混凝土結(jié)構(gòu)耐久性講座

1、1 1 結(jié)構(gòu)耐久性結(jié)構(gòu)耐久性我國的我國的建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50068-2001)(GB50068-2001)的總則中，明確指出結(jié)構(gòu)在規(guī)定的的總則中，明確指出結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求：設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求：(1) (1) 正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；(2) (2) 在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；(3) (3) 在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性; ; (4) (4) 在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生后在設(shè)計(jì)規(guī)定

2、的偶然事件發(fā)生后, ,仍能保持必要的整體穩(wěn)定性。仍能保持必要的整體穩(wěn)定性。第第(1)(1)、第、第(4)(4)兩項(xiàng)是結(jié)構(gòu)安全性的要求，第兩項(xiàng)是結(jié)構(gòu)安全性的要求，第(2)(2)項(xiàng)是結(jié)構(gòu)適用性的要求，第項(xiàng)是結(jié)構(gòu)適用性的要求，第(3)(3)項(xiàng)是結(jié)構(gòu)耐久性項(xiàng)是結(jié)構(gòu)耐久性的要求，從結(jié)構(gòu)的功能要求可以看出，結(jié)構(gòu)的耐久性與其安全性、適用性屬同一范疇，同樣是的要求，從結(jié)構(gòu)的功能要求可以看出，結(jié)構(gòu)的耐久性與其安全性、適用性屬同一范疇，同樣是保證結(jié)構(gòu)可靠性不可缺少的條件，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)可靠性要求。保證結(jié)構(gòu)可靠性不可缺少的條件，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)可靠性要求?；炷两Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性

3、能劣化、出混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境和使用條件下，隨著時(shí)間的推移，材料逐漸老化和結(jié)構(gòu)性能劣化、出現(xiàn)損傷甚至損壞，是一個(gè)不可逆的過程。它不是直接由力學(xué)因素引起的。是物理化學(xué)作用的結(jié)果，現(xiàn)損傷甚至損壞，是一個(gè)不可逆的過程。它不是直接由力學(xué)因素引起的。是物理化學(xué)作用的結(jié)果，繼而影響到建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)的承載力，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。繼而影響到建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)的承載力，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。 2 2 結(jié)構(gòu)耐久性研究的意義結(jié)構(gòu)耐久性研究的意義l 環(huán)境引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞普遍性和造成損失巨大性環(huán)境引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞普遍性和造成損失巨大性 美國美國57.5萬座鋼筋混凝土橋中有一半以上出現(xiàn)腐蝕破壞，萬座

4、鋼筋混凝土橋中有一半以上出現(xiàn)腐蝕破壞，40%承載力不足需要修復(fù)加固處理。承載力不足需要修復(fù)加固處理。 1998年美國全年腐蝕損失約為年美國全年腐蝕損失約為2500億美元，其中混凝土橋梁修復(fù)費(fèi)用為億美元，其中混凝土橋梁修復(fù)費(fèi)用為1550億美元。到億美元。到20世世紀(jì)末，為更換或修復(fù)破損公路混凝土橋面板，估計(jì)耗資紀(jì)末，為更換或修復(fù)破損公路混凝土橋面板，估計(jì)耗資4000億美元，其大部分是由鋼筋銹蝕引億美元，其大部分是由鋼筋銹蝕引起的。起的。 瑞士公路系統(tǒng)約有瑞士公路系統(tǒng)約有3000座橋梁，每年用于橋面檢測(cè)及維護(hù)費(fèi)用達(dá)座橋梁，每年用于橋面檢測(cè)及維護(hù)費(fèi)用達(dá)8000萬瑞士法郎，修理或萬瑞士法郎，修理或更換

5、費(fèi)用就更高。更換費(fèi)用就更高。 日本每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用即達(dá)日本每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修費(fèi)用即達(dá)400億日元，其新干線使用不到億日元，其新干線使用不到10年出現(xiàn)大面積混年出現(xiàn)大面積混凝土開裂剝蝕現(xiàn)象。凝土開裂剝蝕現(xiàn)象。 我國有漫長(zhǎng)的海岸線、廣闊的鹽堿地帶以及北方仍大量使用除冰鹽的地區(qū)，都存在鹽害我國有漫長(zhǎng)的海岸線、廣闊的鹽堿地帶以及北方仍大量使用除冰鹽的地區(qū)，都存在鹽害問題。問題。 據(jù)估計(jì)我國據(jù)估計(jì)我國1999年底一年內(nèi)由腐蝕造成損失約年底一年內(nèi)由腐蝕造成損失約18003600億元，其中鋼筋腐蝕占億元，其中鋼筋腐蝕占40%。我。我國環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，國環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，1988工業(yè)生產(chǎn)過程排

