鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀及其提高措施.doc

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀及其提高措施 【摘 要】本文介紹了國內(nèi)外鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的狀況及研究的動態(tài)，從材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)3個層次論述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的現(xiàn)狀。從研究與分析混凝土的結(jié)構(gòu)形式和耐久性的影響因素入手，總結(jié)了提高鋼筋混凝土耐久性的措施，并列出了耐久性研究的方向。 【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；碳化；銹蝕；凍融；壽命預(yù)測 引言 混凝土的耐久性，是指結(jié)構(gòu)及其各組成部分，在所處的自然環(huán)境和使用條件等因素的長期作用下，抵抗材料性能劣化、仍能維持結(jié)構(gòu)的安全和適用功能的能力1?；蛘哒f結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)抵抗外界環(huán)境或內(nèi)部本身所產(chǎn)生的侵蝕破壞作用的能力2。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐久性被看成是結(jié)構(gòu)所需的一種功能而不是其固有的內(nèi)在性能，所以耐久性又被定義為結(jié)構(gòu)及其部件在各種可能導(dǎo)致材料性能劣化的外加因素作用下、并在預(yù)期的使用年限內(nèi)維持其所需功能的能力3。 由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足造成的后果是非常嚴重的。美國1991年僅修復(fù)由于耐久性不足而損壞的橋梁就耗資910億美元。英國每年用于修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的費用就達200億英鎊。而日本目前每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費用即達400億日元以上。日本引以為豪的新干線使用不到10年，就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。我國基礎(chǔ)建設(shè)比發(fā)達國家遲三十多年，現(xiàn)有建筑物的老化現(xiàn)象也是很嚴重的。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有建筑面積70億平方米，其中有50 %進入老化階段，約23億平方米需分期分批進行鑒定加固，近10-12億平方米急需維修加固才能使用。建設(shè)部科技發(fā)展司混凝土結(jié)構(gòu)耐久性綜合調(diào)查組曾對北京、西寧、貴陽和杭州的一些建筑物進行了調(diào)查，其結(jié)果表明，建國初期的建筑均已達到必須大修的狀態(tài)；現(xiàn)有大多數(shù)工業(yè)建筑不能滿足安全、經(jīng)濟使用50年的要求，一般使用2530年就需大修加固。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已越來越引起人們關(guān)注。美國學(xué)者用“五倍定律”形象地說明了耐久性的重要性，特別是設(shè)計對耐久性問題的重要性。設(shè)計時，對新建項目在鋼筋防護方面每節(jié)省一美元，就意味著，發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施多追加維修費5美元，順筋開裂時多追加維修費25美元，嚴重破壞時則多追加維修費125美元。這一可怕的放大效應(yīng)，使得各國政府投入大量資金用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題的研究4。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及耐久性設(shè)計現(xiàn)已成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展研究的前沿，而我國不論在耐久性研究或耐久性要求的設(shè)計水準上，與國外相比存在非常大的差距。我國當前正進行空前規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性迫在眉睫。否則，巨大投資將蒙受重大損失，有限資源將遭到極大浪費，并將給今后生活和生產(chǎn)帶來長期困擾3。 1、國內(nèi)外混凝土耐久性研究動態(tài) 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的日益突出，引起了世界各國學(xué)術(shù)機構(gòu)、學(xué)者和工程技術(shù)人員對加強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重視，表現(xiàn)在各種結(jié)構(gòu)耐久性學(xué)術(shù)機構(gòu)的不斷成立和頻繁的學(xué)術(shù)活動、大量的與結(jié)構(gòu)耐久性有關(guān)的出版物以及大規(guī)模的科學(xué)研究方面。 對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的研究可追溯到三四十年代，但最近十幾年才受到廣泛重視。