混凝土结构耐久性 结题报告Word文档下载推荐.docx
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【摘要】实现混凝土结构的高耐久性和长寿命,对于节能减排及可持续发展具有十分重要的现实意义。
混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键技术,这已成为业界的共识。
文章阐述了混凝土结构耐久性研究的重要意义,介绍了钢筋锈蚀、冻融破坏、碱-骨料反应等影响混凝土耐久性的因素,并具体分析混凝土结构的侵蚀与剥落问题提出解决方案。
最后,结合现有混凝土结构耐久性研究现状,提出了今后混凝土结构耐久性研究的发展。
【关键词】混凝土结构;
耐久性;
分析;
展望
引言
混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,是土木工程结构设计中的首选形式,是目前应用最广泛的结构。
虽然混凝土结构具有寿命长和较长时间无需维护的特点,但任何结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下,其功能将逐步衰减,这是一个不可逆的客观规律。
混凝土结构在外部因素及其自身内在因素作用下,其安全性和使用功能都将有所下降。
在这种情况下,混凝土结构耐久性问题就日益突出。
混凝土结构的耐久性问题已是国内外土木工程界的一个难题,也是当前国际结构工程学科重要的前沿研究领域之一。
本次报告主要通过分析影响混凝土结构耐久性的各项原因,以此为据,最后提出提高混凝土结构耐久性的方法措施。
第1章混凝土结构耐久性概述及研究意义
1.1混凝土结构耐久性概述[3][4]
混凝土结构耐久性是指结构在规定的使用年限内,在各种环境条件作用下,不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力[3]。
混凝土结构耐久性主要包括以下几个方面[3][4]:
1)抗侵蚀性。
混凝土结构的工作环境中必然会存在如空气、水、土壤等介质,这些气、液或固态物质中含有不同浓度的酸、盐、碱类等侵蚀性物质。
这些物质由于扩散及渗透作用进入混凝土内部后,会与其中相关成分发生物理化学反应,首先使混凝土表面逐渐发生绽裂剥落现象,进而引起混凝土内部钢筋的腐蚀,而钢筋锈蚀体积增大,又会加剧混凝土的绽裂剥落现象,因而侵蚀性物质更容易进入混凝土内部,如此恶性循环,最终导致混凝土结构的失效。
混凝土固有的多孔性导致了其抗渗性差,混凝土的抗渗性主要取决于水泥、石的孔结构和集料的性能。
抗侵蚀能力也是衡量混凝土结构耐久性的一个重要指标。
2)抗渗性。
混凝土抗渗性是指混凝土抵抗压力水(或油)渗透的能力,其直接影响混凝土的抗侵蚀性和抗冻性。
这是因为,具有侵蚀作用的化学物质一般通过水分的渗入进入混凝土内部,而抗渗性控制着水分渗入的速率,从而控制侵蚀性物质进入混凝土的速率。
混凝土的抗渗性主要与其密实度以及内部孔隙的大小和构造有关。
3)抗冻性。
混凝土抗冻性是指混凝土在饱和水的状态下,经历多次冻融循环,仍保持其原有性质或不显著降低原有性质的能力。
抗冻性与混凝土密实度、含水量以及内部孔隙大小和构造有直接的关系。
耐久性好的混凝土结构,其抗冻性能更是不言而喻的。
1.2混凝土结构耐久性的研究意义
现如今,钢筋混凝土结构是最常用的建筑结构形式之一。
由于对混凝土结构耐久性重视的不足,工程事故率和建筑维修费用不断增加。
在我国,由于在地下室构造、屋顶构造和防水设计、施工上考虑不周,经常出现厂房或房屋地下室潮湿、渗水,屋面檐口被推裂、漏水、结构开裂的现象。
由于混凝土结构耐久性的损伤对经济造成的损失已经引起业界的极大重视,对于混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键技术已成为共识,各国均投入大量的资金用于钢筋混凝土结构耐久性问题的研究。
在倡导节能减排和可持续发展的今天,实现混凝土结构的高耐久性和长寿命,具有十分重要的现实意义。
第2章混凝土结构耐久性的影响因素[3][4][5][6]
混凝土结构耐久性是一个综合性的问题,而影响混凝土结构耐久性的因素更是多方面的,下面主要从钢筋锈蚀、碱-骨料反应、冻融破坏和混凝土的碳化四个方面分析其对耐久性的影响:
1)钢筋锈蚀
钢筋锈蚀是对钢筋混凝土构件最具破坏性的因素之一,其破坏作用有:
导致构件承载能力的降低,减小了结构的安全储备;
