混凝土开裂损伤与结构的安全性和耐久性.doc

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第1章混凝土开裂损伤与结构的安全性和耐久性

混凝土是当今世界上用量最大、用途最广泛的工程材料。

在土木、水利与建筑工程，海洋及港湾建设工程，交通运输与铁路工程，甚至航空航天工程，都有混凝土应用的实例。

混凝土材料为人类的文明与建设，作出了巨大的贡献。

我国是世界上混凝土生产与应用最多的国家。

2004年，我国水泥的产量达到了94亿t；混凝土的产量约20亿m3。

在我国，建造了大量的高层与超高层建筑，钢筋混凝土铁路桥、公路桥、跨海大桥，海港码头及航空港等。

混凝土结构的安全性和耐久性，对我国人民来说尤为重要。

混凝土是一种人造石材，应具有类似天然石材的耐久性。

但试验和应用证明：

混凝土结构在使用过程中，受土壤中、水中及空气中有害介质的侵蚀，或混凝土材料本身有害成分的物理、化学作用，会产生劣化；宏观上会出现开裂、剥落、膨胀、松软及强度下降等，严重影响了混凝土结构的使用寿命，甚至会发生结构破坏、倒塌，造成人员伤亡和经济损失。

混凝土结构的过早劣化开裂与破坏，也是资源与能源的巨大损失，给环境带来了污染。

混凝土的开裂，是混凝土结构劣化病变的宏观体现，也会进一步引起其他病害的发生与发展。

因此，要了解混凝土开裂的原因与机理；了解混凝土结构开裂与安全性、耐久性的关系；以便采取措施抑制裂缝的发生与发展。

1．1钢筋混凝土建筑物的劣化现象

钢筋混凝土建筑物的劣化，一般来讲，是由以下8个方面造成的。

开裂、漏水、强度劣化、大挠度、中性化、钢筋腐蚀、冻害与表面劣化等。

如表1－1所示。

但是，在这些劣化现象中，如中性化是造成钢筋腐蚀劣化的原因，但混凝土本身还没有发生直接劣化现象。

而大挠度变形以及漏水等其他方面的原因，会造成混凝土结构物出现劣化现象；此外，开裂与强度劣化、钢筋腐蚀等，和混凝土本身的劣化现象混杂在一起，这些现象的相互关系如图1－1所示，是相当复杂的。

