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摘要混凝土结构是土建工程中广泛采用的结构形式,对混凝土结构的耐久性进行深入的研究意义重大。本文从目前我国混凝土结构耐久性设计研究的方法、混凝土结构耐久性损伤的影响因素及混凝土结构耐久性损伤机理和成因研究、混凝土结构耐久性需要继续深入研究的问题等方面进行了总结阐述。
关键词混凝土结构 耐久性 损伤机理
中图分类号:TU528文献标识码:A
1 混凝土结构耐久性概述
所谓混凝土结构的耐久性,是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。虽然在很多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性和耐久性,但是这一宗旨并没有充分体现在具体的设计条文中,使得以往的乃至现在的工程结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象,这就使得结构的耐久性设计势在必行。
目前我国混凝土结构耐久性设计方法的研究可分成两种:第一种方法来源于欧洲CEB耐久性设计规范,仅解决了耐久性设计的构造要求部分。欧洲CEB耐久性设计规范对口到我国现行规范体系应是施工及验收规范和建筑设计规范,如其中的水灰比控制、防水节点大样等。欧洲CEB耐久性设计规范中有些条文也不适合我国国情,如为了防止钢筋锈蚀,提高混凝土结构的耐久性,CEB采用加大混凝土结构保护层厚度的办法,而我国除了在《混凝土结构设计规范》中规定了各类构件的最小保护层厚度外,还在混凝土配合比设计中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的办法以及在实际工程中采用在混凝土构件表面涂刷环氧改性材料,来保证混凝土构件在设计使用期内具有足够的耐久性。第二种方法认为混凝土结构耐久性设计应包括两部分:计算和验算部分,以及构造要求部分。而其中的计算和验算部分是混凝土耐久性设计的关键,它要分析出抗力与荷载随时间变化的规律,使新设计的结构有明确的目标使用期,使改建扩建结构同原有结构有相同的有效使用寿命,达到安全、适用、经济和耐久的建设目的。
2 混凝土结构耐久性的研究现状
混凝土结构的耐久性是由混凝土本身的特性和所处环境的侵蚀性两方面决定的。耐久性损伤的外观表现形式有:出现裂缝、断面缺损和变质等。除了内部缺陷和荷载作用引起的损伤外,引起混凝土结构耐久性损伤的原因可以归纳为五类:(1)电化学等作用引起的钢筋锈蚀;(2)酸、碱、盐等化学侵蚀及碱骨料反应等内部化学作用;(3)冻融循环、霜冻及干摍、徐变、风化等物理作用;(4)磨损、冲蚀及机械作用;(5)高温及火灾作用。实际上,混凝土结构的破坏很少是由于单一因素造成的,引起破坏的几种化学和物理作用常常紧密交叉、同时作用,这体现了混凝土耐久性问题的复杂性。
由混凝土结构耐久性损伤的影响因素可以看出,要对混凝土结构耐久性损伤机理和成因进行研究,必须从以下几个方面进行综合研究。
2.1 从材料层次对耐久性的研究
从材料角度上对结构耐久性进行研究,是混凝土结构耐久性研究的基本手段。引起混凝土结构材料性能劣化的原因不同,研究的内容和方法也不同。从已有的研究文献来看,研究最多的是大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。
混凝土原本对于钢筋具有良好的防锈能力,但各种不利因素(如混凝土表面微裂,雨水和空气中的水分,二氧化碳的侵蚀等)的作用导致钢筋表面钝化膜遭到破坏,当有氧和水存在时,钢筋开始锈蚀,其力学性能有较大变化。同时,钢筋锈蚀到一定程度后,锈蚀产物产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂,从而使钢筋的锈蚀速度进一步加大,握裹力降低,从而导致构件因承载能力的不足引起构件耐久使用年限的降低。一般认为,混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度、混凝土保护层厚度及钢筋直径有关。在混凝土结构中钢筋锈蚀可分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀。钢筋是否锈蚀,很大程度上依赖于混凝土的密实性。