美國A CI437委員會于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力評估”的最新報告，提出了檢測試驗的詳細方法和步驟。美國聯(lián)邦公路管理局制定計劃，研究了橋面板耐久性檢測和鋼筋銹蝕的防護問題。日本建設(shè)省從1980年就組織進行“建筑物耐久性提高技術(shù)”的開發(fā)研究，并于1985年提交了研究成果概要報告，1986年開始陸續(xù)出版發(fā)行了建筑物耐久性系列規(guī)程。日本建筑學(xué)會（AIJ）1988年推出了建筑物使用指南1992年又推出了建筑物現(xiàn)狀調(diào)查、診斷、維修指南；同年，歐洲混凝土委員會頒布的耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南反映了當今歐洲混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的水平。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題在我國也日益受到重視。1990年4月，建設(shè)部組織成立全國建筑物鑒定與加固委員會，至今已召開三屆學(xué)術(shù)交流會。全國鋼筋混凝土標準技術(shù)委員會混凝土結(jié)構(gòu)耐久性學(xué)組于1991年成立，中國土木工程學(xué)會混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會混凝土耐久性專業(yè)委員會也于1992年11月在濟南成立。我國的混凝土耐久性研究已進入有組織的工作階段。我國在編制混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GBJ 10-89）的過程中，規(guī)范組成員曾在混凝土耐久性方面做了許多工作，而10余年后在對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GBJ 10-89）的修訂過程中，又將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的可靠度設(shè)計方法及措施作為一個專題研究。2007年編制了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標準（2007）。國家和省部級的研究基金曾支持過多項有關(guān)耐久性的研究課題。建設(shè)部在“七五”和“八五”期間都專門設(shè)立課題研究混凝土的耐久性問題?！捌呶濉惫リP(guān)課題為“大氣條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及其使用年限”，包括結(jié)構(gòu)的耐久性調(diào)查、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、溫濕度對碳化的影響等；“八五”攻關(guān)課題為“預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土耐久性技術(shù)”，包括擬建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法，在用混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測和評估方法，在一定條件下諸因素對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的綜合影響以及建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性數(shù)據(jù)庫等，目前已取得一些成果。 2、混凝土耐久性研究狀況 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究，分為材料的耐久性研究、構(gòu)件的耐久性研究和結(jié)構(gòu)耐久性研究三個層次，其中前兩個層次已經(jīng)研究得較為深入。 2.1 材料耐久性研究 材料耐久性的研究已經(jīng)比較深入，成果主要集中在混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)等方面，并考慮了大氣、海洋、化學(xué)侵蝕等不同的工作環(huán)境對材料耐久性的影響。 （1）混凝土碳化研究 一般認為，混凝土碳化是由于大氣中的CO2與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土表面堿性降低。在建立理論模型時，國內(nèi)、國外大都假設(shè)： （a）CO2在混凝土中的擴散遵循Fick第一定律； （b）CO2的濃度呈線性分布，鋒面處濃度為0。 （2）鋼筋銹蝕研究 混凝土中鋼筋的銹蝕是一個電化學(xué)過程。國外這方面研究得比較早，且許多成果已被國內(nèi)所引用。國內(nèi)主要是在國外成果的基礎(chǔ)上，進行修正和補充研究。因此，國內(nèi)的成果基本反映了當今世界的研究現(xiàn)狀。中國建研院考慮水泥品種、混凝土養(yǎng)護條件、環(huán)境作用等多種因素建立了鋼筋銹蝕的一般規(guī)律。西安建筑科技大學(xué)牛荻濤等人根據(jù)工程調(diào)查結(jié)果，給出了一般室內(nèi)環(huán)境鋼筋銹蝕開始時間的確定方法；利用腐蝕電化學(xué)原理建立了一般室內(nèi)環(huán)境中鋼筋銹蝕量的預(yù)測模型。 （3）凍融破壞研究 對于混凝土凍融破壞的研究，現(xiàn)已形成較為完整的基礎(chǔ)理論。Powers等人從混凝土的亞微觀入手，分析孔隙水對孔壁的作用，提出了靜水壓假說和滲透壓假說，前蘇聯(lián)學(xué)者從力學(xué)概念出發(fā)，提出了現(xiàn)象學(xué)觀點。