混凝土结构耐久性

1、混凝土结构耐久性1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认 为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。然而，从混凝土应用于建筑工程至今的 150 年间，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造 成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海与近海地区 的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成 结构的早期损坏， 丧失了结构的耐久性能， 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

2、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最 主要原因。国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨 大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人 们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设 计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省 1 美元，那么就意味着：发 现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费 5 美元； 混凝土表面顺筋开裂时采取 措施将追加维修费 25 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费 125 美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以 解决的问题，通过

3、开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有 的建筑结构物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；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的 内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服 务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意 义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论 价值。正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越 重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展幵了环境层次大气环境 海洋环境 土壤环境 工业环境混凝土碳化氯盐腐蚀混凝土结构耐久性材料层次冻

4、融破坏碱-集料反应钢筋锈蚀 混凝土锈胀开裂模型构件层次粘结性能衰退模型构件承载力的变化结构层次耐久性设计耐久性评估图1-1混凝土结构耐久性研究框架研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄今为止，已 经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。1.2混凝土碳化混凝土碳化的定义所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作 用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理 化学过程。影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于

5、12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝 化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表 面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导 致了混凝土的PH值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现 PH<1这种情 况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它 条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层 开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能 降低等一系列不良后果。由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引起的混凝土化 学成分的变化以与混凝土内部碳

6、化的进行状态，对于混凝土结构的耐久性 研究具有重要的意义。1.2.2 混凝土碳化的机理混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化 反应，生成的水化物自身具有强度 (称为水泥石 )，同时将散粒状的砂和石 子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用 量的三分之一将生成氢氧化钙 (Ca(OH) 2)，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中 结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水 溶液是 PH 值为 12.6 的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中 的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它物质

7、，从而使水泥石原有的强 碱性降低， PH 值下降到 8.5 左右。混凝土碳化的主要化学反应式如下：CO2+H 2O?H 2CO3 (1-1)Ca(OH) 2+H 2CO3?CaCO 3+2H 2O (1-2)1.2.3 影响混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴随着 CO2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔 隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。 研究表明，混凝土的碳化速度取决于 CO2 气体的扩散速度与 CO2 与混凝 土成分的反应性。而 CO2 气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、 CO2 气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳化反应 受混凝土

8、内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素 可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服 役结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如 CO2的浓度、环境温度和湿度概况地说，混凝土碳化的影响因素为：1. 混凝土本身的密实度：混凝土密实度越大，碳化速度越慢；2. 二氧化碳的浓度：二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；3. 环境温度：环境温度越高，碳化速度越快；4. 环境湿度：环境相对湿度在 5070 %时，碳化速度最快。混凝土的碳化规律1. 混凝土的碳化规律国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的 基础上，国内外

9、公认的碳化深度 D与碳化时间t的关系式为：D (1-3)式中，a为碳化速度系数；D为混凝土碳化深度(mm ); t为测定D的碳 化时间(年)。碳化速度系数 体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度与二氧化碳浓度有关。2. 碳化规律应用1自然锈蚀和快速碳化之间的关系。(1-4)式中，D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；C1、C2为测定D1和预测D2时的碳化浓度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间。例1-1 :某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混

10、凝土快速碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的 400倍，混凝土试块在放入碳化箱 5天后测得其碳化深度为10mm o试问：实际结构使用30年后的碳化深度。解：已知 D仁 10 mm; t2 = 30 X365 天；t1 = 5 天；C2/C1 =1/400 ；则：D2 = 10 X 30 X365 / ( 5 X 400 )=23.4 ( mm ) .3. 碳化规律应用 2 自根据实测碳化深度推测以后情况(1-5)式中， D1、D2 分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度； t1、t2 为测定 D1 和预测 D2 时的碳化时间。例 1-2 ：某结构物使用 10 年以后测其碳化深度为

11、15mm ，试问 :该结构物 使用 30 年后的碳化深度。解: 已知 D1 = 15mm; t1 = 10 年; t2 = 30 年; 则:D2= 15(30/10) =26(mm).碳化深度和混凝土强度之间的关系分析混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化 规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期 随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。在对服役结构 的抗力进行评价时，所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是 高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服役结构 抗力评价需要解决的问题。一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是