研究表明,使钢筋的钝化膜遭到破坏的主要因素有四点:(1)当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋的钝化膜;(2)由CL—的作用破坏钢筋的钝化膜;(3)由于SO42—离子或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度及PH值降低导致钝化膜破坏;(4)混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥,导致钝化膜破坏或根本不生成钝化膜。
降低混凝土中钢筋锈蚀的措施包括:通过适当降低水灰比、选用矿渣硅酸盐水泥、采用不是海砂的细骨料、掺用不含氯盐的外加剂、提高混凝土保护层厚度、适当增加混凝土的搅拌时间和振捣力度等方法以保证混凝土的密实性,使混凝土中的钢筋处于碱性环境中。施工时应重视钢筋的除锈,还可使用环氧涂层钢筋。通过混凝土的表面处理,如涂抹防水涂料等形成保护层活作表面装饰层等使混凝土结构不长期裸露于空气中或水中。采用阴极保护法(包括牺牲阳极法和外加电流法),其中外加电流法应注意防止钢筋的氢锈破坏、防止加剧混凝土的碱骨料反应、防止过大的保护电流对混凝土与钢筋之间的粘结强度可能产生的不利影响。
2.2 从构件层次对耐久性的研究
在腐蚀环境中,当混凝土结构的材料发生劣化后,结构构件的承载力和适用性也随之降低,从而影响结构的安全和正常使用。
试验表明,受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土之间粘结性能的变化3中因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀后其截面面积的减小,当钢筋的锈蚀量较小时(5%),钢筋强度变化不大,承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化。锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的变化比较复杂,在锈蚀量较小时(1%),粘结强度随钢筋锈蚀量的增加有所提高,但随钢筋锈蚀量的进一步加大,粘结强度将明显下降,这一变化过程与钢筋锈蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关。
目前,对受腐蚀钢筋混凝土构件的力学性能的研究大都集中在静态方面,对动态性能和疲劳性能的研究尚不多见,这是一个需要加强研究的方面。
2.3 从结构层次对耐久性的研究
混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决拟建混凝土结构的耐久性设计和现役结构的耐久性评估,钢筋混凝土结构是由多种构件组成的结构体系,在钢筋遭受腐蚀后,构件性能的劣化,最终会影响整个结构的安全。
对拟建混凝土结构进行耐久性设计,提高结构的安全性和耐久性已成为全世界关注的重大课题。目前,我国混凝土耐久性设计的研究有两种理论。第一种理论认为,在进行混凝土结构耐久性设计之前,首先要进行结构的工作环境分类,然后确定结构的设计使用寿命,最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。针对这部分的研究比较多。但基于这种理论的计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致。第二种理论认为,混凝土结构耐久性设计应包括两部分:计算和验算部分以及构造要求部分。基于这种理论,李田、刘西拉等学者提出:S≤R,其中,S为内力设计值,R为结构构件的抗力设计值,为耐久性系数,是结构可靠度指标的函数。这种设计方法形式简单,耐久性含义明确,且与现行规范采用的极限状态设计方法相一致。但由于耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要对实际结构抗力衰减规律进行实测统计,进一步找出抗力随机衰减过程分析模型。由于每个地区抗力衰减规律难以统计,并且即使是同一地区,由于使用环境不同,其抗力衰减规律也有所不同。因此,耐久性系数的计算不易实现,所以这种方法还需深入研究。
3 混凝土结构耐久性研究方向
3.1 材料破坏细观机理与宏观力学性能相关的研究
基于混凝土微裂缝的产生、扩展是一个典型的损伤发育和演化过程,现代损伤力学是研究这个过程的强有力的手段。因此,以现代材料测试手段为基础,通过试验测量及理论分析,获得在非力学破坏因素作用下混凝土细观结构的状态改变量及相对应的宏观性能指标的变化量,结合损伤力学的理论,建立混凝土耐久性衰减过程的损伤力学模型,以此来研究混凝土的耐久性破坏过程,进而可以此模型对混凝土结构的耐久性进行评估。
3.2 结合工程建立耐久性衰减或预测的多因素模型