6、放工業(yè)生產(chǎn)過程排放SO 為為2090萬噸，酸雨覆蓋國土面積達(dá)到萬噸，酸雨覆蓋國土面積達(dá)到30% 。 過去為解決居住需要和促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)，建造過不少質(zhì)量不高的民用房屋和工業(yè)廠房。結(jié)構(gòu)過去為解決居住需要和促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)，建造過不少質(zhì)量不高的民用房屋和工業(yè)廠房。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅能滿足安全可靠的要求，而對(duì)耐久性要求考慮不足，且由于忽視維修保養(yǎng)，現(xiàn)有建筑物設(shè)計(jì)僅能滿足安全可靠的要求，而對(duì)耐久性要求考慮不足，且由于忽視維修保養(yǎng)，現(xiàn)有建筑物老化現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。截至老化現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。截至20世紀(jì)末，有近世紀(jì)末，有近23.4億億m 建筑物進(jìn)入老齡期，處于提前退役的局面。建筑物進(jìn)入老齡期，處于提前退役的局面。鐵路部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

7、（陳肇元鐵路部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（陳肇元 2004）1994橋梁劣化比例 6137/33600 = 18.8%維護(hù)費(fèi)用 4 億 RMB2002橋梁維修比例 8000孔/120000孔=6.6%2003橋梁失效比例 7352/40000 = 18%隧道失效比例 3711/5700 = 65%耐久性破壞圖片耐久性破壞圖片中國美術(shù)館中國美術(shù)館耐耐久久性性破破壞壞圖片圖片室內(nèi)釣魚館，1996年建f=10-15MPa（使用9年）型鋼車間廠房柱，1977年建，（使用27年）露天棧橋1976年建 1970年建鑄鐵車間排架柱16層框剪1995年建f=45-58MPa，c=2-9mm23層框剪1994年建c=3-8mm

8、l提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，是可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，是可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。第一階段：大規(guī)模新建第一階段：大規(guī)模新建第二階段：新建與維修改造并重第二階段：新建與維修改造并重第三階段：重點(diǎn)轉(zhuǎn)向舊建筑物的維修改造第三階段：重點(diǎn)轉(zhuǎn)向舊建筑物的維修改造我國建筑業(yè)正處于新建與改造共存階段我國建筑業(yè)正處于新建與改造共存階段 我國現(xiàn)有建筑物使用壽命延長(zhǎng)一年，相當(dāng)于新建上億平方米房屋，或相當(dāng)于創(chuàng)造幾百億的效我國現(xiàn)有建筑物使用壽命延長(zhǎng)一年，相當(dāng)于新建上億平方米房屋，或相當(dāng)于創(chuàng)造幾百億的效益?？梢杂行Ч?jié)約資源和減少對(duì)環(huán)境污染，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究能夠帶來巨

9、大的經(jīng)濟(jì)效益和社益?？梢杂行Ч?jié)約資源和減少對(duì)環(huán)境污染，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究能夠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。會(huì)效益。承 載 力 控 制 界 限銹 脹 開 裂開 始 銹 蝕結(jié) 構(gòu) 性 能 退 化 示 意 圖 工程實(shí)踐表明：混凝土中的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化的最主要因素。工程實(shí)踐表明：混凝土中的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化的最主要因素。一般室內(nèi)環(huán)境的建筑：通常可以維持一般室內(nèi)環(huán)境的建筑：通?？梢跃S持50年以上；年以上；室外環(huán)境：室外環(huán)境：30-40年即需要維修年即需要維修;南方潮濕地區(qū)：南方潮濕地區(qū)：20-30年即需要維修；年即需要維修；重工業(yè)建筑：使用重工業(yè)建筑：使用25-30年即需大修；年即需

10、大修；惡劣環(huán)境下建筑：一般惡劣環(huán)境下建筑：一般10-20年就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害。年就出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害。3 3 結(jié)構(gòu)耐久性研究的概況結(jié)構(gòu)耐久性研究的概況1957年美國混凝土學(xué)會(huì)年美國混凝土學(xué)會(huì)(ACI)成立成立“ACI-201委員會(huì)委員會(huì)”，負(fù)責(zé)指導(dǎo)和協(xié)調(diào)混凝土耐久性方面的研究；，負(fù)責(zé)指導(dǎo)和協(xié)調(diào)混凝土耐久性方面的研究；1992年年ACI-201委員會(huì)編制委員會(huì)編制“耐久性混凝土指南耐久性混凝土指南”；1995年歐共體資助了一項(xiàng)名為年歐共體資助了一項(xiàng)名為DuraCrete的研究項(xiàng)目，旨在發(fā)展以性能和可靠度分析為基礎(chǔ)的混凝的研究項(xiàng)目，旨在發(fā)展以性能和可靠度分析為基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法，歐洲各國有土結(jié)構(gòu)