12、碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱 性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而 引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有 一定的影响。为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行了混凝土的 抗压和劈拉试验。通过试验研究分析，有下列结论：随着碳化龄期的增长，混凝土的抗 压强度也随之提高；同一龄期碳化试件的抗压强度均比未碳化试件的抗压 强度高。从这一点来看，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。1.3 氯离子对混凝土结构的侵蚀我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非 常严重

13、，已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。在我国北 方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁与城市立交桥等撒除冰盐， 大量使用的氯化钠和氯化钙， 使得氯离子渗入混凝土， 引起钢筋锈蚀破坏。 我国还有广泛的盐碱地，腐蚀条件更为苛刻。在 1991 年召开的第二届国 际混凝土耐久性会议上， Mehta 教授在 混凝土耐久性五十年进展 主 旨报告中指出： “当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是： 钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。 ”而来自海洋环境和使用防冰盐中的氯 离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。1.3.1 氯离子对混凝土的作用机理1. 破坏钝化膜水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产

14、生一层致密的钝化膜。以往 的研究认为该钝化膜是由铁的氧化物构成，最近研究表明，该钝化膜中含 有 Si-O 键，对钢筋有很强的保护能力。然而，此钝化膜只有在高碱性环 境中才是稳定的， 当 PH<11.5 时，钝化膜就开始不稳定； 当 PH<9.88 时， 钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl 是极强的去钝化剂，Cl 进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的 PH 值迅速降低，可使钢筋表面 PH 值降低到 4 以下，破坏了钢筋表面的钝化 膜。2. 形成腐蚀电池如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐 蚀可能使均匀腐蚀。但是，在不均质的混凝土

15、中，常见的局部腐蚀。 Cl 对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完 好的钝化膜区域形成单位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区 域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极 对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。3. 去极化作用Cl -不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。Cl -与阳极反应产物 Fe2+ 结合生成 FeCl2 ，将阳极产物与时地搬运走，使阳极过 程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而 加速阳极极化作用称作去极化作用，CI-正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，钢筋的锈蚀产物中是很

16、难找到FeCl2 存在，这是由于 FeCl2 是可溶的，在向混凝土内扩散时，遇到 OH -就能生成 Fe(OH)2 沉淀，再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常说的铁锈。由此可 见，CI-起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土 中的CI-，会周而复始的起到破坏作用，着也是氯离子危害的特点之一。4. 导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中CI -的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而 加速了电化学腐蚀过程。氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴 阳极之间的欧姆电阻。1.3.2 氯离子侵蚀模型1. 基本模型 Fick 第二定律通

17、常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，另外还受到 氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而 对应特定的条件，其中一种侵蚀方式是主要的。目前有一些对各种机理全 面考虑的模型，但是由于模型中的一些参数很难确定，有些只能从定性上 加以描述，其实用性还需要继续探讨。尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂，在许多情况下，扩散仍然被 认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的 结构，大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过 程，这个扩散过程一般引用 Fick 第二定律。 Fick 第二定律很方便地将氯离 子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联

18、系起来，可以直观地体现结构的耐久性。由于Fick第二定律的简洁性与与实测结果之间较好的吻合性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择Fick第二扩散定律也是基于一种经验的假定，因为它的模型可以很好地拟合结构的实测结 果。假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，氯离子在混凝土中扩散是一维扩 散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面方向变化，Fick第二定律可以表示为：空_（D亠）t XX （1-6 ）式中：Cel氯离子浓度（），般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比 表示；t时间（年）；x位置（cm ）;Del 扩散系数。Fick第二定律的解取决于问题的边界条件。2. 氯离子侵蚀模型混凝土结

19、构在经过相当长时间的使用后，表面基本达到饱和，在稳定 的使用环境中不会发生太大的变化，因此可以假定混凝土结构表面氯离子 浓度恒定。另外，假定混凝土结构相对暴露表面为半无限介质，在任一时 刻，相对暴露表面的无限远处的氯离子浓度治为初始浓度。那么相应初始 条件可以写为：Cci （x,0） =0（1-7 ）边界条件：Cci（0, t） Cs（i_8）Ccl （ - t） C0（1_9）式中：Cs为混凝土表面的氯离子浓度；Co为氯离子初始浓度。根据初始条件和边界条件，可以得到式（3-1 ）的解为：XCx,t C0 （Cs C°）1 erf（）护Dcl t （1-10）式中：Cx.,t为t时刻