清華大學(xué)土木系基于靜水壓假說，利用損傷力學(xué)的方法，給出了預(yù)測混凝土抗凍耐久性的疲勞損傷模型。這一模型考慮了亞微觀層次上凍融的破壞機理，并將這種破場、作用反映在混凝土的宏觀力學(xué)行為上，較好地聯(lián)系了亞微觀和宏觀兩個層次，并得到了滿意的計算結(jié)果。 2.2結(jié)構(gòu)耐久性研究 對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，國外研究得較少，國內(nèi)也剛剛開始。研究結(jié)構(gòu)耐久性的目的主要在于解決新建結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和已建結(jié)構(gòu)的耐久性評估問題；同時，對于不同耐久性等級的混凝土結(jié)構(gòu)，給出不同的構(gòu)造措施，在保證結(jié)構(gòu)可靠、耐久的前提下，使工程造價最低。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究包括對結(jié)構(gòu)的耐久性評定和壽命預(yù)測兩個層次。 （1）結(jié)構(gòu)的耐久性評定 有關(guān)結(jié)構(gòu)的耐久性評定，從已取得的成果來看，主要包括基于構(gòu)件耐久性損傷加權(quán)的耐久性評定、基于模糊綜合評判的耐久性評定和基于可靠度的耐久性評定三類。清華大學(xué)王曉剛、王嫻明提出用于混凝土耐久性評判的模糊綜合評判法。這種方法充分反映了各因素關(guān)聯(lián)性、隨機性強的特點結(jié)果較為可信。日本清水株氏會社研究所給出了一種對建筑物綜合評價的方法，這種方法通過三次調(diào)查進行綜合評價，避免了人為因素的影響。這種方法結(jié)構(gòu)嚴密，條理清楚，調(diào)查評價方法系統(tǒng)、可行，在日本已被廣泛采用。 （2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件壽命預(yù)測 目前對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命預(yù)測研究較多，常見的理論有碳化壽命理論、開裂壽命理論、承載力壽命理論和經(jīng)濟壽命理論。鋼鐵工業(yè)建筑物可靠性鑒定規(guī)程（YB 8219-89）采用承載力壽命理論，以一半主筋破壞為喪失承載力標志，給出了構(gòu)件剩余壽命的計算公式。清華大學(xué)肖從真、劉西拉以混凝土構(gòu)件縱向開裂（截面損失率達5%）作為壽命的終點引入數(shù)論模擬方法，結(jié)合方差縮減技術(shù)對構(gòu)件進行壽命預(yù)測。R. N .Swamy， H .Hamada和J. C. Laity基于氯離子在混凝土中的擴散服從Fick第二定律的假設(shè)，建立了預(yù)測含氯條件下混凝土構(gòu)件壽命的數(shù)學(xué)模型。上海建材學(xué)院許麗萍、吳學(xué)禮等人給出了上述模型中參數(shù)的確定方法。 （3）結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測 近些年來，人們采用模糊法、概率法、網(wǎng)絡(luò)法、動態(tài)分析法、生存分析理論等來預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壽命，并取得了一些成果，但對結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測才剛剛起步。國外在這方面的研究集中于考慮抗力衰減的結(jié)構(gòu)可靠度分析上。這種方法將抗力作為時變隨機變量，將荷載視為隨機變量或隨機過程，比較準確地反映了結(jié)構(gòu)的實際情況。如果再引入結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟因素，從經(jīng)濟角度來進行結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測，將是較為理想的研究方向。 3、提高鋼筋混凝土耐久性的措施 3.1采用高性能混凝土提高鋼筋混凝土耐久性 高性能混凝土的核心是保證耐久性。高性能混凝土在配制上的特點是低水灰比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水和骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物集料和高效減水劑，減少水泥用量，減少混凝土內(nèi)部孔隙率，減少體積收縮，提高強度，提高耐久性。 （1）摻入高效減水劑：在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減少水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細管孔隙率大幅度降低。水泥在加水攪拌后，會產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)，在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中，包裹著許多拌和水，從而降低了新拌混凝土的工作性。施工中為了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必須在拌和時相應(yīng)地增加用水量，這樣就會促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過多的孔隙。當加入的減水劑定向排列，使水泥質(zhì)點表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下，不但使水泥體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，同時使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來，因而達到減水的目的。