由于目前国内外对混凝土结构耐久性的研究主要是在实验室中针对某一具体影响因素展开的研究,而实际环境中混凝土结构遭受着冻融、碳化、钢筋锈蚀等多种破坏因素的影响,其影响因素涉及材料、环境、受力状况等诸多方面。因此,应该发展结构全生命周期内的耐久性研究技术,结合实际存在的多种因素影响模式建立基于工程实际条件的耐久性衰减或预测多因素模型,这应该是混凝土结构耐久性研究的主要方向之一。
3.3 混凝土结构耐久性设计方法的研究
欲真正实现混凝土结构耐久性设计,必须确定出类似结构强度设计那样的设计参数。该设计参数是混凝土结构性能的特征参数。为此,需事先确定衡量混凝土结构耐久性的评定指标以及由此指标的损失率表示的混凝土结构耐久性完全失效的判定标准,还需确定混凝土结构性能退化规律即耐久性衰减规律或衰减模型。知道了混凝土结构耐久性失效标准和耐久性衰减规律,即可根据结构设计使用寿命确定混凝土结构的性能参数。该性能参数对于混凝土材料而言,可以用以确定混凝土的配合比,确定出的配合比参数与强度设计的配合比参数比较,取两者的较严格的参数。混凝土材料的该性能参数可能是混凝土的孔结构参数或其它细观结构参数,总之,其可以反映混凝土的本质特征。
3.4 混凝土结构耐久性检测与评估方法的研究
目前有关混凝土结构耐久性评估都存在着效率较低,成本高、准确率较差、主观经验性的内容较多等不足之处,主要原因之一就是混凝土结构耐久性检测技术尚不发达,评估方法还不很科学。所以,研究开发新的结构耐久性检测技术尤其是高效准确的无损检测技术,将是混凝土结构耐久性研究领域很有应用前景的发展方向。
总之,混凝土结构耐久性的研究具有巨大的现实意义和应用价值。
参考文献
[1]张轲等.混凝土结构耐久性破坏及对策研究[J].建筑技术开发,2002(5).
[2]李田,刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计.北京:科学出版社,1999.
[3]卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑,1997(5).
[4]惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估和预测试验研究[J].工业建筑,1997(6).
[5]丁大钧,蒋永生.土木工程总论.中国建筑工业出版社,1997.
[6]牛荻涛等.锈蚀开裂后混凝土中钢筋锈蚀量的预测[J].工业建筑,1996(4).
关键词混凝土结构 耐久性 损伤机理
中图分类号:TU528文献标识码:A
1 混凝土结构耐久性概述
所谓混凝土结构的耐久性,是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。虽然在很多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性和耐久性,但是这一宗旨并没有充分体现在具体的设计条文中,使得以往的乃至现在的工程结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象,这就使得结构的耐久性设计势在必行。
目前我国混凝土结构耐久性设计方法的研究可分成两种:第一种方法来源于欧洲CEB耐久性设计规范,仅解决了耐久性设计的构造要求部分。欧洲CEB耐久性设计规范对口到我国现行规范体系应是施工及验收规范和建筑设计规范,如其中的水灰比控制、防水节点大样等。欧洲CEB耐久性设计规范中有些条文也不适合我国国情,如为了防止钢筋锈蚀,提高混凝土结构的耐久性,CEB采用加大混凝土结构保护层厚度的办法,而我国除了在《混凝土结构设计规范》中规定了各类构件的最小保护层厚度外,还在混凝土配合比设计中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的办法以及在实际工程中采用在混凝土构件表面涂刷环氧改性材料,来保证混凝土构件在设计使用期内具有足够的耐久性。第二种方法认为混凝土结构耐久性设计应包括两部分:计算和验算部分,以及构造要求部分。而其中的计算和验算部分是混凝土耐久性设计的关键,它要分析出抗力与荷载随时间变化的规律,使新设计的结构有明确的目标使用期,使改建扩建结构同原有结构有相同的有效使用寿命,达到安全、适用、经济和耐久的建设目的。
2 混凝土结构耐久性的研究现状