20、x深度处的氯离子浓度；erf() 为误差函数，。1.3.3 氯离子扩散影响因素1扩散系数氯离子扩散系数是反应混凝土耐久性的重要指标。一般通过建立扩散 深度和实测浓度的关系， 然后根据 Fick 定律拟合氯离子的扩散系数。 氯离 子的扩散系数不仅和混凝土材料的组成，内部孔结构的数量和特征、水化 程度等内在因素有关系，同时也受到外表因素的影响，包括温度、养护龄 期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等。2 .混凝土中Cl -的临界值尚不致引起钢筋去钝化的钢筋周围混凝土空隙液的游离Cl-的最高浓度，被成为混凝土氯化物的临界浓度。这是一个十分重要的指标，但是因 为影响因素很多，既受到混凝土

21、成份、组织与环境条件的影响，而且氯化 物浓度也还没有一个严格统一的标准方法，所以目前尚无统一的定论。但 是，有一点是很清楚的， 即钢筋腐蚀危险随混凝土氯化物含量增大而增加， 当氯化物含量超过氯化物临界浓度是，只要其它必要条件已经具备，就会 发生很严重的钢筋腐蚀。3 .表面氯离子浓度氯离子的扩散是由于氯离子的浓度差引起，表面浓度越高，内外部氯 离子浓度差越大，氯离子扩散至混凝土内部的氯离子会越多。而结构表面 的氯离子除了与环境条件有关外，还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性 能有关。4 .混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度为钢筋免于腐蚀提供了一道坚实的屏障，混凝土保 护层厚度越大，则外界腐蚀介质达到

22、钢筋表面所需的时间越长，混凝土结 构就越耐久。理论上混凝土保护层越厚，混凝土结构耐久性就越好。但实际上，过 厚的保护层在硬化过程中，其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制，很 容易产生裂缝， 裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。 一般情况下， 混凝土保护层厚度不应超过 80100mm ,具体尺寸应根据结构设计而定。1.4 混凝土的冻害1.4.1 混凝土冻害机理在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水 泥的水化水，这部分多于的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通 的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受 冻害的主要因素，因为水遇冷冻结冰会发生体积

23、膨胀，引起混凝土内部结 构的破坏。当处于饱和水状态时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态。 因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温 度在-78 oC 以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温 度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产 生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体 积进一步膨胀。由此可见，处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同 时承受膨胀压和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度 时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通， 其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧

24、失，使混凝土又表与里遭受破坏。1.4.2 主要影响因素1 混凝土水灰比直接影响混凝土的孔隙率与孔结构。随着水灰比的增加，不仅 饱和水的开孔总体积增加，而且平均孔径也增加，在冻融过程中产生的冰 胀压力和渗透压力就大，因而混凝土的抗冻性必然降低。2含气量含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是加入引气剂形 成的微细孔对提高混凝土抗冻性尤为重要，因为这些互不连通的微细气孔 在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减小，即起到减压作用。在混 凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形 成。3混凝土饱水状态混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为含水量小于孔 隙总体积的

25、 91.7 就不会产生冻结膨胀压力。该数值被称为 极限饱水度 在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。由于混凝土表面层含水 率通常大于其内部的含水率，且受冻时表面的温度又低于内部的温度，所 以，冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。4混凝土受冻龄期混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。因为龄期越长水泥水化就越 充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力就越大，这一点对早期受冻的更 为重要。1.5 混凝土的碱集料反应碱集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏 性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。该反应不同于其它 混凝土病害，其开裂破坏是整体性的，且目前没有有效的修补方法，而

26、其 中的碱碳酸盐反应的预防尚无有效的措施。由于碱集料造成的混凝土 开裂破坏难以被阻止，因而被成为混凝土的“癌症” 。半个多世纪以来， 碱集料反应已经在全世界近二十多个国家造成了严重的损失。1.5.1 碱集料反应机理碱集料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶 液之间的发生的反应。可见，促使这类反应发生必须具备三个条件，即在 混凝土中同时存在活性矿物集料(活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土 质页岩等)、碱性溶液( KOH 、NaOH )和水。在水泥水化生成物中，除了 C2S 、 C3S、S3A 和 C4AF 之外，还有少 量的 Ca(OH)2 ，与集料中的钾长石或钠长石反应会置换出