导致构件延性的降低,甚至使延性破坏改变为脆性破坏;
导致构件刚度的降低,增大混凝土构件的变形,甚至使混凝土保护层剥落,影响混凝土构件的正常使用;
钢筋锈蚀后,除了使其本身有效截面积减小、屈服强度下降等,其与混凝土的黏结性能也会降低,使得钢筋混凝土构件在使用过程中,钢筋的强度不能被充分利用,从而与其他因素一起影响混凝土构件的使用性能和承载力;
钢筋锈蚀产生锈胀裂缝,引起混凝土保护层胀裂,进而加剧钢筋的锈蚀速度,大大影响钢筋混凝土构件的耐久性能。
以上破坏均有可能使建筑物存在各种安全隐患,导致伤亡事故的发生。
2)碱-骨料反应
碱-骨料反应也是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。
配置混凝土时,掺入的水泥、掺合料、骨料、外加剂和水等会带入一定数量的碱性物质,或者混凝土构件处于碱性的环境中,混凝土内的活性骨料就会与这些碱性物质发生破坏性膨胀反应。
该破坏相比较其他破坏来说,其所引起的开裂破坏是整体性的,并且目前没有有效的预防及修补措施。
碱-骨料反应导致混凝土膨胀产生裂缝,而裂缝的产生又会加快其他破坏性因素的发生,从而导致混凝土构件的综合破坏。
碱-骨料反应对结构力学性能影响不太大,但对结构耐久性的影响将是灾难性的。
因此,这类影响因素更是不容忽视的。
3)冻融破坏
冻融破坏是影响混凝土结构耐久性的重要因素。
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,这部分多余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。
当混凝土构件处于冰点以下的环境中时,混凝土内含的水就会结冰,体积膨胀,在混凝土内部形成各种压力,使混凝土内部产生损伤和裂缝,当压力反复发生,积累到一定程度就会引起结构破坏。
混凝土的冻融破坏机理研究始于20世纪30年代,有静水压假说、渗透压假说等,但由于混凝土冻融破坏的复杂性,至今尚无公认的完全反应混凝土冻融破坏机理的理论。
4)混凝土的碳化
大气中的二氧化碳会与水泥石中的碱性物质发生化学反应,使混凝土中的PH值下降的中性化过程称为混凝土的碳化。
由混凝土的表层开始,空气中的二氧化碳气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道,扩散到混凝土中,与其中的孔隙液所溶解的氢氧化钙进行中和反应。
反应产物为碳酸钙和水,生成的碳酸钙溶解度低,沉积于毛细孔中,使混凝土的脆性变大。
混凝土表层碳化后,大气中的二氧化碳继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散,更深入地进行碳化反应。
混凝土也因此变得质地疏松,强度降低。
另外,当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时,钢筋周围孔隙液的PH值将由碱性降低到偏中性,这样,导致了钢筋表面钝化膜被破坏,使钢筋更加容易锈蚀。
因此,混凝土的碳化,对结构的耐久性有着重要影响。
第3章混凝土结构侵蚀和剥落问题的具体分析[5]
3.1北京西直门旧桥的侵蚀剥落
北京市从1975年开始建造城市立交桥,现已达到几百座。
早期建成的部分桥梁结构已出现不同程度的破坏。
原西直门立交桥梁使用仅20年,因损伤严重,危及安全,已于1999年拆除改建。
西直门立交桥位于北京市二环路西北角,于1978年开始兴建,1980年建成。
使用一段时间后,发现主梁、盖梁、立柱、桥面、挡墙、护栏等部位有不同程度开裂,有些部位混凝土表面起砂露石,保护层剥落露筋,多处发生开裂破坏,有些部位混凝土表面泛白,影响外观,其破坏的形式和主要原因如下:
1)护栏开裂露筋:
西直门旧桥共有6座引桥,其中东南、西南、东北、西北4座引桥护栏破坏较为严重,开裂或露筋要占70%左右。
其原因之一是预制护栏质量不佳,钢筋布置偏移,造成混凝土保护层过薄,有些甚至无保护层,以致钢筋直接暴漏在大气环境中。
原因之二是4座引桥下为立柱支撑,行车时桥面可感到明显震动,护栏同时也承受较大的震动荷载。
2)立柱开裂:
在每个道口两边分别有4根和6根立柱,在4根立柱一边,一些桥面伸缩缝正好设在立柱一侧上方的桥面上,伸缩缝老化漏水,这4根立柱遇水一侧都有严重裂缝,一般裂缝高度为45cm左右;
