混凝土結構耐久性的研究現狀與展望

摘要混凝土結構是土建工程中廣泛采用的結構形式，對混凝土結構的耐久性進行深入的研究意義重大。本文從目前我國混凝土結構耐久性設計研究的方法、混凝土結構耐久性損傷的影響因素及混凝土結構耐久性損傷機理和成因研究、混凝土結構耐久性需要繼續(xù)深入研究的問題等方面進行了總結闡述。

關鍵詞混凝土結構 耐久性 損傷機理

中圖分類號:TU528文獻標識碼:A

1 混凝土結構耐久性概述

所謂混凝土結構的耐久性，是指混凝土結構在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內部因素的作用下，在設計要求的目標使用期內，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。引起結構耐久性失效的原因存在于結構的設計、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。雖然在很多國家的設計規(guī)范中都明確規(guī)定鋼筋混凝土結構必須具備安全性、適用性和耐久性，但是這一宗旨并沒有充分體現在具體的設計條文中，使得以往的乃至現在的工程結構設計中普遍存在著重強度設計而輕耐久性設計的現象，這就使得結構的耐久性設計勢在必行。

目前我國混凝土結構耐久性設計方法的研究可分成兩種:第一種方法來源于歐洲CEB耐久性設計規(guī)范，僅解決了耐久性設計的構造要求部分。歐洲CEB耐久性設計規(guī)范對口到我國現行規(guī)范體系應是施工及驗收規(guī)范和建筑設計規(guī)范，如其中的水灰比控制、防水節(jié)點大樣等。歐洲CEB耐久性設計規(guī)范中有些條文也不適合我國國情，如為了防止鋼筋銹蝕，提高混凝土結構的耐久性，CEB采用加大混凝土結構保護層厚度的辦法，而我國除了在《混凝土結構設計規(guī)范》中規(guī)定了各類構件的最小保護層厚度外，還在混凝土配合比設計中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的辦法以及在實際工程中采用在混凝土構件表面涂刷環(huán)氧改性材料，來保證混凝土構件在設計使用期內具有足夠的耐久性。第二種方法認為混凝土結構耐久性設計應包括兩部分:計算和驗算部分，以及構造要求部分。而其中的計算和驗算部分是混凝土耐久性設計的關鍵，它要分析出抗力與荷載隨時間變化的規(guī)律，使新設計的結構有明確的目標使用期，使改建擴建結構同原有結構有相同的有效使用壽命，達到安全、適用、經濟和耐久的建設目的。

2 混凝土結構耐久性的研究現狀

混凝土結構的耐久性是由混凝土本身的特性和所處環(huán)境的侵蝕性兩方面決定的。耐久性損傷的外觀表現形式有:出現裂縫、斷面缺損和變質等。除了內部缺陷和荷載作用引起的損傷外，引起混凝土結構耐久性損傷的原因可以歸納為五類:(1)電化學等作用引起的鋼筋銹蝕;(2)酸、堿、鹽等化學侵蝕及堿骨料反應等內部化學作用;(3)凍融循環(huán)、霜凍及干摍、徐變、風化等物理作用;(4)磨損、沖蝕及機械作用;(5)高溫及火災作用。實際上，混凝土結構的破壞很少是由于單一因素造成的，引起破壞的幾種化學和物理作用常常緊密交叉、同時作用，這體現了混凝土耐久性問題的復雜性。

由混凝土結構耐久性損傷的影響因素可以看出，要對混凝土結構耐久性損傷機理和成因進行研究，必須從以下幾個方面進行綜合研究。

2.1 從材料層次對耐久性的研究

從材料角度上對結構耐久性進行研究，是混凝土結構耐久性研究的基本手段。引起混凝土結構材料性能劣化的原因不同，研究的內容和方法也不同。從已有的研究文獻來看，研究最多的是大氣環(huán)境中混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕。