27、 KOH 和 NaOH 。 在水泥水化反应初期，于集料颗粒四周形成 C-S-H 凝胶与 Ca(OH)2 附着 层，然后 Ca(OH)2 与长石反应置换出 KOH 和 NaOH ，形成发生碱集料 反应的一个必要条件。混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱集料发生反应：2Na2O SiO2 NaO SiO2 H 2O (1-11)KOH 和 NaOH 浓度较低时，不足以引气混凝土的破坏，一般认为当 含碱量小于 0.6 时，可不考虑碱集料反应。当 KOH 或 NaOH 浓度较高时， KOH 或 NaOH 不仅能中和二氧化硅 颗粒表面与微孔中的氢离子，还会破坏 O-S-O 之间的结合键，时二氧化 硅颗粒结果

28、松散，并使这一反应不断向颗粒内部深入形成碱硅胶。这种碱 硅胶会吸收微孔中的水分，发生体积膨胀。在周围水泥浆已经硬化的情况 下，这种体积膨胀会受到约束，产生一定的膨胀压力。当该压力超过水泥 浆抗拉强度时，就会引气混凝土开裂，时混凝土结构发生破坏。该反应引 气的体积膨胀量与混凝土中的含水量有关系，水分充足时，体积可增大三 倍。因此，为了减少这种膨胀压力，必须防止水分由外部渗入混凝土孔隙 中，即对混凝土结构予以放水处理。1.5.2 碱集料反应发生条件碱集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的 可溶性碱，和混凝土空隙中与集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土 中逐渐发生的一种化学反应。

29、不论是碱硅酸反应和碱碳酸反应，必须 同时具备如下三种条件才能发生碱集料反应对混凝土结构造成损坏：1. 配制混凝土时由水泥、集料(海砂) 、外加剂和拌合水中带进混凝土中一定数量的碱，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；2. 有一定数量的碱活性集料；3. 潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。1.5.3 碱- 集料反应的主要影响因素由碱集料反应的机理可以得知，影响这一反应的主要因素为水泥的含碱量与集料本身有无反应活性， 另外就是孔隙水量，这三要素缺一不可因此，影响碱集料反应的因素也均与这三要素紧密相关，主要包括下列因素：1.水泥的含碱量2.混凝土的水灰比3.反应性集料的特性4.混凝土孔隙率5

30、.环境温湿度的影响1.6 钢筋的锈蚀大量工程实践证明，在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响服役结 构耐久性的主要因素。 新鲜的混凝土是呈碱性的， 其 PH 值一般大于 12.5 ， 在碱性环境中的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜， 能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳、水汽和氯离子等有害物 质从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质 中和，从而导致了混凝土的 PH 值的降低，就出现 PH<9 这种情况，在这 种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备 的情况下，钢筋就会发生锈蚀，并且随着锈蚀的加剧，将导致混凝土保护 层开裂

31、，钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋受力截面减少，结构强度 降低等一系列不良后果，从而导致结构耐久性的降低。通常情况下，受氯 盐污染的混凝土中的钢筋有更严重的锈蚀情况。钢筋锈蚀的研究是钢筋混凝土构件耐久性研究的一个很重要内容，国 内外学者进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析。目前为止，还没 有既有充分理论根据，又全面考虑了各种影响因素的实用数学模型，因此 将预测混凝土中钢筋锈蚀尚有不少工作要做。1.6.1 钢筋锈蚀机理混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用，但是，这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜 破坏的最重要又最常遇到的环境介质。因此，混凝

32、土中钢筋锈蚀机理主要 有两种：即混凝土碳化和氯离子侵入。钢筋在混凝土结构中的腐蚀是在有水分子参与的条件下发生的，钢筋锈蚀 的电极反应式为：阳极：Fe?Fe 2+ +2e (1-12)阴极： O2+2H 2O+4e?4OH - (1-13)阳极表面二次化学过程：Fe2+ +2OH -?Fe(OH) 2 (1-14)4Fe(0H) 2+O 2+2H 2O?4Fe(OH) 3 (1-15)在氧气和水汽的共同作用下，由上述电化学反应是的钢筋表面的铁不 断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成红铁锈，引起混 凝土幵裂。钢筋锈蚀的机理如图1-2所示，图中现实了大气环境中钢筋在混凝土中锈蚀的宏观过