因此，推论各种劣化现象的原因以及由此而引起的修补和补强也就变得复杂了。

因此，钢筋混凝土结构物是由混凝土和钢筋组成的，钢筋混凝土结构的劣化，可以认为是其组成材料劣化的结果。

这样对劣化原因的推定，对维修、补强的方法，也可比较明快地选定。

从上述观点出发，钢筋混凝土结构的劣化，可以分成混凝土的劣化和钢筋的劣化。

如果把混凝土开裂作为混凝土劣化的代表，而钢筋的劣化以腐蚀为代表的话，那么这两种劣化现象的原因及其相互关系如图1－2所示。

1．2混凝土的开裂

1.2.1三混凝土结构开裂渐增的原因

表示混凝土劣化征兆最一般的现象是开裂。

自古以来对抑制混凝土开裂就有许多研究。

关于混凝土发生开裂的原因、开裂现象的详细分析，如表12所示。

其原因可以列举出40项以上。

这些原因对裂缝发生的综合影响是复杂的。

即使是现在，对裂缝发生的抑制与防止，还没有一个十分有效的方法，由于种种原因混凝土结构的开裂依然呈现出渐增的趋势。

1．混凝土浇灌方法

伴随着混凝土泵送施工，必须是塑性、流动性混凝土，同时也带来砂率和单方混凝土用水量增大，其结果是耐久性降低，裂缝增加。

2．骨料的质量下降

为了抑制骨料质量下降而带来的混凝土强度和和易性下降，要增加水泥用量，同时也带来混凝土裂缝增多。

此外，由于使用具有碱活性的骨料，混凝土也由于膨胀而发生开裂。

这也使得混凝土开裂增多。

3．保护层厚度不够

由于保护层厚度不够，碳化到达钢筋的时间变短了，混凝土中氯化物增加以及

由外部浸人的氯化物增加，内部钢筋的生锈膨胀而导致发生开裂的现象也在增加。

4．不同沉降与过我

由于结构物不同部位的沉降与过载，而导致的结构裂缝也在呈增加趋势。

1．2．2钢筋混凝土结构物与建筑物的收缩开裂与荷载作用开裂

钢筋混凝土结构物与建筑物发生的裂缝，对不同结构部位所发生裂缝的位置以及裂缝的形态来看，可以估计到裂缝发生的主要原因。

裂缝一般是在混凝土受拉应力集中的部位发生。

混凝土的抗拉强度低，只有抗压强度的1/10左右。

在窗户、出入口、换气口等开口部位的四个角，由于收缩最容易产生开裂。

周边受约束较大的墙面；长向构件受约束力虽小，但受拉应力集中的部位，也会开裂。

如图1－3～图1－8所示。

1.2.3环境条件的作用对混凝土结构弓I发的开裂

我国西部地区，气候条件特殊，冷热温差悬殊，干旱少雨，相对湿度低；混凝土结构在浇筑成型过程中，水分从混凝土表面迅速蒸发，如果养护不善，表面产生龟裂，如图1－10所示。

风蚀使混凝土表面在风沙的强力磨耗下，产生麻面，如图1－11所示。

西部地区气温低、温差大；昼夜之间温差更大。

一天之内，、可能出现多次冻融循环。

在反复低温冻融作用下，混凝土桥墩剥蚀开裂，如图1－12a、b所示。

特殊的气候条件和生态环境，给混凝土施工也带来了困难；混凝土结构在服役过程中又受到严酷的环境作用。

因此，提高混凝土结构承载力，控制裂缝的发生与发展，对保证混凝土结构的安全性、耐久性更显事要。

碳化使混凝土中钢筋失去碱性保护而发生锈蚀，使混凝土开裂，如图1－13所示。

钢筋混凝土结构物遇到火灾时，由于温度迅速上升和干燥，发生网状细小裂缝的同时，在梁和柱发生几乎是等距离的粗大裂缝。

而且有部分的爆裂剥落，如图1－14所示。

混凝土结构受到酸、盐类的化学作用时，混凝土的表面受到侵蚀，大多数在钢筋位置发生开裂，混凝土表面部分剥落，如图1－15所示。

我国西部地区，盐碱地上的混凝土结构，受硫酸盐等侵蚀，从根部开裂发展到“断根”，如图1－16、图l－17所示。

氯化物渗透扩散进入钢筋混凝土结构，使钢筋锈蚀，保护层开裂，如图1－18所示。

沿海的钢筋混凝土桥梁，更容易受到Cl－的腐蚀开裂。

如图1－19、图l－20所示。

除了外部的氯离子通过扩散渗透进入混凝土结构内部，造成钢筋锈蚀，混凝土开裂以外，还有混凝土施工应用过程中带进的氯离子对混凝土结构造成的开裂破坏。

例如使用海砂配制混凝土，往往使混凝土中Cl－含量超

标，造成钢筋腐蚀，混凝土开裂。

如图1－21所示。

该超高层建筑2000年时才投入使用，不可能由于中性化使钢筋锈蚀，也不可能由其外部Cl－的渗透扩散而造成钢筋锈蚀，只有内部存在Cl－才能解释，即是由于使用海砂造成的。

我国沿海地区的部分钢筋混凝土桥梁，运行使用不到10年，钢筋严重锈蚀，混凝土保护层开裂，有的成片剥落，虽经修补，但2～3年后又开裂剥落，致使有些桥梁被宣布无法修补，需要重新建造。

桥梁过早损伤破坏，以至失效重建，会给社会带来很严重的影响。

桥梁倒坍或危桥不能通车，交通中断，运输不畅，不仅经济损失，也会带来民怨，影响党和政府在人民心目中的形象。

混凝土结构的开裂，导致过早损伤破坏，也造成资源的大量浪费，使有用的

资源迅速转化成建筑垃圾，造成环境污染。

以每延米混凝土结构桥梁的重量为20t来计算；全国公路危桥据保守估计约有3232451延米，总计约700万t钢筋混凝土材料将变为建筑垃圾，不仅造成资源损失、交通运输损失、资金损失，而且给环境也带来了严重污染。

