混凝土材料、工程与结构的耐久性问题建筑材料耐久性复习资料.docx

第一章 混凝土材料、工程与结构的耐久性问题（一）一、混凝土耐久性的历史与现状欧洲的输水故道、君士坦丁的巴西利卡会堂建筑、罗马的万神殿以及那不勒斯等地海岸上的罗马混凝土工程，尽管有的已经被海浪磨光了表面，有的长满了青苔，而混凝土却仍能保持完好。但是，20世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝土结构则出现较迅速地劣化。当暴露在侵蚀环境，例如除冰盐和海水中，桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结构在不到20年时间就出现严重的耐久性问题。在20世纪30年代，刚开始大力兴建混凝土结构时，人们普遍认为它的设计使用寿命起码是100年，而且基本无须维护，还绰绰有余。直到70年代，混凝土过早劣化的现象，仍被看作是例外，认为是由于规范存在问题，或者材料与施工不当所引起。混凝土结构的耐久性问题在美国引起轰动，是由1987年国家材料顾问委员会提交的报告所导致的。该报告写道: 大约 25.3万座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到20年，就已经不同程度地破坏，而且每年还将增加3.5万座。 同年，litvan 和bickley发表了对于加拿大停车场的检测报告，他们发现大量停车场在远比预计的服务寿命提前出现破坏的现象。gerwick等人分别报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象。而研究表明：这些结构物的设计、材料和施工都是符合现代技术发展水平的。 由于美国混凝土桥面板普遍出现开裂，因此转向使用高强度的混凝土，但是看来无济于事，甚至更严重：根据国家公路合作研究计划1995年的检查结果表明：上10万座混凝土桥面板在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔13米的贯穿性裂缝。 因此,1996年美国又启动了了一个高性能混凝土(hpc)桥面板的项目,结合该项目工作选择了四个气候环境各异的州铺筑了hpc桥面板,但是到2000年止,它们无一例外地都出现了明显地开裂。出于经济的、资源的、和环境的考虑，现在比以往更加注重混凝土的耐久性。 美国80，预计修补和翻修现有基础设施的年费用数以100亿美元计。2005年已经上升至600亿。许多公共机构已经为此消耗年建设投资中相当大的比例。 与更新相比，延长现有结构的使用寿命，减少维护费用的经济意义就越发重要。 发展更耐久的结构物，使用寿命达100年或者更长是当今可持续发展的战略的最重要措施。 “延长工程使用寿命是最大的生态与环境的保护，是最大的资源节约，是最可持续的发展”二、混凝土耐久性概念在良好的设计和制作的条件下，混凝土是一种相对耐久的材料（已知能使用百年以上）。但如果设计和制作不良，混凝土就容易劣化，使用寿命可以降至十几年以下，甚至几年。在某些环境下，没有混凝土是可以长久使用的。从而认识到，混凝土是一种只能有有限寿命的材料。混凝土建筑物、组合体或构件、结构或产品在使用中有害的环境因素影响下能在指定的时间内维持最低限度性能的能力，称为耐久性。1、 混凝土寿命的定义设计服役寿命考虑到时间离散性后，结构在设计上能提供的降低至标的使用寿命的安全性时的服役寿命。标的使用寿命由一般规范、顾客或业主规定的使用寿命。使用（服役）寿命制造和安装后在常规维护条件下能满足或超过最低可接受性能的时间长短。经济学服役寿命制造和安装后使用至性能下降而维修加固的付出在经济上已经不合理的时间长短。最终极限状态与垮塌或其它类似形式的结构失效相联系的结构状态。2、 混凝土的寿命与使用环境息息相关混凝土劣化（degradation）可以在各种化学（包括生物化学）或物理（包括荷载）的环境条件下进行。必须注意，实际混凝土的劣化往往在多个不同的作用的复合影响下进行，其中一种（些）作用的结果会使另一些作用更容易进行。为了研究方便，往往分别考虑和研究不同的作用，但是，必须考虑多因素综合作用的结果。