6根立柱一侧的桥面附近没有设伸缩缝,但这一侧两端的立柱上方均设有落水管,落水管下方的溅水处的混凝土就开裂,破坏的主要原因是在冬季为清除积雪,在桥面泼洒饱和浓度的盐水,桥面盐水与雪水融为一体,不仅侵蚀桥面和盖梁,而且顺排水管流水,造成这些部位因钢筋锈蚀而破坏。
经检查有落水口的立柱和没有落水口的立柱氯化物含量明显不同(见附图1:
直门立交桥立柱处氯化物侵蚀含量)。
有落水口的立柱氯化物很高,最高可达到0.29%,侵入深度超过80mm,是保护层的2~3倍。
其相应部位钢筋严重锈蚀,失重率达33%。
3)引桥盖梁开裂:
西南引桥下设有3根盖梁开裂,其中两根是顺筋横裂缝,一根是一条25cm长的垂直裂缝。
东南引桥也有3根盖梁受到破坏,均为顺筋横裂缝。
有垂直裂缝的盖梁位于支座有位移的立柱上,是结构上原因引起的,其他顺筋裂缝的盖梁混凝土的开裂均系受到桥面渗水的侵蚀所造成的,可见桥面渗水对裂缝的影响之大。
4)引桥翼形梁有渗出物:
引桥的翼形梁除垂直裂缝外,在翼形梁斜面和翼形梁与现浇混凝土接缝处存在严重析白现象,渗出物是混凝土内的氢氧化钙溶解物被空气中的二氧化碳碳化后形成的无机盐类结晶物。
从氯离子梯度分布和钢筋锈蚀状态表明,除冰盐对西直门旧桥混凝土的破坏起着主导作用。
从桥面表层混凝土的破坏有明显冰冻、盐冻,说明盐冻破坏、冰冻以及钢筋锈蚀是西直门旧桥混凝土破坏的主导因素。
这是一个具有代表性的使用除冰盐和受冰冻作用导致结构物耐久性破坏的工程实例。
3.2上海四川路桥耐久性损伤
四川路桥位于上海市苏州河上,是连接虹口区和黄浦区的重要交通要道,地处市区繁华地段,每日交通流量极大。
该桥建于20世纪20年代,迄今以有80多年的历史,建筑风格与周围欧式建筑遥相呼应,是一座具有历史文化价值的建筑。
桥中跨36.14m,两边跨各为18.03m,桥总宽18.28m,其中车行道宽度为12.80m,两侧人行道宽各为2.73m(见附图2:
上海西川路桥结构立面图)。
近几年上海市政工程管理处对上海市内旧桥质量普查中发现,四川路桥伸缩缝、桥面铺装层及护栏等上部结构有多处明显损坏和变为,特别是两侧支撑人行道板的挂梁搁置点处伸缩缝及护栏严重拉开,中孔挂梁有下落的危险。
为了确保该桥的使用安全,由同济大学对该桥实施全面病害检查和实际承载能力检定试验,经检查表明该桥存在因钢筋锈蚀和不均与沉降的耐久性损伤。
经抽样检查,该桥混凝乳保护层厚度为40~70mm,实测混凝土碳化深度已大于或等于保护层厚度,说明保护层已基本丧失作用。
碳化比较严重的部位是:
1)混凝土浇捣不密实的部位,如箱梁底板下缘有较多蜂窝麻面和孔洞,该处易受水和空气中二氧化碳的侵入;
2)混凝土表面比较潮湿的部位,如箱梁壁端,由于雨水通过伸缩处渗漏到腹板混凝土表面,潮水周期性的由桥墩通气孔灌入箱梁内近悬臂的根部。
3)混凝土表面温度较高的部位,如箱梁内部比外侧混凝土碳化深度要大20~30mm(附表中给出有关部位实测混凝土碳化深度)。
由于混凝土碳化深度较大,使钢筋锈蚀导致混凝乳保护层胀裂或崩落,如:
1)箱梁内腹板中经常处于干湿交替部位,有较多竖向锈胀裂缝,用小锤敲击可听到空壳声,特别是严重的部位有成片混凝土保护层脱落现象;
2)箱梁顶板底面约有20%面积的混凝乳保护层有胀裂,甚至起壳脱落,其中人行道板底钢筋已局部锈断。
有些部位混凝土表面虽无裂缝,但用小锤敲击有空壳声,表明内部钢筋已锈蚀,与混凝土粘结失效,预计混凝土将成片崩落。
经检查挂孔钢梁底面有麻点坑蚀,坑蚀深度一般为1mm左右,说明油漆膜已老化失效,坑蚀再发展将引起钢梁下缘受拉区局部应力集中,在梁受变幅荷载作用下易引起金属疲劳破坏。
上海四川路桥耐久性损伤实例向我们表明,混凝土碳化加速了钢筋锈蚀,进而严重影响了混凝土结构的耐久性,对混凝土的碳化问题应加以相当的重视。
3.3上海高阳大楼辅助建筑破坏实例
高阳大楼是上海市优秀近代保护建筑,位于上海市东大名路丹徒路口。
其辅助建筑4号楼、5号楼,均为五层现浇钢筋混凝土框架结构,建筑面积3100mm2,建于1917年,房屋均有一定老化损伤,现已改建为高阳商务中心。
改建前委任上海市建筑科学研究院进行检测并做出损伤状况评估。
两栋楼房耐久性损伤状况相似,现以5号楼为例对其耐久性损伤状况和损伤原因作些介绍。
经检测,梁柱结构普遍存在着明显的损伤:
1)混凝土强度很低、严重疏松、剥落:
采用钻芯测试,很多芯样碎断、酥碎,个别呈渣状,柱中均不同程度地存在明显的水平缝,缝中粘结极差;
2)混凝土严重碳化:
除四层板碳化深度为45mm,三、四层梁碳化深度为70~90mm,二、三、五层柱为90~100mm外,其他梁板柱几乎全部碳化;