据统计，我国1999年一年内因混凝土结构开裂损伤劣化，以及各种腐蚀造成结构的破坏，其损失约为（1800～3600）亿元。

因各种侵蚀和结构劣化损伤，修补费用往往是初期建设费用的2～3倍。

1.2.4国外混凝土结构开裂、劣化的情况

在国外，如在日本，也出现过混凝土结构开裂、突然破坏的情况。

例如，新干线的混凝土隧道，由于混凝土受硫酸盐侵蚀开裂，使用不到10年，出现了大面积的剥蚀开裂现象，导致突然破坏，发生了砸在行走列车上的重大事故。

这引起了日本建筑业界的重视，开始全面调查混凝土结构物的开裂损伤与劣化问题。

日本于1999年调查了钢筋混凝土的土木结构物2344件（除隧道外），并将其劣化程度分成5级，如表13所示。

将调查结果分成不同劣化程度的件数，按工

程竣工年头划分所占件数的比例如图1－22所示。

1964年及其以前建造的结构物，劣化度为III、IV、V级的占调查总件数的10％；这时正好迎接东京奥运会，主要是因抢工，施工质量无保证而造成的；到了1985年，劣化度II级以下的建筑物占总调查数量（件数）已经降到10％以下，而且没有劣化度III、IV和V级的件数。

说明当时工程的施工质量好转，抗劣化性能得到提高。

混凝土结构的开裂与损伤劣化，与施工质量的关系很大。

日本在经济高速发展时期的1974年竣工的结构物1140件，现在调查发现，II级以上劣化程度的已达403件，约占35％。

说明该时期的施工只图速度快，对质量注意不够。

由图1－23可见，劣化的原因是混凝土质量低劣（蜂窝麻面、冷接缝、开裂等）和配筋不良（露筋、铁锈汁）等引起的。

说明了确保混凝土浇筑密实，保护层厚度符合要求等施工精度十分重要。

在劣化原因中，碱骨料反应有22件，盐害引起的有33件，但在1986年后，两者造成的劣化现象消除了。

由图1－2可见，钢筋混凝土结构的劣化是由混凝土劣化和钢筋劣化造成的。

但这两方面的劣化构与混凝土的开裂有关。

由于混凝土的开裂，使碱骨料反应、冻害、中性化、氯离子扩散渗透等进一步发展，促进了其他病害的发生与发展。

混凝土的开裂与钢筋锈蚀是一种相互关联的劣化现象。

1．3混凝土开裂原因的分析

混凝土是由水泥浆将砂、石粘结起来而成的多相复合材料。

混凝士的收缩开裂，主要是由水泥浆的收缩开裂所造成。

例如：

以315g水泥，相对密度（相对于水）为3.15，与200cm3水拌合成水泥净浆（w/c=0.64），初始体积为100＋200=300cm3。

假定1cm3的水泥完全水化后产生2cm3的水化物体积；则水泥净浆在不同水化程度时，毛细管孔体积不同，即使100％水化，还有33％的毛细孔，如图1－24所示。

造成水泥石收缩开裂。

对不同水灰比的水泥净浆，达到相同的某一水化程度时，水泥的固体水化产物相同，但毛细孔体积不同。

例如水灰比为0.7、0.6、0.5和0.4的四种水泥浆

体，假定其水化程度均为100％，完全水化水泥的固体计算体积均为200cm3；但不同水灰比的硬化水泥石中，毛细孔的体积不同，分别为120cm3（总体积的37％）、88cm3（总体积的30％）、57cm3（总体积的22％）和26cm3（总体积的11％），如图1－25所示。

虽然不同水灰比的水泥浆中，毛细孔的体积不同，但都会产生收缩。

收缩值也因水灰比而异。

水化的水泥浆体暴露于相对湿度低于100％的环境时，将开始失水收缩。

如果硬化水泥浆体试件在收缩过程中发生约束，将会产生收缩应力，如果此应力大于硬化水泥浆体试件的抗拉强度，则会发生开裂，如图126所示。

由上述可见，水泥水化物将砂、石粘结成为混凝土。

当混凝土中的硬化水泥浆失去毛细孔里静水张力所保持的水及失去硅酸钙凝胶内的物理吸附水时，就会导致混凝土的收缩变形。

在混凝土收缩的过程中，有约束的条件下，就会造成混凝土的开裂。

据估算完全干燥的硬化水泥浆体于缩率可达10，000×10－6，实际已测得值为4，000×10－6；混凝土中的骨料可认为不收缩，故混凝土实测的手缩率大约

在（200～1000）×10－6的范围内。

有的学者认为：

“裂缝与混凝土同时存在”。

也即混凝土必有裂缝。

裂缝是混凝土材料不可避免的。

这是水泥基材料先天的缺陷。

对于混凝土技术工作者来说，必须探究混凝土裂缝形成的原因，采取方法加以预防，降低有害裂缝的出现，对有害裂缝采取补救措施。

混凝土发生干燥收缩开裂的主要原因和条件归纳如图1－