33、程。2+- -4Fe +Q +8H +2H2O -4Fe(OH) 2 阳极附近 .'.混凝土2O .“2+-图9-2钢筋在混凝土中的锈蚀过程钢筋钢筋腐蚀过程混凝土中钢筋锈蚀过程可分为以下几个阶段：1.腐蚀孕育期从浇注混凝土蚀到混凝土碳化层深达到钢筋，或氯离子侵入混凝土已使钢筋去钝化，即钢筋幵始锈蚀为止。这段时间以to表示。2. 腐蚀发展期从钢筋幵始腐蚀发展到混凝土保护层表面因钢筋锈胀而现实破坏 现象（如顺筋胀裂，层裂或剥落等）。这段时间以tl表示。3. 腐蚀破坏期从混凝土表面因钢筋锈蚀肿胀幵始破坏发展到混凝土现实严重胀 裂、剥落破坏，即已达到不可容忍的程度，必须全面大修时为止。 这段时

34、间以t2表示。4. 腐蚀危害期钢筋锈蚀已经扩大到使混凝土结构区域性破坏，致使结构不能安全构件破坏到不安全的程度度程蚀锈筋钢钢筋锈蚀到不容许的程度混凝土开始胀裂钢筋开始锈蚀时间：otl图9-3混凝土中钢筋腐蚀过程示意图 使用。这段时间以t3表示。般地，t0> tl> t2> t3。影响钢筋锈蚀的因素在通常情况下，钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用。同时，混凝土为钢筋提供的是一个高碱度的环境（PH>12.5），能使钢筋表面形成一层致密的钝化膜，从而长期不锈蚀。当碱性降低时，钝化膜逐渐被破坏，钢筋逐渐开始锈蚀，当 PH 低于 12 时，锈蚀速度明显增大。混凝土结构中

35、的钢筋锈蚀受许多因素影响，包括：钢筋位置，钢筋直 径，水泥品种，混凝土密实度、保护层厚度与完好性，外部环境等。根据 文献，简述如下：1. 混凝土液相 PH 值钢筋锈蚀速度与混凝土液相 PH 值有密切关系。当 PH 值大于 10 时， 钢筋锈蚀速度很小；而当 PH 值小于 4 时，钢筋锈蚀速度急剧增加。 2.混凝土中 Cl- 含量混凝土中 Cl- 含量对钢筋锈蚀的影响极大。 一般情况下， 钢筋混凝土结 构中的氯盐掺量应少于水泥重量的 1（按无水状态计算） ，而且掺氯盐的 混凝土结构必须振捣密实，也不易采用蒸汽养护。3. 混凝土密实度和保护层厚度混凝土对钢筋的保护作用包括两个主要方面：一是混凝土的

36、高碱性使 钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的 阻止。后一种作用主要取决于混凝土的密实度与保护层厚度。4. 混凝土保护层的完好性混凝土保护层的完好性指混凝土是否开裂，有无蜂窝孔洞等。它对钢 筋锈蚀有明显的影响，特别是对处于潮湿环境或腐蚀介质中的混凝土结构 影响更大。许多调查表明，在潮湿环境中使用的钢筋混凝土结构，横向裂 缝宽度达 0.2mm 时即可引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀物体积的膨胀加大保护 层纵向裂缝宽度，如此恶性循环的结果必将导致混凝土保护层的彻底剥落 和钢筋混凝土结构的最终破坏。5. 水泥品种和掺合料粉煤灰等矿物掺合料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋的耐久性。