3)主筋锈蚀严重,截面减小,箍筋锈断:
各层梁柱均有主筋锈蚀,如一层柱脚主筋锈蚀削弱2mm,二层主筋严重锈蚀,箍筋锈断(见附图3和附图4)。
4)梁上有水平锈胀裂缝、柱内有垂直锈胀裂缝:
各层柱均有竖向裂缝,尤以底层柱更为严重。
一层柱脚竖向开裂宽度为5mm,主筋锈蚀削弱1.6~2mm;
三层梁下部通长开裂宽度为1mm。
板面沿梁通长裂缝宽度约为2mm,四层梁主筋严重锈蚀,残留直径11mm,保护层剥落。
据上海市建筑科学研究院检测后分析,认为该楼房损伤的原因是多方面的:
1917年建造时混凝土结构设计理论不完善,结构布局不合理,主框架梁截面偏小,基础压力较大,结构整体性差,构造箍筋太小;
混凝土原材料质量差,施工质量不佳,内部疏松不密实,混凝土强度偏低且离散性很大;
使用环境临近黄浦江,相对湿度较大,使用年代较久,混凝土严重碳化,主筋不同程度锈蚀,不少构件主筋截面削弱,严重锈蚀引起的胀裂和混凝土保护层剥落的现象比较普遍。
建于结构耐久性受到严重影响,非经全面地、有效地维修加固,已不再适宜继续使用,为此,该两幢楼房已经拆除重建。
由以上实例并结合混凝土结构耐久性的影响因素分析可知,如若取得混凝土结构良好的耐久性,确保有足够的使用寿命,关键在于防患于未然,从设计到施工完成的整个建造过程中,都要针对耐久性的基本要求采取有效措施。
确保结构耐久性,可以归纳为以下几个基本要求:
1)选择优质的混凝土施工原材料
水泥类材料的强度和工程性能。
是通过水泥砂浆的凝结,硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。
集料的选择应考虑其碱活性,耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度:
掺混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施。
即近年来发展的高性能混凝土。
2)加强管理,严格控制施工的质量
主要从混凝土结构保护层的厚度控制、混凝土结构各种孔隙的控制以及水灰比控制等几个方面进行。
针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度,预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。
混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝;
节点构造设计应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力设计时应考虑耐久的要求、混凝土配比,减小水灰比,降低水化热,减少收缩裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,使混凝土的性能大幅度提升;
改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。
3)加强混凝土结构的日常维护
结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。
在使用中,应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质,并尽量减少冻融环境的影响。
同时在结构建成后定期检查,在结构破坏超过一定的界限后,就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。
第4章混凝土结构耐久性的研究现状与发展[1][2]
4.1混凝土结构耐久性的研究现状
针对混凝土结构耐久性的影响因素,考虑到混凝土结构耐久性的损伤机理和成因,有关学者主要从材料层次、构件层次、结构层次三方面对其进行如下研究:
1)材料层次上耐久性的研究
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、氯离子的扩散和钢筋的锈蚀。
(1)对混凝土碳化的研究内容包括碳化机理、碳化深度预测模型和影响因素等。
在碳化机理方面,有关学者已能从分子层次上对其进行准确的阐述。
在碳化深度预测模型方面的研究大致可分为两类:
一类是基于试验数据或实际结构的碳化深度实测值,采用数学统计或神经网络等方法拟合得到的经验模型;