許多研究表明，當水灰比降低到0.38以下時，消除毛細管孔隙的目標便可以實現(xiàn)，而摻入高效減水劑，完全可以將水灰比降低到0.38以下。 （2）摻入高效活性礦物摻料：普通水泥混凝土的水泥石中水化物穩(wěn)定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中摻入活性礦物的目的，在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成?；钚缘V物摻料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3，它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化碳酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化碳酸鈣，從而達到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透通路。此外，還能改善集料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能。這些重要的作用，對增進混凝土的耐久性及強度都有本質(zhì)性的貢獻。 （3）消除混凝土自身的結(jié)構(gòu)破壞因素：除了環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞以外，混凝土本身的一些物理化學(xué)因素，也可能引起混凝土結(jié)構(gòu)的嚴重破壞，致使混凝土失效。例如，混凝土的化學(xué)收縮和干縮過大引起的開裂，水化性過熱過高引起的溫度裂縫，硫酸鋁的延遲生成，以及混凝土的堿骨料反應(yīng)等。 3.2 鋼筋銹蝕的防護 （1）采用鋼筋阻銹劑提高鋼筋的抗蝕能力：在拌制混凝土時加入阻銹劑可提高混凝土的抗蝕能力。遷移型阻銹劑是近年來提出的全新概念，它可外涂，雖然不如內(nèi)摻效果好，但它遷移到鋼筋表面的這種性能是有重要意義的。遷移型阻銹劑并不降低混凝土的力學(xué)性能；和易性、吸水性等物理性能沒有任何改變；相反可以提高混凝土的高溫（可達6）拉伸強度、彎曲強度。電化學(xué)研究表明，遷移型阻銹劑可顯著降低腐蝕速度，且這種作用對低強混凝土比對高強混凝土更明顯。它通過在鋼筋表面形成保護膜來抑制電化學(xué)反應(yīng)。 （2）采用鋼筋表面防護來提高鋼筋混凝土耐久性：鋼筋的表面防護可分為金屬的表面防護和非金屬的表面防護。鍍鋅是常用的金屬表面防護措施。它既可以使鋼筋和外界環(huán)境隔離，又可起到犧牲陽極的保護作用。非金屬表面防護主要有環(huán)氧和聚合體樹酯等。各種鋼筋的表面防護對策已相繼出臺，其中混凝土防腐蝕較為經(jīng)典的一種方法是使用熱浸鍍鋅鋼筋（HDGR）；此外，環(huán)氧樹酯涂層鋼筋（ECR）也是很有代表性的有效方法。由于二者的防腐蝕機理不同，哪一種對鋼筋防腐蝕效果最佳不能一概而論，應(yīng)該視具體情況而定。 3.3采用混凝土表面涂敷涂料提高鋼筋混凝土耐久性 混凝土表面涂敷涂料適用于混凝土表層封閉應(yīng)具有如下一些特點：穩(wěn)定性好，該涂料在大氣、淡水、海水及酸堿溶液等介質(zhì)中長期穩(wěn)定；物理機械性能好，該涂料附著力強，涂層堅硬耐磨，耐熱性及電絕緣性好；密封性能好，該涂料涂刷后能完全密閉混凝土表面，耐水、耐濕；保護周期長，使用壽命在12年以上；施工方便，既適合手工涂刷，又適合機械噴涂。 對混凝土構(gòu)筑物的保護目前廣泛應(yīng)用的海工防腐涂料有環(huán)氧樹酯、聚氨酯、丙烯酸樹酯及氯化橡膠等，它們都有優(yōu)良的防腐性能。利用這類材料分子聚合度較高，固化后所形成的固態(tài)膜（膜厚一般幾百微米）分子空間構(gòu)造較密實的特點，作為混凝土構(gòu)筑物的防腐蝕覆蓋面，完全封閉混凝土表面，使混凝土與腐蝕介質(zhì)隔離開，不與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生直接接觸，來達到防護目的。隨著世界各國環(huán)保意識的增強，出現(xiàn)了許多有發(fā)展前景的高性能、環(huán)保型新涂料新技術(shù)。滲透性防護劑對混凝土具有物理隔離和化學(xué)隔離的雙重防護。它是一種無機滲透性溶膠，能通過毛細管壓力作用或與水一起通過毛細壓力作用由孔隙及毛細孔向混凝土內(nèi)部滲透與混凝土中的液相水和游離氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成濕潤的凝膠堵塞孔隙，有效阻止了水和有害侵蝕性介質(zhì)的進入，使混凝土中氫氧化鈣不流失，從而保護了混凝土。 4、結(jié)語 最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)為結(jié)構(gòu)初始設(shè)計與全生命周期內(nèi)經(jīng)營維修決策的結(jié)合。設(shè)計者的任務(wù)在于如何平衡結(jié)構(gòu)的費用、安全度與服務(wù)質(zhì)量三者之間的關(guān)系。因而有必要建立全生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能和維修決策模型。設(shè)計者必須面對兩個挑戰(zhàn)：如何建立結(jié)構(gòu)未來的荷載、腐蝕和安全模型及如何刻劃包括人為因素在內(nèi)的動態(tài)過程；如何建立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全生命周期內(nèi)的優(yōu)化決策模型（如Markov決策模型等），從