.4倍（即ta），这个规定值得探讨碳化的深度到一定数值后有可能停止事实上，只有不会发生锈蚀的干燥环境，碳化速度才与时间t的0.5次方成正比。潮湿环境（RH=81%）下与t的0.4次方成正比，长期湿润下（高湿度又经常受雨淋）甚至与t的0.1次方成正比。,冻融环境,必须引气(B级可不引气，但需提高一级选择混凝土)低水胶比的混凝土，不大于0.5，氯盐环境下不大于0.4新混凝土延迟受冻；加大构件厚度；避免混凝土受湿混凝土抗冻性能指标用耐久性指数DF表示100年与50年使用年限，在抗冻要求上的差别不明显（Fagerlund，黄士元，Hobbs）一般冻融环境下，环境作用按降低一个等级选用保护层厚度,氯盐引起锈蚀氯盐引起的钢筋锈蚀最为严重水下区混凝土缺氧，腐蚀速度极慢危险的是干湿交替区氯盐轻度腐蚀下，采用水胶比不高于0.4（或最多不超过0.45）的矿物掺和料混凝土与适当的保护层厚度，一般能解决问题干湿交替、使用寿命又长的重要工程部位，可能需要防腐蚀附加措施氯盐环境下的裂缝宽度限制，不同标准差别较大,氯盐引起锈蚀,据DuraCrete的研究，氯离子侵入混凝土100年或50年后，浓度达到临界值处的深度，即所需保护层厚度为：对于低水胶比的大掺量矿物掺和料混凝土，x约与t的0.150.20次方成正比，并与大气区、浪溅区、水下区等不同环境条件有关。100年与50年的差别不到15对于不加矿物掺和料混凝土的普通混凝土，100年需比50年增加30,氯离子扩散系数的测定,推荐快速氯离子电迁移测定方法方法瑞典唐路平（CTH法），北欧NT标准，德国ibac-test方法，DuraCrete标准，瑞士SIA标准,重要结构物，采用多道防腐措施并定期检测丹麦GreatBeltLink，100年，隧道预制混凝土管片保护层35mm，水胶比低于0.35，掺粉煤灰和硅灰，多道防腐措施在衬砌与土体之间沿环向灌浆，增加覆盖保护层厚度环氧涂膜钢筋阴极保护作为最终手段使用年限长、且有条件修理，采取定期修理并定期检测荷兰Delta防浪堤，200年，闸门支承配筋混凝土构件浪溅区预期寿命（按钢筋锈蚀损失0.2mm估计）8090年,我国基于材料性能劣化模型的使用年限分析,氯离子引起钢筋锈蚀通常用Fick第二定律描述：c为氯离子浓度，D为扩散系数若D为常数，且边界条件：表面氯离子浓度cs为定值可得解析解：,到90年代初，认识到扩散系数D随时间、离混凝土表面距离、氯离子浓度等因素变化，还与温度、pH值等多种因素有关原先按D为常值的预测结果过份保守Fick第二定律被认为误用了25年,扩散系数扩散系数随时间衰减的规律尚未完全明了氯离子在传输过程中与水泥水化产物结合早期混凝土密实性随水化程度不断完善而提高扩散系数随时间变化规律符合指数函数,D0为t=t0(开始暴露于氯盐环境)时测得的扩散系数值Poulsen建议，高性能混凝土与等效水灰比W/C有关Bamforth指出，主要与胶凝材料种类有关DuraCrete指南采用与胶凝材料种类和环境条件有关kc养护系数，考虑养护时间长短ke环境系数，考虑海洋不同环境（水下区、大气区、浪溅区等）与不同胶凝材料的影响,值对混凝土抗氯离子能力有着十分巨大的影响指数变化规律只是根据短期测试数据得出，外推预测必须小心,氯离子临界浓度DuraCrete取与水胶比有关，表中数据代表均值,氯离子表面浓度随环境条件而变处于海水中混凝土，表面浓度一般与海水中氯盐浓度接近Bamforth建议用于设计的表面浓度cs（按混凝土重计算）括号内为每方混凝土胶凝材料为400kg时，按胶凝材料重表示的cs值,DuraCrete提出表面氯离子浓度与混凝土水胶比和胶凝材料种类有关水胶比0.4、30%粉煤灰和70%硅酸盐水泥配比的混凝土，在水下区、潮汐区和大气区分别约为胶凝材料重的4.2%，3.1%和1.3%DuraCrete数据为平均值，具体设计时，要在平均值上乘、除分项系数,碳化Duracrete指南提出的模型：各种碳化模型的普遍缺点是不能考虑干湿交替的影响,耐久性计算模型用于预测未来，无法进行验证氯离子入侵海洋工程混凝土，基本以Fick定律为计算模型19701990视扩散系数D和表面浓度cs为常值90年代，扩散系数引入了随时间变化的指数表达式，仍用解析解90年代，采用数值解，发展多种计算程序，可考虑氯离子结合以及表面浓度变化Fick定律的扩散机理不能描述：水中混凝土的表层氯离子还可以通过对流、渗透的机理传输大气或干湿交替混凝土表面氯离子依靠混凝土孔隙毛细吸力机理传输,劣化计算模型分析不确定性,瑞典Nilson的试验针对一种水胶比0.4、掺有硅灰的混凝土，处于海洋浪溅区和水下区,定量计算方法的困惑,Poulson的诺模图当W/C=0.39,cs=0.7%,cc=0.1%,a=60mm得工作寿命施工质量对结构耐久性的头等重要性90年如cc=0.09%,其它不变,则寿命变为70年如W/C=0.40,其它不变,则寿命变为53年如W/C=0.41,其它不变,则寿命变为34年DuraCrete的计算结果也有类似情况突出突出反