混凝土结构的耐久性是由混凝土本身的特性和所处环境的侵蚀性两方面决定的。耐久性损伤的外观表现形式有:出现裂缝、断面缺损和变质等。除了内部缺陷和荷载作用引起的损伤外,引起混凝土结构耐久性损伤的原因可以归纳为五类:(1)电化学等作用引起的钢筋锈蚀;(2)酸、碱、盐等化学侵蚀及碱骨料反应等内部化学作用;(3)冻融循环、霜冻及干摍、徐变、风化等物理作用;(4)磨损、冲蚀及机械作用;(5)高温及火灾作用。实际上,混凝土结构的破坏很少是由于单一因素造成的,引起破坏的几种化学和物理作用常常紧密交叉、同时作用,这体现了混凝土耐久性问题的复杂性。
由混凝土结构耐久性损伤的影响因素可以看出,要对混凝土结构耐久性损伤机理和成因进行研究,必须从以下几个方面进行综合研究。
2.1 从材料层次对耐久性的研究
从材料角度上对结构耐久性进行研究,是混凝土结构耐久性研究的基本手段。引起混凝土结构材料性能劣化的原因不同,研究的内容和方法也不同。从已有的研究文献来看,研究最多的是大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。
混凝土原本对于钢筋具有良好的防锈能力,但各种不利因素(如混凝土表面微裂,雨水和空气中的水分,二氧化碳的侵蚀等)的作用导致钢筋表面钝化膜遭到破坏,当有氧和水存在时,钢筋开始锈蚀,其力学性能有较大变化。同时,钢筋锈蚀到一定程度后,锈蚀产物产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂,从而使钢筋的锈蚀速度进一步加大,握裹力降低,从而导致构件因承载能力的不足引起构件耐久使用年限的降低。一般认为,混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度、混凝土保护层厚度及钢筋直径有关。在混凝土结构中钢筋锈蚀可分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀。钢筋是否锈蚀,很大程度上依赖于混凝土的密实性。
研究表明,使钢筋的钝化膜遭到破坏的主要因素有四点:(1)当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋的钝化膜;(2)由CL—的作用破坏钢筋的钝化膜;(3)由于SO42—离子或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度及PH值降低导致钝化膜破坏;(4)混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥,导致钝化膜破坏或根本不生成钝化膜。
降低混凝土中钢筋锈蚀的措施包括:通过适当降低水灰比、选用矿渣硅酸盐水泥、采用不是海砂的细骨料、掺用不含氯盐的外加剂、提高混凝土保护层厚度、适当增加混凝土的搅拌时间和振捣力度等方法以保证混凝土的密实性,使混凝土中的钢筋处于碱性环境中。施工时应重视钢筋的除锈,还可使用环氧涂层钢筋。通过混凝土的表面处理,如涂抹防水涂料等形成保护层活作表面装饰层等使混凝土结构不长期裸露于空气中或水中。采用阴极保护法(包括牺牲阳极法和外加电流法),其中外加电流法应注意防止钢筋的氢锈破坏、防止加剧混凝土的碱骨料反应、防止过大的保护电流对混凝土与钢筋之间的粘结强度可能产生的不利影响。
2.2 从构件层次对耐久性的研究
在腐蚀环境中,当混凝土结构的材料发生劣化后,结构构件的承载力和适用性也随之降低,从而影响结构的安全和正常使用。
试验表明,受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土之间粘结性能的变化3中因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀后其截面面积的减小,当钢筋的锈蚀量较小时(5%),钢筋强度变化不大,承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化。锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的变化比较复杂,在锈蚀量较小时(1%),粘结强度随钢筋锈蚀量的增加有所提高,但随钢筋锈蚀量的进一步加大,粘结强度将明显下降,这一变化过程与钢筋锈蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关。
目前,对受腐蚀钢筋混凝土构件的力学性能的研究大都集中在静态方面,对动态性能和疲劳性能的研究尚不多见,这是一个需要加强研究的方面。
2.3 从结构层次对耐久性的研究