37、国内外许多研究表明，在掺用优质粉煤灰等掺合料时，在降低混凝土碱性 的同时，能提高混凝土的密实度，改变混凝土内部孔结构，从而能阻止外 界腐蚀介质和氧气与水分的渗入，这无疑对防止钢筋锈蚀是十分有利的。 今年来，我国的研究工作还表明，掺入粉煤灰可以增强混凝土抵抗杂散电 流对钢筋的腐蚀作用。因此，综合考虑上述效应，可以认为在混凝土结构 中掺用符合标准的粉煤灰不会影响混凝土结构耐久性，有时反而会提高。6. 环境条件环境条件是引起钢筋锈蚀的外在因素，如温度、湿度与干燥交替作用， 海水飞溅、海盐渗透等都对混凝土结构中的钢筋锈蚀有明显影响。特别是 混凝土自身保护能力不合要求或混凝土保护层有裂缝等缺陷时，外界因

38、素 的影响会更突出。许多实际调查结果表明，混凝土结构在干燥无腐蚀介质 条件下，其使用寿命要比在潮湿与腐蚀介质中使用要长2 3 倍。7. 其它因素除了以上因素外，钢筋应力状态对其锈蚀也有很大影响。这种应力腐 蚀比一般腐蚀更危险，应力腐蚀不同于钢筋的蚀坑与均匀锈蚀，而是以裂 缝的形式出现，并不断发展直到破坏，这种破坏又常常是毫无预兆的突然 脆断。一般来讲，钢筋的应力腐蚀分为两个阶段，即局部电化学腐蚀阶段 与裂缝发展阶段。对此必须充分估计，以免钢筋发生事故性断裂。1.7 混凝土构件的耐久性混凝土构件耐久性研究是混凝土结构耐久性研究的基础和前提。大气氯盐侵蚀环境对混凝土构件耐久性的危害主要表现在二氧化

39、碳或 氯离子侵入混凝土内后，破坏钢筋的钝化膜、诱发钢筋锈蚀，进而引起的 锈胀开裂和顺筋裂缝与混凝土基本构件的结构性能和力学性能的退化。近 年来，国内外学者已经在这方面做了大量的试验分析研究工作，包括钢筋 锈蚀引起混凝土保护层胀裂过程的研究，钢筋锈后与混凝土之间粘结能力 衰退的研究和混凝土构件性能退化的研究等，取得了许多有意义的研究成 果。除在材料层面研究混凝土内的钢筋锈蚀速率以外，以基本构件为研究 对象，研究顺筋锈胀开裂后钢筋的锈蚀速率以与锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀 速率关系将对判断耐久性失效极限状态是至关重要。考虑气候因素与侵蚀 环境、力学环境交互作用对混凝土和基本构件性能影响已开始受到重视。

40、但是，较全面的将人工气候模拟环境、侵蚀环境与力学环境的影响结合在 一起，来研究混凝土碳化、氯离子侵蚀，特别是混凝土结构内钢筋锈蚀速 率问题尚待深入和加强。除了上述的相互作用以外，结构截面内配筋特征 也是同样重要的问题，但是已有的研究还尚未深入分析箍筋锈蚀后对主筋 锈蚀速率的影响。钢筋锈蚀导致钢筋 / 混凝土界面性能退化是构成基本构件性能退化规 律的基础。目前的相关研究成果主要为静载下钢筋与混凝土之间的黏结退 化机理，而对于动载、反复荷载和冲击荷载等情况下的黏结退化机理研究 不多。同时，已有研究的加速钢筋锈蚀手段仍以直流电通电锈蚀为主，而 与自然环境下的钢筋锈蚀的电化学机理不同；采用与自然环境相

41、似的人工 模拟环境，可以取得更符合实际情况的研究结果。除了考虑上述提与的多因素交互作用和结构截面配筋特征以外，钢筋 的锈胀过程和顺筋开裂后的钢筋锈蚀速率对预计锈胀开裂后结构的剩余 使用寿命确定具有重要意义。实际工程的混凝土构件中，钢筋表面的锈蚀 程度是不均匀的，顺筋锈胀开裂后仍保持较低的锈蚀程度。已开展的相关 研究基本上以钢筋周面均匀锈蚀为基本假定，尚未考虑锈蚀初期铁锈渗入 钢筋与混凝土的界面内并未产生锈胀作用以与钢筋周面锈蚀不均匀的影 响。有关混凝土构件“钢筋锈蚀混凝土开裂钢筋锈蚀加剧混凝土裂 宽增大构件耐久性下降”的纵向锈胀裂缝扩展全过程的研究还尚未见 有报道，纵向锈胀裂缝对混凝土构件耐久

