钢筋混凝土的发展及其现状文档格式.docx

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目前我国建筑结构安全度总体上低于欧美发达国家，但材料用量并没有相应降低。

这是因为就全国而言，我国建筑工程上采用的钢筋和混凝土平均强度等级，均低于欧美发达国家。

欧美发达国家较高的安全度是建立在较高强度材料的基础上的，而我国较低的安全度是由于采用的材料强度偏低。

为此，用于工业与民用建筑的混凝土结构设计规范已将混凝土强度等级由C60提高到C80，对普通的钢筋混凝土结构优先推广HRB400钢筋，对预应力沪宁图结构优先推广高强钢丝和刚绞线。

在计算理论方面，钢筋混凝土结构经历了容许应力法、破损阶段法和极限状态法三个阶段。

目前国内大多数混凝土结构设计规范已经采用基于概率理论和数理统计分析的可靠度理论，它以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计，使极限状态计算体系在理论上向更完善、更科学的方向发展。

但由于水利水电工程中大多数荷载还无法得出可靠地统计参数，因而也有学者与工程设计人员认为，目前在水利水电工程设计中应用可靠度理论尚不够成熟。

混凝土的损伤和断裂、混凝土的强度理论、混凝土非线性有限单元法和极限分析的计算理论等方面也有很大发展。

有限单元法和现代测试技术的应用，使得钢筋混凝土结构的计算理论和设计方法正在向更高的阶段发展。

在结构和施工方面，随着预拌混凝土、泵送混凝土及滑模施工新技术的应用，已显示出它们在保证混凝土质量、节约原材料和能源、实现文明施工等方面的优越性，所以我国目前工业与民用建筑中广泛采用现浇整体式结构。

采用预先在模板内填实粗骨料，再将水泥浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的压浆混凝土，以及用于大体积混凝土结构、公路路面与厂房地面的碾压混凝土，它们的浇筑过程都采用机械化施工，浇筑工期可大为缩短，并能节约大量材料，从而获得经济效益。

值得注意的是，近年来钢混组合结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土结构已经在工程中逐步推广应用。

这些组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力、施工教简单等特点。

在预应力混凝土结构中，横向张拉技术是一种值得推广的施工方法，它既不需要锚具，也不需要灌浆。

另外，缓粘结预应力混凝土不需要后续灌浆，避免了后张法预应力混凝土结构灌浆不密实的问题，从而可保证质量，也是值得推广的技术。

2.概述

混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约九亿立方米，钢筋用量约2000万吨。

规模之大，耗资之巨居世界前列。

经测算，我国工程建设中仅混凝土结构每年耗资2000亿元以上。

可以预见，钢筋混凝土是我国今后相当长时期内的一种重要的工程结构材料。

a.材料特性混凝土是水泥与骨料的混合物。

当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。

通常普通混凝土拥有较强的抗压强度（大约3,000磅/平方英寸,35Mpa）。

但是混凝土的抗拉强度较低，通常只有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。

而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求，故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。

　　相较混凝土而言，钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上，故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作，由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。

例如在图2简支梁受弯构件中，当施加荷载P时，梁截面上部受压，下部收拉。

此时配置在梁底部的钢筋承担拉力（4），而上部阴影区所示混凝土

（2）承受压力（3）。

在一些小截面构件里，除了承受拉力之外，钢筋同样可用于承受压力，这通常发生在柱子之中。

钢筋混凝土构件截面可以根据工程需要制成不同的形状和大小。

同普通混凝土一样，钢筋混凝土在28天后达到设计强度。

b.工作原理钢筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性质决定的。

首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。

其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180度弯钩。

此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层蚀化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。

c.选用钢筋的规格和种类钢筋混凝土中的受力筋含量通常很少，从占构件截面面积的1%（多见于梁板）至6%（多见于柱）不等。

钢筋的截面为圆型。

在美国从0.25至1英尺，每级1/8英尺递增；

在欧洲从8至30毫米，每级2毫米递增；

在中国大陆从3至40毫米，共分为19等。

在美国，根据钢筋中含碳量，分成40钢与60钢两种。

后者含碳量更高，且强度和刚度较高，但难于弯曲。

在腐蚀环境中，电镀、外涂环氧树脂、和不锈钢材质的钢筋亦有使用。

　　在潮湿与寒冷气候条件下，钢筋混凝土路面、桥梁、停车场等可能使用除冰盐的结构则应使用环氧树脂钢筋或者其他复合材料混凝土，环氧树脂钢筋可以通过表面的浅绿色涂料轻松识别。