另一类为基于碳化反应过程的定量分析建立的理论模型,如张誉提出的混凝土碳化深度实用数学模型。
影响混凝土碳化深度的因素已基本清楚,针对各因素之间的关系,国内外学者进行了考虑各种因素的数值计算方法研究,并引入一些非线性建模方法。
(2)在众多的钢筋混凝土结构耐久性损失中,氯离子的扩散所导致的损失可以说是居第一位的。
Y.Masuda研究了氯离子对混凝土的渗透机理,并考虑了混凝土表面氯离子的随机性;
H.K.Cook,W.J.McCoy,P.C.LPeterson等研究化冰盐对桥面的渗透破坏,取得了一系列有价值的实验成果。
(3)在钢筋锈蚀方面,主要是通过对钢筋锈蚀机理的研究,提出降低混凝土中钢筋锈蚀的策略。
2)构件层次上耐久性的研究
在腐蚀环境中,当材料性能发生劣化后,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。
目前所研究的主要是通过各种试验研究,观测受腐蚀钢筋混凝土构件的力学性能指标和变化规律。
但是这些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,这是一个需要加强的研究方面。
3)结构层次方面的耐久性研究
钢筋混凝土结构是由多种构件构成的结构体系,因此在钢筋遭受腐蚀后,构件性能的劣化,最终会影响整个结构的安全。
结构层次上的耐久性研究分为结构的耐久性评定和结构的使用寿命预测。
(1)评估理论研究:
目前对钢筋混凝土耐久性评估理论的研究可划分为三个方面,一是以传统的概率论为基础的可靠性理论;
二是运用现代不确定性数学工具,建立各种评估模型;
三是建立专家评估系统。
(2)结构寿命预测方面:
在结构的寿命预测方面,人们采用模糊法、概率法、网络法、动态分析法、生存分析理论等来预测结构构件的寿命,并取得了一些成果,但是结构的寿命预测才刚刚起步。
国外在这方面的研究集中于考虑抗力衰减的结构可靠度分析上。
4.2混凝土结构耐久性的研究展望[5]
混凝土耐久性研究的趋势就是开展混凝土结构组成材料、构件及结构体系三个层次的耐久性研究,分析影响耐久性的因素,弄清其组成材料在不同应力水平及不同使用环境下的损伤、破坏机理及耐久性失效的原因,建立结构、构件及材料在多种荷载组合作用下的耐久性失效随机模型,最终制定出以概率理论为基础在可靠度意义上的耐久性设计及评估方法。
总的说来,混凝土结构的耐久性研究将逐步由定性分析向定量分析发展,以及建立以可靠度为基础的分析方法,在不久的将来,结构设计考虑的不再是强度而是耐久性能,即由强度设计向性能设计转化,而混凝土的耐久性设计也将和抗震设计一样成为设计者必须考虑的问题。
结论
随着科学技术的发展和人类文明的进步,人类生产活动涉及的范围越来越广,各种在严酷环境下使用的混凝土工程,如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等不断增多,这些工程关系国计民生,这就更加要求混凝土结构具有优异的耐久性即足够长的使用寿命。
可见,对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。
混凝土结构耐久性是当前混凝土结构理论研究的一个热门话题,它涉及到混凝土材料耐久腐蚀理论、建筑结构可靠度设计准则、混凝土结构维修加固等诸多方面知识;
而目前,耐久性损伤破坏参数数据尚搜集积累不够,对其设计标准和方法,工程界尚未统一,对它的研究还有待深入。
附图
附图1:
直门立交桥立柱处氯化物侵蚀含量
附图2:
上海西川路桥结构立面图
附图3:
5号楼二层梁主筋锈蚀严重、箍筋锈断
附图4:
5号楼框架梁钢筋锈蚀严重、保护层剥落
附表
四川路桥实测混凝土碳化深度(mm)
抽检样本部位
平均值
最大值
箱梁底板下缘
66.7
80
箱梁腹板(边孔附近)
52.5
61
箱梁腹板内部(悬臂梁根部附近)
71.3
76
箱梁腹板外部(悬臂梁根部附近)
45.8
54
参考文献
[1]陈大鹏.混凝土结构耐久性研究现状与展望.山西建筑.第32卷.第17期.9,2006
[2]刘彩玲,曹国旭,吴军利.混凝土结构耐久性研究现状与展望.西安建大科技.第63卷.第1期.1,2006
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[6]李田,刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计.科学出版社.1-11页,63-74页.8,1999