42、性损伤的影响机理也尚待深入。 同时，混凝土结构构件的横向裂缝对混凝土内部钢筋锈蚀速度和对混凝土 结构的耐久性的影响，以与横向受力裂缝与钢筋锈蚀引起的纵向裂缝一起 作用对混凝土结构耐久性的影响机理问题，目前学术界尚存在较大的争 议，有待于进一步深入的研究。研究钢筋锈蚀率、顺筋锈胀裂缝宽度等参数与基本构件承载能力和延 性关系，分析混凝土构件性能演变规律，可为混凝土结构层面的耐久性评 价奠定理论基础。目前的研究成果多集中于梁式构件的受弯破坏，对于其 它混凝土构件和其他破坏形式的研究还不多。根据现有构件层次的研究，尚不能建立混凝土构件性能退化速率的模型，而以钢筋混凝土基本性能退化速率模型为基础，建立与

43、时间相关的基 本构件的结构性能退化模型，这是耐久性研究由构件层次到结构层次递进 的关键所在，也是国内外混凝土结构耐久性研究领域的热点问题。1.8 混凝土结构耐久性设计现状在混凝土结构耐久性研究的过程中，混凝土结构耐久性设计的思想也 不断地被尝试引入结构设计和工程实践中。 1990 年日本发布了混凝土 结构耐久性设计建议 ，1989 年欧洲出版了 CEB 耐久混凝土结构设计指 南，RILEM于1990年出版的混凝土结构的耐久性设计，欧盟在2000 年出版了混凝土结构耐久性设计指南 。在总结国内外研究成果的基础 上， 2000 年颁布了交通部行业标准海港工程混凝土结构防腐蚀技术规 范 (JTJ27

44、5-2000) ， 2004 年中国土木工程学会编制了混凝土结构耐久 性设计与施工指南 (CCES 01-2004 )，交通部行业标准公路工程混凝 土结构防腐蚀技术规范也即将发布，中国工程标准化协会组织的混凝 土结构耐久性评定标准已编制完成，它们的问世对改善我国混凝土结构 耐久性状况将起到非常好的作用，也为混凝土结构的耐久性设计和延长工 作寿命明确了方向。然而，这些规定仍然局限于环境分类和材料方面的要 求，在结构材料和结构构造方面间接地反映了结构设计中对耐久性和使用 年限的要求，无法实现对混凝土结构耐久性的设计目标的量化规定。对于 某些重要基础工程，欲确保 100 年(或 120 年)的使用年

45、限，尚缺乏普 遍认可的基于可靠度分析并以混凝土耐久性作为设计指标的设计理论。根据上述文献，目前混凝土结构耐久性设计方法基本可分成两大类。 第一类首先源于欧洲 CEB混凝土结构耐久性设计规范，如国内的混凝土结构耐久性设计与施工指南 (CCES01-2004 )、海港工程混凝土结构防 腐蚀技术规范(JTJ275-2000)等。这类方法首先按业主的意愿和经济实 力确定结构的设计使用年限；再按结构的工作环境确定腐蚀等级；再建立 在设计使用年限内结构抵抗环境作用能力大于环境对结构作用效应的耐 久性极限方程(如日本土木工程学会提出的指数评分法、 ISO 因子法、验 算法等）；最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。耐久性设计 的极限状态主要按适用性的要求确定，常以有害介质侵蚀到钢筋表面或混 凝土保护层胀裂作为为耐久性极限状态。这些方法主要控制混凝土材料常 规指标、组成和保护层厚度，具体为强度等级、水胶比、胶凝材用量、原 材料选择、矿物掺和料、外加剂等。同时，要求在实验室条件下按照标准 试验方法确定的耐久性指标，如抗冻等级，扩散系数等。这类方法解决了 耐久性构造要求和施工技术要求，细化了环境类别与其作用等级，提出了 不同使用年限的不同要求。然而，这类方法体现的主要是材料层面的研究成果，显然不能直接参 与结构使用寿命的预测计算模型；且基于这种观念的计算方法与现行规范 采用的以近似概率为基