3.裂缝

钢筋混凝土梁在外荷载的直接应力和次应力的作用下,引起结构变形而裂缝。

构件在使用过程中受年温差的长期作用,当温差的胀缩应力大于构件极限抗拉强度时就会裂缝。

构件裂缝的因素是多方面的,包括结构设计、地基沉降差异、施工质量、材料质量、环境影响等,无论何种原因产生的裂缝,都会给建筑物肢体结构带来影响。

　　　　二、裂缝的部位　　　　

（一）梁受拉区裂缝　　由于浇筑混凝土时施工管理不善,使用了低劣的钢筋,造成梁受拉钢筋强度不足。

施工中,提前拆模、施工荷载超过设计荷载或混凝土强度低于设计规定,以及使用不当,使用荷载大大超过原设计荷载,使梁受拉区产生裂缝。

梁受拉区产生的裂缝一般采用水泥浆封闭,防止钢筋锈蚀,再根据具体情况做补强加固处理。

（二）梁在支座附近的斜裂缝　　梁的混凝土强度低于设计强度,抗剪钢筋不足,箍筋没有增加,也有的因超载,提前拆模时混凝土强度低于标准强度值,造成的抗剪能力低而产生剪切裂缝。

应先用粘结浆液压注处理,再进行加固补强,确保梁的使用安全。

　　（三）梁受压区裂缝　　梁的高度小,有的梁没有抗裂验算,混凝土振捣不够密实,梁长期在年温差和日温差作用下产生温差变形及长期处于干燥状态的环境中干缩变形,梁在温差和干缩的综合作用下裂缝。

缝上宽下窄,有贯穿的,不贯穿的。

裂缝长度为梁高的3/5～4/5,梁底部不裂,这种裂缝可用水泥砂浆压注、粘结密封裂缝和补强。

　　　　三、裂缝形成原因　　　　钢筋混凝土梁出现裂缝的原因很复杂,主要有:

材料或气候因素、施工不当、设计和施工错误、改变使用功能或使用不合理等。

通常可归纳为以下几种:

　　收缩裂缝。

混凝土尚处于未完全硬化状态时,如干燥过快,则产生收缩裂缝,通常发生在表面上,裂缝不规则,宽度小。

　　水泥水化硬化时的裂缝。

水泥在水化及硬化的过程中,散发大量热量,使混凝土内外部产生温差,超过一定值时,因混凝土的收缩不一致而产生裂缝。

　　温变裂缝。

水泥在硬化期间,混凝土表面与内部温差较大,导致混凝土表面急剧的温度变化而产生较大的降温收缩,受到内部混凝土的约束,而出现裂缝。

　　设计欠周全。

如钢筋混凝土梁的截面不够,梁的跨度过大,高度偏小,或者由于计算错误,受力钢筋截面偏小、配筋位置不当、节点不合理等,都会导致混凝土梁出现结构裂缝。

　　施工质量造成的裂缝。

　　①由于混凝土标号偏低、受力钢筋截面偏小、截面尺寸不符合设计等而导致混凝土梁出现裂缝。

　　②由于施工不当、模板支撑下沉,或过早拆除底模和支撑等形成的裂缝。

　　③由于施工控制不严,在梁上超载堆荷,而导致出现裂缝。

　　预制钢混凝土梁在运输、吊装过程中,由于支撑不合理、吊点位置不符,以及较大的振动或冲击荷载,也会导致钢筋混凝土梁出现裂缝。

　　在使用过程中,改变原来的使用功能,如将办公室改为仓库、屋面加层、使用不当、增大梁上荷载等均会出现裂缝。

　　四、混凝土裂缝发生的控制措施　　　　混凝土裂缝发生与组成混凝土的水泥、净砂、石子、掺加剂等原材料有关,也与浇筑后混凝土的保温保湿的养护措施有关。

（一）原材料的质量控制　　水泥:

在混凝土路面及大体积混凝土施中,水化热引起的温升较高,降温幅度大,容易引起温度裂缝。

为此,在施工中应选用水化热较低的水泥,尽量降低单位水泥使用量。

　　粗骨料:

在钢筋混凝土施工中,粗骨料的最大尺寸与结构物的配筋、混凝土的浇灌工艺有关,增大骨料粒径可减少用水量,混凝土的收缩和泌水随之减少,但骨料粒径增大容易引起混凝土的离析,因此,必须调整好级配设计,并在施工中加强振捣。

　　对于粒径5～40mm的石子,要求针片状少,超规少,颗粒级配符合筛分曲线要求,这样可避免堵泵,减少砂率、水泥用量,提高混凝土强度。

试验结果表明:

采用粒径5-40mm石子比采用粒径5～25mm石子每立方米混凝土减少用水量l5kg左右:

在相同水灰比情况下,每立方米混凝土水泥用量减少20kg左右（水灰比0.709）,同时降低了混凝土的温升;

当粒径50mm石子满足筛分曲线要求时,其砂率控制在42%左右即可满足泵送要求。

　　细骨料:

采用中粗砂比采用细砂每立方米混凝土减少用水量20kg左右,水泥相应减少28kg左右,从而降低混凝土的干缩。

　　砂石料的含泥量控制:

砂石含泥量超标,不仅增加混凝土的干缩,同时降低了混凝土的抗拉强度,对混凝土的抗裂十分不利,因此,在路面混凝土及大体积混凝土施工中,石子含泥量应　　掺加块石:

在大体积混凝土基础施工中,掺加无裂缝的、冲洗干净、规格为l50～250mm的坚固大石块,不仅可减少混凝土的总用量,又可减少单位水泥用量,从而降低水化热,同时,石块本身也吸收热量,使水化热进一步降低,对控制裂缝有利。

如在滨河路防洪堤施工中,基础混凝土掺人l5%的块石,使得基础混凝土裂缝出现极少。

（二）混凝土配合比的选定　　混凝土原料的配合比应根据工程的要求,如防水、防渗、防气、防射线等进行认真分析,选择最优方案。

混凝土的水灰比应在满足强度要求及泵送工艺要求条件下尽可能降低。

　　掺合料:

混凝土中掺人粉煤灰不仅能替代部分水泥,而且粉煤灰颗粒成球状,可起润滑作用,能改善混凝土的工作性和可泵性,且可明显降低混凝土水化热。

　　外加剂:

为了满足送到现场的混凝土具有l1～l3cm坍落度,若只增加水泥使用量,则会加剧混凝土干燥收缩,明显增大混凝土水化热,易引起开裂。

因此,除了调整级配外,可掺入适量的减水剂。

　　（三）利用混凝土的后期强度　　对于大体积混凝土可以利用后期强度,如60d、90d、120d强度,即允许工程在60d、90d或120d达到设计强度,这样可以减少水泥用量,减少水化热和收缩,从而减少裂缝。

　　（四）混凝土的浇灌振捣技术　　混凝土的浇灌振捣技术对混凝土密实度很重要,最宜振捣时间为10～30s。

泵送流态混凝土同样需要振捣,大体积混凝土在浇灌振捣中会产生大量的泌水,应及时排除,有利于提高混凝土质量和混凝土抗裂性。

　　（五）大体积混凝土施工过程中的温度控制　　在大体积混凝土施工过程中为了减少混凝土的内外温差,一方面应尽可能减少入模温度,另一方面应采取保温养护,以减少内外温差。

浇筑体的混凝土缓慢降温是重要环节,越慢越好,为混凝土创造充分应力松弛的条件,与此同时还要在养护中使混凝土保持良好的潮湿状态,这对增加混凝土强度和减少收缩是十分有利的。

　　（六）混凝土的拆模时间　　混凝土的拆模时间可根据工程部位具体情况（工序要求、施工荷载状况）确定,应尽可能地多养护一段时间。

拆模后混凝土表面的温度下降幅度不应>

15℃。

拆模时混凝土的现场试块等级最低不宜低于C5。

　　（七）混凝土基础工程拆模后及时回填土　　及时回填土是控制早期、中期开裂的有力措施。

土是混凝土养护的最佳介质,施工经验表明,迟迟不回填土的暴露工程裂缝最多。

4.钢筋混凝土腐蚀机理的分析

a.硫酸盐对混凝土腐蚀作用机理

Na2SO4、MgSO4等硫酸盐与混凝土中水泥的水化产物Ca（OH）2反应生成:

（1）钙矾石（3CaO、Al2O3、3CaSO4、31H2O）[2]。

它是一种针状结晶体,固相体积是原来的1.5倍。

由于是在固化了的混凝土中发生反应,因此在混凝土内形成膨胀应力而引起混凝土结构的破坏。

（2）白色松软的不定形物质—Mg（OH）2。

它会使水泥浆体的结构遭到破坏。

（3）石膏。

溶于水后会造成混凝土的浸析增加。

（4）硅酸镁水化物。

与硅酸钙水化物的取代反应会使混凝土强度下降。

b.氯离子对钢筋的腐蚀作用机理

混凝土在水化作用时,水泥中氯化钙生成氢氧化钙,从而产生大量的氢氧根离子,使pH值达到12～14。

钢筋在这样的高碱环境中,表面容易生成一层致密的钝化膜而阻止钢筋的锈蚀。

但当pH值小于一定的数值时,钝化膜则难以形成,氯离子一旦到达钢筋表面,局部钝化膜便开始被破坏,钢筋便会在各种作用下开始锈蚀。

（1）腐蚀电流的影响。

当钢筋表面局部钝化膜遭到破坏后,使某些部位露出铁基本体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差。

大面积的钝化膜区作为阴极发生还原反应,铁基体作为阳极而受到腐蚀。

腐蚀由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。

（2）氯离子的阳极去极化作用[3]。

加速阳极过程者,称做阳极去极化作用,而氯离子就具有这样的作用,即:

在阳极氯离子与2价铁离子相遇生成FeCl2,使2价铁离子消失,从而加速阳极反应。

但是FeCl2是可溶的,在向混凝土内扩散遇到氢氧根离子发生反应,最后可氧化成铁的氧化物。

在这个过程中,氯离子只起“搬运”作用,而不被“消耗”,因此它会周而复始地起破坏作用。

（3）氯盐与水泥的作用。

在一定的条件下,氯盐可与水泥中的铝酸三钙生成不溶性“复盐”,从而降低氯离子含量,同时降低硫酸盐与铝酸三钙作用而发生“膨胀”破坏。

但当混凝土的碱度降低时,“复盐”会分解重新释放出氯离子,对钢筋产生腐蚀。

c.其他的腐蚀因素

如果外界环境中CO2、SO2、工业酸性介质等渗入到混凝土中,也会与其中的含碱物发生化学反应,这样将降低混凝土的碱度,也可能导致部分水泥水化物分解。

此外,气候条件、地下微生物等也有可能腐蚀钢筋。

d.钢筋混凝土防护措施

通过上面腐蚀机理的分析,要提高钢筋混凝土的耐久性就要做到:

保持混凝土的高碱度;

提高混凝土的密实度,增强抗渗能力;

控制硫酸根离子、氯离子的含量。

（1）水泥和骨料材料的选择

水泥是配置混凝土的关键原料。

为提高混凝土抗硫酸根离子腐蚀性和抗裂性能,选用含C3A、碱量低的普通硅酸盐水泥和坚固耐久的洁净骨料,并控制水泥和骨料中氯离子的含量;

要重视单方混凝土中胶凝材料的用量和混凝土骨料的级配,以及对粗骨料的粒形要求,并尽可能减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥用量。

（2）掺入高效活性矿物掺料

活性矿物质掺料中含有大量活性SiO2及活性Al2O3。

由于现在水泥产品的细度减小、活性增加,使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加,导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加。

将二级粉煤灰、S95级级矿粉复合掺入混凝土中,可以减少热开裂,提高抗渗性,降低混凝土中钙矾石的生成量。

（3）使用高效减水剂

一般情况下,材料的组合与配合比中对混凝土抗渗性最具影响力的因素是水灰比。

因此在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,应尽可能降低用水量。

加入减水剂可以使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,在水泥表面形成一层溶剂化水膜,同时将水泥在加水搅拌中絮凝体内的游离水释放出来,达到减水的目的。