混凝土原本對于鋼筋具有良好的防銹能力，但各種不利因素(如混凝土表面微裂，雨水和空氣中的水分，二氧化碳的侵蝕等)的作用導致鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，當有氧和水存在時，鋼筋開始銹蝕，其力學性能有較大變化。同時，鋼筋銹蝕到一定程度后，銹蝕產物產生的膨脹壓力將會使混凝土保護層發(fā)生順筋開裂，從而使鋼筋的銹蝕速度進一步加大，握裹力降低，從而導致構件因承載能力的不足引起構件耐久使用年限的降低。一般認為，混凝土順筋開裂的臨界銹蝕量與混凝土抗拉強度、混凝土保護層厚度及鋼筋直徑有關。在混凝土結構中鋼筋銹蝕可分為自然電化學腐蝕、雜散電流腐蝕、應力腐蝕及氫脆腐蝕。鋼筋是否銹蝕，很大程度上依賴于混凝土的密實性。

研究表明，使鋼筋的鈍化膜遭到破壞的主要因素有四點:(1)當無其它有害雜質時由于碳化作用破壞鋼筋的鈍化膜;(2)由CL—的作用破壞鋼筋的鈍化膜;(3)由于SO42—離子或其它酸性介質侵蝕而使混凝土堿度及PH值降低導致鈍化膜破壞;(4)混凝土中摻加大量活性混合材料或采用低堿度水泥，導致鈍化膜破壞或根本不生成鈍化膜。

降低混凝土中鋼筋銹蝕的措施包括:通過適當降低水灰比、選用礦渣硅酸鹽水泥、采用不是海砂的細骨料、摻用不含氯鹽的外加劑、提高混凝土保護層厚度、適當增加混凝土的攪拌時間和振搗力度等方法以保證混凝土的密實性，使混凝土中的鋼筋處于堿性環(huán)境中。施工時應重視鋼筋的除銹，還可使用環(huán)氧涂層鋼筋。通過混凝土的表面處理，如涂抹防水涂料等形成保護層活作表面裝飾層等使混凝土結構不長期裸露于空氣中或水中。采用陰極保護法(包括犧牲陽極法和外加電流法)，其中外加電流法應注意防止鋼筋的氫銹破壞、防止加劇混凝土的堿骨料反應、防止過大的保護電流對混凝土與鋼筋之間的粘結強度可能產生的不利影響。

2.2 從構件層次對耐久性的研究

在腐蝕環(huán)境中，當混凝土結構的材料發(fā)生劣化后，結構構件的承載力和適用性也隨之降低，從而影響結構的安全和正常使用。

試驗表明，受腐蝕鋼筋混凝土構件的承載能力與構件截面尺寸的變化、材料強度的變化及鋼筋與混凝土之間粘結性能的變化3中因素有關。構件截面尺寸的變化一般指鋼筋銹蝕后其截面面積的減小，當鋼筋的銹蝕量較小時(5%)，鋼筋強度變化不大，承載力評估中可不考慮鋼筋強度的變化。銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結性能的變化比較復雜，在銹蝕量較小時(1%)，粘結強度隨鋼筋銹蝕量的增加有所提高，但隨鋼筋銹蝕量的進一步加大，粘結強度將明顯下降，這一變化過程與鋼筋銹蝕產物的膨脹及混凝土保護層的脹裂有關。

目前，對受腐蝕鋼筋混凝土構件的力學性能的研究大都集中在靜態(tài)方面，對動態(tài)性能和疲勞性能的研究尚不多見，這是一個需要加強研究的方面。

2.3 從結構層次對耐久性的研究

混凝土結構耐久性研究的目的就是要解決擬建混凝土結構的耐久性設計和現役結構的耐久性評估，鋼筋混凝土結構是由多種構件組成的結構體系，在鋼筋遭受腐蝕后，構件性能的劣化，最終會影響整個結構的安全。