混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决拟建混凝土结构的耐久性设计和现役结构的耐久性评估,钢筋混凝土结构是由多种构件组成的结构体系,在钢筋遭受腐蚀后,构件性能的劣化,最终会影响整个结构的安全。
对拟建混凝土结构进行耐久性设计,提高结构的安全性和耐久性已成为全世界关注的重大课题。目前,我国混凝土耐久性设计的研究有两种理论。第一种理论认为,在进行混凝土结构耐久性设计之前,首先要进行结构的工作环境分类,然后确定结构的设计使用寿命,最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。针对这部分的研究比较多。但基于这种理论的计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致。第二种理论认为,混凝土结构耐久性设计应包括两部分:计算和验算部分以及构造要求部分。基于这种理论,李田、刘西拉等学者提出:S≤R,其中,S为内力设计值,R为结构构件的抗力设计值,为耐久性系数,是结构可靠度指标的函数。这种设计方法形式简单,耐久性含义明确,且与现行规范采用的极限状态设计方法相一致。但由于耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要对实际结构抗力衰减规律进行实测统计,进一步找出抗力随机衰减过程分析模型。由于每个地区抗力衰减规律难以统计,并且即使是同一地区,由于使用环境不同,其抗力衰减规律也有所不同。因此,耐久性系数的计算不易实现,所以这种方法还需深入研究。
3 混凝土结构耐久性研究方向
3.1 材料破坏细观机理与宏观力学性能相关的研究
基于混凝土微裂缝的产生、扩展是一个典型的损伤发育和演化过程,现代损伤力学是研究这个过程的强有力的手段。因此,以现代材料测试手段为基础,通过试验测量及理论分析,获得在非力学破坏因素作用下混凝土细观结构的状态改变量及相对应的宏观性能指标的变化量,结合损伤力学的理论,建立混凝土耐久性衰减过程的损伤力学模型,以此来研究混凝土的耐久性破坏过程,进而可以此模型对混凝土结构的耐久性进行评估。
3.2 结合工程建立耐久性衰减或预测的多因素模型
由于目前国内外对混凝土结构耐久性的研究主要是在实验室中针对某一具体影响因素展开的研究,而实际环境中混凝土结构遭受着冻融、碳化、钢筋锈蚀等多种破坏因素的影响,其影响因素涉及材料、环境、受力状况等诸多方面。因此,应该发展结构全生命周期内的耐久性研究技术,结合实际存在的多种因素影响模式建立基于工程实际条件的耐久性衰减或预测多因素模型,这应该是混凝土结构耐久性研究的主要方向之一。
3.3 混凝土结构耐久性设计方法的研究
欲真正实现混凝土结构耐久性设计,必须确定出类似结构强度设计那样的设计参数。该设计参数是混凝土结构性能的特征参数。为此,需事先确定衡量混凝土结构耐久性的评定指标以及由此指标的损失率表示的混凝土结构耐久性完全失效的判定标准,还需确定混凝土结构性能退化规律即耐久性衰减规律或衰减模型。知道了混凝土结构耐久性失效标准和耐久性衰减规律,即可根据结构设计使用寿命确定混凝土结构的性能参数。该性能参数对于混凝土材料而言,可以用以确定混凝土的配合比,确定出的配合比参数与强度设计的配合比参数比较,取两者的较严格的参数。混凝土材料的该性能参数可能是混凝土的孔结构参数或其它细观结构参数,总之,其可以反映混凝土的本质特征。
3.4 混凝土结构耐久性检测与评估方法的研究
目前有关混凝土结构耐久性评估都存在着效率较低,成本高、准确率较差、主观经验性的内容较多等不足之处,主要原因之一就是混凝土结构耐久性检测技术尚不发达,评估方法还不很科学。所以,研究开发新的结构耐久性检测技术尤其是高效准确的无损检测技术,将是混凝土结构耐久性研究领域很有应用前景的发展方向。
总之,混凝土结构耐久性的研究具有巨大的现实意义和应用价值。
参考文献
[1]张轲等.混凝土结构耐久性破坏及对策研究[J].建筑技术开发,2002(5).
[2]李田,刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计.北京:科学出版社,1999.
[3]卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑,1997(5).
[4]惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估和预测试验研究[J].工业建筑,1997(6).
[5]丁大钧,蒋永生.土木工程总论.中国建筑工业出版社,1997.
[6]牛荻涛等.锈蚀开裂后混凝土中钢筋锈蚀量的预测[J].工业建筑,1996(4).