因而历来就有总体论（holistics）和分解论（analytics）的两种不同研究路线和思维哲学。三、混凝土耐久性各论 混凝土耐久性问题分类与重要性排序一.化学腐蚀（重要性依赖于工程所处环境） 1.钢筋锈蚀（氯离子诱导引起碳化和中性化引起） 2.碱集料反应（存在活性集料和较高碱含量下才重要） 3.硫酸盐腐蚀（海水、地下水和土壤存在硫酸盐的环境） 4.酸蚀（酸雨、生物及特殊酸性环境） 5.盐蚀（除冰盐、海洋环境及沙漠环境） 6.电化学腐蚀（轨道交通的杂散电流腐蚀等）二.物理腐蚀（重要性依赖于工程所处环境） 1. 冻融破坏（具备反复冻融的环境） 2. 水淋溶与冲磨（水压下的长期水渗透或表面冲磨） 3. 荷载应力对腐蚀的促进作用4. 大气温度和湿度反复交替的作用1、 混凝土钢筋锈蚀钢筋锈蚀造成的混凝土结构的破坏和失效已成为影响混凝土结构耐久性的最主要因素。通常情况下，混凝土保护层的化学和物理环境可以阻止侵蚀性物质和钢筋的直接接触： （1）钢筋表面形成致密、稳定的钝化膜； （2）保护层的致密性延缓了氧气和水的进入。 但是，混凝土的中性化（主要是碳化）进程和腐蚀性物质（主要是氯盐）的侵入，导致钝化膜的破坏，保护层渗透性的增加又加剧了有害物质的侵入进程，一旦钢筋进入锈蚀阶段，混凝土即开始加速劣化。 混凝土钢筋锈蚀原理 阳极上：3fe8ohfe3o44h2o8e 阴极上： 4 e2h2oo2 4oh阳极上铁溶解，形成氧化铁沉淀，电子通过钢筋迁移到阴极;阴极附近的氧被还原，形成的oh通过溶液迁移到阳极。这个过程进行下去的条件是氧气持续供应和钢筋表面保持湿润。如果ph11.5，又缺乏cl，形成的氧化铁是一种连续而致密的薄层，具有钝化的保护能力。在ph11.5，形成的氧化铁或水合氧化铁是一种疏松不粘结的结构，腐蚀就会迅速起来。如果混凝土的渗透性很低，水和氧气供应很少，进一步腐蚀也可能被抑制，即使混凝土保护层被碳化，钢筋锈蚀也不一定发生。混凝土碳酸盐化导致钢筋锈蚀（1） co2h2ooh- h2co3 2h+co32-, 缺少oh-时，co2溶解度很低； 碳酸进入混凝土要依靠水渗透的通道。（2）ca2+co3- caco3, 与此同时，ch和c-s-h 被碳化， c-s-h 的ca/si比下降： xcaosio2(aq) yh2o y ca2+2yoh +(x-y) caosio2(aq) 碳化始于暴露的表面，碳化深度以正比于时间的平方根的速度向内推进。但是，混凝土保护层的致密性对碳化速度常数有极大影响。 碳化深度可以用酚酞测试出来。酚酞检验证明，碳化带内的ph值可下降至8.5，甚至更低。 正常混凝土的高ph的孔洞溶液稳定了钢筋的钝化膜，防止了铁锈形成和进一步腐蚀。在低ph下，这个钝化膜就不会稳定，钢筋锈蚀就要加速进行。氯盐侵入诱导钢筋腐蚀cl离子的小离子半径、高电负性和高化学活性，足以在高碱性环境下对钢筋的钝化膜产生破坏作用。可以归结为以下几个原因：（1）优先被钢筋表面吸附引起局部酸化；（2）击穿钝化膜，形成活化点原电池；（3）钢筋阳极反应的催化作用；（4）降低混凝土电阻，提高腐蚀电池效率。 当cl在水泥浆中的扩散变得容易和以及溶液中cl/oh的比例上升时， cl的诱导腐蚀作用就显现出来。图1-1 钝化膜的破坏与氯离子的循环催化作用示意图cl在水泥浆中的迁移主要是通过孔洞溶液进行的。包括在孔洞溶液中化学位能下的扩散运动、外部水压下随水渗透的运动以及毛细孔张力下随毛细孔水的运动。除非在饱和状态下，否则，由于毛细孔水的运动， cl的迁移将被大大加强，因此 ，毛细孔水运动是氯离子迁移的重要原因。 混凝土氯盐含量的极限值混凝土钢筋锈蚀速率与氯离子含量呈线性关系。并存在氯离子浓度临界值。同时发现，化学结合氯离子一定时间后也会溶解导致钢筋锈蚀，因此用总氯化物含量控制才合适。混凝土中允许cl-含量的限定值（水泥重量百分比）(美国aci标准） 类型aci201aci318aci222预应力0.060.060.08普通混凝土湿环境、有氯盐一般环境、无氯盐干燥环境或有防护层0.100.15无规定0.150.301.00.200.200.20我国标准：干燥环境有防潮措施钢筋砼不超过1%；潮湿不含氯离子环境不超过0.3%；潮湿含氯离子环境不超过0.1%。