11、耐久性設(shè)計(jì)方法，歐洲各國有12個(gè)單位參加，出版了許多研究報(bào)告，并在個(gè)單位參加，出版了許多研究報(bào)告，并在2000年提出了一份年提出了一份名為名為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南的技術(shù)文件。這些文件在西方國家工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。的技術(shù)文件。這些文件在西方國家工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。1987年在美國召開年在美國召開 “第一屆混凝土耐久性會(huì)議第一屆混凝土耐久性會(huì)議”；1991年美國和加拿大聯(lián)合召開年美國和加拿大聯(lián)合召開“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性混凝土結(jié)構(gòu)耐久性”國際會(huì)議；國際會(huì)議； 1999年、年、2000年國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究聯(lián)合會(huì)召開年國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究聯(lián)合會(huì)召開“混凝土結(jié)構(gòu)

12、壽命預(yù)測(cè)和耐久性設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)和耐久性設(shè)計(jì)”國際會(huì)國際會(huì)議；議；2000年在西班牙召開年在西班牙召開“第五屆混凝土耐久性會(huì)議第五屆混凝土耐久性會(huì)議”。 我國在我國在20世紀(jì)世紀(jì)60年代，以南京水利科學(xué)研究院為首開始研究鋼筋銹蝕問題。年代，以南京水利科學(xué)研究院為首開始研究鋼筋銹蝕問題。 1991年成立了全國混凝土耐久性專業(yè)委員會(huì)；年成立了全國混凝土耐久性專業(yè)委員會(huì)； 自自2000年開始，中國工程院、國家自然科學(xué)基金委圍繞年開始，中國工程院、國家自然科學(xué)基金委圍繞“土建工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性土建工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性”連連續(xù)召開論壇會(huì)；續(xù)召開論壇會(huì)； 建設(shè)部、勞動(dòng)部設(shè)立混凝土耐久性的建

13、設(shè)部、勞動(dòng)部設(shè)立混凝土耐久性的“八五八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目；科技攻關(guān)項(xiàng)目； 1994年國家啟動(dòng)了土木工程領(lǐng)域唯一的攀登計(jì)劃項(xiàng)目年國家啟動(dòng)了土木工程領(lǐng)域唯一的攀登計(jì)劃項(xiàng)目“重大土木及水利工程安全性與耐久性重大土木及水利工程安全性與耐久性基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)研究”； 1995年設(shè)立年設(shè)立“九五九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目科技攻關(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土安全性研究重點(diǎn)工程混凝土安全性研究”； 國家基金委員會(huì)在國家基金委員會(huì)在2005年贊助二項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目研究混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題；年贊助二項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目研究混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題； 若干個(gè)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。若干個(gè)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。 “服役結(jié)構(gòu)可靠性分析與剩余壽命預(yù)測(cè)服

14、役結(jié)構(gòu)可靠性分析與剩余壽命預(yù)測(cè)”、 “多因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性多因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性”。 在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，中國工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)組織編制了在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，中國工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)組織編制了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)CECS220:2007， 中國土木工程學(xué)會(huì)編制了中國土木工程學(xué)會(huì)編制了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南，混混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T50476-2008，這些文件的問世對(duì)改善我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀況，這些文件的問世對(duì)改善我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性狀況起到良好作用。起到良好作用。 4

15、4 影響混凝土耐久性的因素影響混凝土耐久性的因素l結(jié)構(gòu)耐久性損傷的機(jī)理結(jié)構(gòu)耐久性損傷的機(jī)理 耐久性損傷是環(huán)境中有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起的。能否發(fā)生反應(yīng)則取決于耐久性損傷是環(huán)境中有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起的。能否發(fā)生反應(yīng)則取決于混凝土是否存在氣態(tài)或液態(tài)水，其環(huán)境條件有很大關(guān)系混凝土是否存在氣態(tài)或液態(tài)水，其環(huán)境條件有很大關(guān)系 。 混凝土內(nèi)部，較大的孔充滿著空氣，孔的表面覆蓋著一層被吸附的水膜，小孔內(nèi)可能充滿著潮混凝土內(nèi)部，較大的孔充滿著空氣，孔的表面覆蓋著一層被吸附的水膜，小孔內(nèi)可能充滿著潮濕空氣中的水分。環(huán)境中的氣體、水或者溶于水的物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部都是一個(gè)擴(kuò)散過程