（4）添加防腐剂

采用SRA-1型防腐剂,其SiO2与水泥的水化产物氢氧化钙生成水化硅酸钙凝胶,降低硫酸盐腐蚀速度;

其二次水化反应也减少氢氧化钙的含量,降低液相碱度,从而减少了硫酸根离子生成石膏的钙矾石的数量,减缓了膨胀破坏。

同时它还相对降低水泥中铝酸盐的含量。

它的氯离子渗透系数为抗硫酸盐水泥的0.1,为普通硅酸盐的0.5,所以,当硫酸根离子和氯离子并存时,它更有利于抵抗盐类腐蚀。

为提高混凝土的耐久性,我们选用了优质原材料,除水泥、水和骨料,还掺入了足够数量的矿物集料和高效减水剂,这样就减少了水泥用量、混凝土内部空隙率以及体积收缩;

在施工过程中,由于加强了施工各环节控制,严把混凝土施工质量关,确保水灰比、坍落度在要求范围内,混凝土振捣严格按规程进行操作,同时重视混凝土振捣后的抹面工作,所以施工后经检验,质量效果甚佳,受到建设单位好评。

5.耐久性

　　预先加载和持续加载对腐蚀发生的影响相似，在同样的暴露条件下，荷载水平的增加缩短了腐蚀发生的时间。

较高的荷载水平下试件发生腐蚀较早，一般是由于加载期间混凝土产生了裂缝。

裂缝使水、氯离子等侵蚀介质易于渗透到钢筋表面，加速了钢筋发生腐蚀。

　　预先加载水平高的试件比预先加载水平低的试件对腐蚀发展的影响大。

但在腐蚀初始阶段影响不明显，在后期阶段才变得显著。

其原因是，腐蚀发生后的初始阶段，由预先加载产生的混凝土的微裂缝可能由于腐蚀产物的填充作用减小甚至闭合，降低了侵蚀介质的进一步渗透，从而减小了腐蚀速率。

建议的临界裂缝大约是0.1~0.3mm，在此值以下裂缝一般不影响钢筋的腐蚀过程。

与预先加载相似，承受较高水平持续荷载的试件具有较高的腐蚀量，这是由于混凝土中裂缝数量和大小的增加。

同预先加载情形不同，持续荷载下大部分混凝土裂缝在整个腐蚀过程中不断张开。

所以，持续加载对腐蚀发展的影响更严重。

在同级荷载下，持续加载构件的腐蚀量高于预先加载的构件。

　　由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的粘结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力性能（例如疲劳性能和抗震性能）的不利影响将更为严重。

1999年广州海印大桥使用过程中突然发生的断索事故，即被认为是车辆疲劳荷载和钢筋腐蚀共同作用的结果。

而我国在腐蚀环境已服役多年的钢筋混凝土结构也存在着抗震性能不断降低的隐患。

　　目前国内外对受腐蚀钢筋混凝土构件的动力性能的研究非常少。

日本进行过受弯构件恢复力性能试验研究。

西安建筑科技大学进行过压弯构件恢复力性能试验研究。

大连理工大学正在进行受腐蚀钢筋混凝土构件抗震性能和疲劳性能的试验研究和有限元分析。

　　已有的试验表明，随着钢筋腐蚀量增加，钢筋混凝土构件的滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小，表明构件耗能能力和延性降低。

同时由于钢筋腐蚀程度的不均匀性，滞回曲线具有明显的不对称性．从骨架曲线看，腐蚀严重的构件承载力和刚度均降低较多，且达到极限荷载后平直段变短，延性降低。

因此钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件反复水平荷载作用下的恢复力性能有较大影响，在抗震设计中应予以考虑，以保证结构在地震作用下的安全。

　　虽然目前国内外已经在受腐蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同腐蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土粘接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋腐蚀量的增加而不同程度降低的结论。

但是对受腐蚀钢筋混凝土结构抗剪性能、动力性能的研究仍然极少，特别是对受腐蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的研究几乎还是空白，建议今后加强这些方面的研究。

6.结语

钢筋混凝土结构的发展，涉及材料、设计、施工、维护所处环境等众多因素，钢筋混凝土结构是水利水电工程中最基本的结构形式，了解其发展现状有助于我们的学习和工作。

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