2、 混凝土碱骨料反应stanton在20世纪40年代发现，90年代分类为（1）碱硅酸反应（asr)；（2）碱碳酸盐反应（acr)；（3）碱硅酸盐反应（ascr)。（对后者有争议） 碱硅酸反应：孔洞溶液的碱（包括oh离子和碱金属离子）与骨料中某些类型的氧化硅反应，产生应力引起膨胀和开裂。 asr必要条件：足够高的碱含量；骨料中存在活性组分；水的供应。当量碱na2oe=na2o+0.66k2o。 asr现象：非约束的混凝土表面，会产生典型的细裂纹与粗裂纹交织的无序网络(“地图状开裂”）；在钢筋混凝土表面，裂纹倾向于平行钢筋。混凝土断面显示出裂纹可能穿过骨料，并出现特征性的凝胶，充填于裂缝或形成包裹骨料颗粒的反应环，等等。如果混凝土中当量碱的含量低于4kg/m3,波特兰水泥（不是复合水泥）制造的混凝土就不大可能发生asr，但为了把水泥日常的组成变化考虑在内，实践上提出了3kg/m3的限制。不考虑混凝土中水泥用量的变化的话，则水泥中碱含量就要限制在一个标准（na2oe.0.6）之内。diamond描述了活性sio2的类型： 充分应变的石英或微晶石英、 鳞石英、方石英和石英玻璃（高温石英）， 无定形范畴的sio2，它们以蛋白石、燧石、黑硅石和其它岩石形式的混合矿物出现。 蛋白石是特别高活性的sio2。 粗晶的，未应变的石英晶粒一般是非活性的。一些硅酸盐矿物和火山灰玻璃可能产生类似asr的反应。复合水泥混凝土和砂浆中asr的抑制 利用粉煤灰和矿渣在砂浆和混凝土中取代部分水泥，发现大多数情况下，尽管并不总能充分防止开裂，但确实减少了膨胀。如果这些掺合料不额外提供过多的碱，情况确实如此。说明掺合料对降低孔洞溶液的碱含量有作用。但必须充分注意掺合料的碱对asr的贡献。 掺合料形成的水化产物中碱离子的吸附对降低asr是重要的。 例如c-s-h的ca/si比低时，吸附更强烈，3、 硫酸盐腐蚀在含硫酸盐的自然水或污染的地下水中，砼会受到腐蚀，通常会导致强度下降、膨胀、表层剥落，最终砼解体崩溃。现场经验证明更重要的是粘结力下降和强度下降。反应现象：硫酸盐腐蚀形成一个反应带向内推进（见下图），xrd发现反应带内形成的主要产物是钙矾石，也常常有石膏存在。6ca2+2al(oh)4oh+3so4226h2o c6as3h32 ca2+ so422h2o csh 这时需要的so42来自外来硫酸盐，al(oh)、oh及ca2也来自未水化铝酸盐和铁酸盐，但al(oh)主要来自已经水化的铝酸盐产物。 c4ash12 4 ca2+2 al(oh)+4 oh+ so42+6h2o 但需要更多ca2。除非参与反应的是caso4, 否则，要靠ch的溶解，甚至c-s-h的溶解补充钙，这时会产生稍微多余的oh ： ch ca22 oh xcaosio2(aq)+yh2o y ca2+2yoh+(x-y) caosio2(aq) 如果na2so4或k2so4作为腐蚀剂，就会产生更多的oh,如果存在活性骨料，就有可能同时产生asr。说明 asr有可能是硫酸盐腐蚀的副反应或反过来，硫酸盐腐蚀有可能是asr的诱因。4、其它类型腐蚀：（a）冻融破坏 混凝土可以在冰冻，尤其是反复的冻结与融化交替过程中被破坏。通常在表面片状剥落开始，逐步向里延伸，也会产生深的裂缝。但是，如果孔洞没有足够数量的水，这种破坏就不会发生；在低水灰比，低渗透性的密实混凝土中，这种破坏会很小。 破坏机理 提出过多种解释。早期理论认为破坏是水的冻结直接产生的。但是，破坏混凝土部分的孔洞水并没有结冰，实测孔洞溶液冰点温度往往低于环境温度。 powers认为，表面附近水的冻结产生体积膨胀，驱使水向混凝土内部较小的毛细孔运动，由此而产生足以破坏毛细孔周围结构的应力。这个理论导致了引气剂的成功发展。研究证明，适当引气的混凝土在冻结时反而是收缩的。这是由于过冷水的蒸汽压高于同温度的冰，导致水从凝胶中向冰晶迁移，因而引起混凝土的体积不仅不膨胀，反而收缩。同时，引入的微气泡大大的舒缓了由于表层水冻结产生的应力。除冰盐的影响：为了保证行车安全，往往需要在道路上使用除冰盐降低冰点。由此带来的问题是：盐会渗入混凝土内部，在水蒸发时会结晶，由此产生的机械应力、热应力或脱水干缩都会引起混凝土的开裂。