對擬建混凝土結構進行耐久性設計，提高結構的安全性和耐久性已成為全世界關注的重大課題。目前，我國混凝土耐久性設計的研究有兩種理論。第一種理論認為，在進行混凝土結構耐久性設計之前，首先要進行結構的工作環(huán)境分類，然后確定結構的設計使用壽命，最后利用極限狀態(tài)法對耐久性極限狀態(tài)進行驗算。針對這部分的研究比較多。但基于這種理論的計算方法與現行規(guī)范采用的以近似概率為基礎的設計方法不一致。第二種理論認為，混凝土結構耐久性設計應包括兩部分:計算和驗算部分以及構造要求部分。基于這種理論，李田、劉西拉等學者提出:S≤R，其中，S為內力設計值，R為結構構件的抗力設計值，為耐久性系數，是結構可靠度指標的函數。這種設計方法形式簡單，耐久性含義明確，且與現行規(guī)范采用的極限狀態(tài)設計方法相一致。但由于耐久性系數公式中的可靠度指標變化規(guī)律的分析方法需要對實際結構抗力衰減規(guī)律進行實測統(tǒng)計，進一步找出抗力隨機衰減過程分析模型。由于每個地區(qū)抗力衰減規(guī)律難以統(tǒng)計，并且即使是同一地區(qū)，由于使用環(huán)境不同，其抗力衰減規(guī)律也有所不同。因此，耐久性系數的計算不易實現，所以這種方法還需深入研究。

3 混凝土結構耐久性研究方向

3.1 材料破壞細觀機理與宏觀力學性能相關的研究

基于混凝土微裂縫的產生、擴展是一個典型的損傷發(fā)育和演化過程，現代損傷力學是研究這個過程的強有力的手段。因此，以現代材料測試手段為基礎，通過試驗測量及理論分析，獲得在非力學破壞因素作用下混凝土細觀結構的狀態(tài)改變量及相對應的宏觀性能指標的變化量，結合損傷力學的理論，建立混凝土耐久性衰減過程的損傷力學模型，以此來研究混凝土的耐久性破壞過程，進而可以此模型對混凝土結構的耐久性進行評估。

3.2 結合工程建立耐久性衰減或預測的多因素模型

由于目前國內外對混凝土結構耐久性的研究主要是在實驗室中針對某一具體影響因素展開的研究，而實際環(huán)境中混凝土結構遭受著凍融、碳化、鋼筋銹蝕等多種破壞因素的影響，其影響因素涉及材料、環(huán)境、受力狀況等諸多方面。因此，應該發(fā)展結構全生命周期內的耐久性研究技術，結合實際存在的多種因素影響模式建立基于工程實際條件的耐久性衰減或預測多因素模型，這應該是混凝土結構耐久性研究的主要方向之一。

3.3 混凝土結構耐久性設計方法的研究

欲真正實現混凝土結構耐久性設計，必須確定出類似結構強度設計那樣的設計參數。該設計參數是混凝土結構性能的特征參數。為此，需事先確定衡量混凝土結構耐久性的評定指標以及由此指標的損失率表示的混凝土結構耐久性完全失效的判定標準，還需確定混凝土結構性能退化規(guī)律即耐久性衰減規(guī)律或衰減模型。知道了混凝土結構耐久性失效標準和耐久性衰減規(guī)律，即可根據結構設計使用壽命確定混凝土結構的性能參數。該性能參數對于混凝土材料而言，可以用以確定混凝土的配合比，確定出的配合比參數與強度設計的配合比參數比較，取兩者的較嚴格的參數。混凝土材料的該性能參數可能是混凝土的孔結構參數或其它細觀結構參數，總之，其可以反映混凝土的本質特征。

3.4 混凝土結構耐久性檢測與評估方法的研究

目前有關混凝土結構耐久性評估都存在著效率較低，成本高、準確率較差、主觀經驗性的內容較多等不足之處，主要原因之一就是混凝土結構耐久性檢測技術尚不發(fā)達，評估方法還不很科學。所以，研究開發(fā)新的結構耐久性檢測技術尤其是高效準確的無損檢測技術，將是混凝土結構耐久性研究領域很有應用前景的發(fā)展方向。

總之，混凝土結構耐久性的研究具有巨大的現實意義和應用價值。

參考文獻

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