16、。濕空氣中的水分。環(huán)境中的氣體、水或者溶于水的物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部都是一個(gè)擴(kuò)散過程。 水進(jìn)入混凝土內(nèi)部是一個(gè)滲透過程水進(jìn)入混凝土內(nèi)部是一個(gè)滲透過程 。水的滲透是由毛細(xì)管作用發(fā)生的，依賴于水分的蒸發(fā)、。水的滲透是由毛細(xì)管作用發(fā)生的，依賴于水分的蒸發(fā)、毛細(xì)管作用和壓力差的驅(qū)動(dòng)，溶解于水的物質(zhì)（碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽）也隨水遷移。毛細(xì)管作用和壓力差的驅(qū)動(dòng)，溶解于水的物質(zhì)（碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽）也隨水遷移。 混凝土表面潮濕時(shí)，混凝土由于毛細(xì)管吸附作用，處于飽和狀態(tài)，在水過剩的情況下，水的混凝土表面潮濕時(shí)，混凝土由于毛細(xì)管吸附作用，處于飽和狀態(tài)，在水過剩的情況下，水的遷移是一種吸附過程，毛細(xì)管吸附作用的

17、效果取決于毛細(xì)孔隙表面的張力。遷移是一種吸附過程，毛細(xì)管吸附作用的效果取決于毛細(xì)孔隙表面的張力?；炷量捉Y(jié)構(gòu)孔隙率孔徑分布侵蝕介質(zhì)氣體水溶解于水中的物質(zhì)遷移機(jī)理擴(kuò)散過程滲透過程吸附作用混凝土滲透性混凝土耐久性與其滲透能力和擴(kuò)散能力有關(guān)。混凝土耐久性與其滲透能力和擴(kuò)散能力有關(guān)。雜散電流引起Cl 侵蝕引起碳化(中性化)引起機(jī)械磨損沖 磨一般凍融破壞鹽凍破壞溶出型侵蝕表面磨損凍融破壞化學(xué)侵蝕鋼筋銹蝕堿-骨料反應(yīng)碳化(中性化)化學(xué)作用物理作用化學(xué)作用物理化學(xué)作用環(huán)境條件引起自身因素引起材料的耐久性劣化堿-硅酸反應(yīng)堿-碳酸鹽反應(yīng)堿-硅酸鹽反應(yīng)溶解型侵蝕膨脹型侵蝕空 蝕-1l影響混凝土耐久性的因素影響混凝

18、土耐久性的因素 混凝土強(qiáng)度偏低、混凝土保護(hù)層厚度太小等。混凝土強(qiáng)度偏低、混凝土保護(hù)層厚度太小等。水泥品種和規(guī)格、骨料品種和規(guī)格、水灰比、外加劑和引氣劑等。水泥品種和規(guī)格、骨料品種和規(guī)格、水灰比、外加劑和引氣劑等。 水灰比、過早拆模、澆搗不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。水灰比、過早拆模、澆搗不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。 氣候條件異常，如氣候突變，干濕環(huán)境交替頻繁；自然環(huán)境惡化，隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展氣候條件異常，如氣候突變，干濕環(huán)境交替頻繁；自然環(huán)境惡化，隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展造成酸雨，空氣質(zhì)量下降，結(jié)構(gòu)物周圍遭受到造成酸雨，空氣質(zhì)量下降，結(jié)構(gòu)物周圍遭受到CO2、SO2、H2SO3氣體或溶液侵蝕；建筑場(chǎng)地有害氣體或溶液侵蝕；建筑場(chǎng)地有害物質(zhì)侵入，如地基土有侵蝕性水，碳酸鹽及堿溶液侵入等。物質(zhì)侵入，如地基土有侵蝕性水，碳酸鹽及堿溶液侵入等。5 5 混凝土耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土耐久性研究的主要內(nèi)容l材料耐久性機(jī)理材料耐久性機(jī)理l在役結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)在役結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)l擬建結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)擬建結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)l提高耐久性的技術(shù)措施提高耐久性的技術(shù)措施混凝土結(jié)構(gòu)耐久性混凝土結(jié)構(gòu)耐久性材料耐久性材料耐