引起的表面损坏称为盐剥蚀。（b）水的淋溶作用 在混凝土中渗滤过的水和流动过的水有时会引起严重的损坏。包括纯水和水中携带的物质的共同作用往往统称为淋溶作用。 纯水可能移走氢氧化碱、溶解ch和分解水化硅酸盐剂铝酸盐相。平衡资料指出，淋溶的最终剩余物将是水合形式的氧化硅、氧化铝和氧化铁，所有cao将失去，到此阶段，水泥浆将解体崩溃。 水腐蚀的速度取决于混凝土的质量和形状，水渗滤的或流动过的速率，温度和水中溶解物质的浓度。自然水中其它物质，如co2、so42-,参与到腐蚀之中。 碳酸水腐蚀问题：不受污染的海平面空气中co2的分压是32pa, 与之平衡的纯水中的溶解物是co2、hco3-和h+,其中co2浓度为0.012mmoll-1,ph为5.6。 但是在地下水中，co2的浓度高得多，ph则较低。当水中co2的溶解度达到一定值时，会溶解caco3产生下列反应： caco3 co2 h2o ca2+2 hco3- 这种水也会溶解ch或c-s-h 或水化铝酸盐中的ca2+和oh-。其溶解的ca2+的数量受平衡中co32的限制。这就产生一种”腐蚀性碳酸“的概念。被定义为单位体积溶液中能够和caco3反应的co2的数量。四、混凝土结构劣化的整体论 混凝土结构的劣化，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入到混凝土内部时就会发生。在相互隔离的微裂缝（存在难以避免）和可见裂缝与孔隙相连通，就产生渗透。因此，渗透与开裂是紧密相关的。设计、生产和施工良好的开裂的几率较低，没有开裂的混凝土抗渗性很强，因此，混凝土的开裂是结构劣化的第一步。产生并延续开裂的原因则十分复杂，是整体论探究的重点之一。 适当的原材料组分并经过良好浇筑和养护的混凝土基本上是不透水的，应该在大部分环境条件下具有足够长的使用寿命。 然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是丧失对于上述劣化过程的抵抗力。 现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中控制开裂的基本道理给予足够的重视。长期以来，人们一直认为混凝土的强度与耐久性直接相关，这种观念主宰着耐久混凝土的配合比设计。20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律：即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。混凝土结构为什么会提前开裂? 为了控制混凝土的开裂，首先要对产生开裂的原因有充分的了解。事实上，混凝土是否出现开裂，总体上取决其内应力的积累与抗拉强度（更确切地说，是断裂能）的相对大小。影响混凝土的内应力，除了收缩变形外，还有徐变能力，以及在结构中所受约束大小程度。（1）塑性收缩 指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩，与其沉降、泌水程度和表面水分向外蒸发速率相关。 低水灰比（水胶比）混凝土拌合物体内自由水少，水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，因此表面更易于出现塑性收缩开裂。(2)干燥收缩 混凝土与周围环境存在湿度梯度，引起水分向外蒸发产生体积收缩的现象。主要是毛细孔水的弯月面向内收缩产生的张力（超过混凝土的抗拉强度）引起的。由于水分是通过表面向外蒸发，因此表面积/体积比大的构件，干缩就大。计算表明，毛细孔直径小于25nm时产生的张力就可能大于普通混凝土的抗拉强度（3） 热收缩（温度收缩）混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模增长，而松弛作用减小，受约束时形成大得多的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。简单热收缩与热应力计算混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的拉应力很容易超过它的强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为10106 / 若由于水化热产生的温升为15 则混凝土冷却时的热收缩为150106 而其弹性模量设为21gpa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达3.15mpa 超过一般混凝土的抗拉强度 因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂。(4)自生收缩 混凝土在没有温度变化，没有和外界发生水分交换，也不受力的条件下发生的表观体积变形称自生变形，自生变形时体积减小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化学减缩水泥（及掺合料）和水发生水化反应绝对体积减小的现象。徐变 硬化混凝土收缩应变受约束的条件下，引起弹性拉应力产生，可近似地看作弹模与应变的乘积；当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，材料出现开裂。但是由于混凝土的粘弹性（徐变），一部分应力释放（徐变产生的应力松弛），因此残余应力才决定混凝土是否会开裂。京珠高速开裂原因分析 1）基层为水泥稳定碎石，刚度大，对路面板约束强烈；2）路面板强度高、模量大，变形受基层约束产生高应力；3）纵缝切得过浅（23cm），横向收缩应力没有得到有效释放，从侧面形成进一步的约束；4）受超载重负和填方段路基沉降影响。四、运用整体论提高结构耐久性(安全性)许多已经试验过的，对混凝土耐久性问题的简化或者严密的解决办法都没有多少成效。必须认识到：没有一个整体论方法就达不到耐久的目的。 混凝土科学技术的整体论观首先在混凝土技术的研究中必须是整体论的，而如果今天工程教育的主导思想在总体上没有大的转变，特别是混凝土科学的教育没有大的转变，那么混凝土技术的研究要适合整体论是办不到的。显然，要发展整体论的混凝土技术，改革的过程必须从大学开始。大学是否正在正确地培训下一代的工程师和技术人员？ 第二章 混凝土结构耐久性设计1、影响混凝土结构耐久性的因素 结构耐久性定义：构件、结构系统、建筑物、构筑物在一定时间内维持其安全性、适用性的能力。 材料对结构耐久性影响的机理：由于各种物质（混凝土材料的组分、溶于水的各种物质及气体）在混凝土孔隙和裂缝中的迁移运动，导致混凝土产生物理和化学的劣化和钢筋锈蚀，其结果是结构承载力下降、刚度降低和开裂，以及外观的损伤。 影响物质迁移速度、范围和结果的内在因素是混凝土孔结构（总孔隙率、孔大小分布和连通率）和裂缝形态（数量、宽度、贯串程度）；外部因素是结构设计选用的结构形式和构造、混凝土和钢筋材料的性质和质量、施工操作质量、温湿养护条件和使用环境等。2、 混凝土结构耐久性设计设计的基本规定混凝土材料选用 、 构造措施和裂缝控制、施工要求、防腐蚀附加措施 3、 结构的设计使用年限分级级别设计使用年限 名称 示例一约100年 重要建筑物标志性、纪念性建筑物，大型公共建筑物如大型博物馆、会议大厦和文体卫生建筑、政府重要办公楼，大型电视塔等重要土木基础设施工程大型桥梁、隧道，高速和一级公路的桥涵，城市干线上的大型桥梁、大型立交桥，城市地铁及轻轨系统等二约50年一般建筑物和构筑物一般民用建筑如公寓、住宅以及中小型商业和文体卫生建筑，大型工业建筑次要土木设施工程二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵三约30年不需较长寿命的结构物可替换的易损构件某些工业厂房设计使用年限通常是指使用过程中仅需一般维护（包括表面涂刷）而不需要进行大修的期限。4、环境作用等级及分类例如：一般室内干燥环境（rh60%的室内混凝土构件）可列为a级； 室内潮湿环境和露天长期湿润环境（不受雨淋）则为b级； 干湿交替（例如靠近地表，与冷凝结露水接触）的构件应列为c级； 近海或海洋环境的水下区列为d级；大气区列为d级或e级；水位变化区和浪溅区列为e级（非炎热地区）甚至f级（南方炎热地区）； 大气污染环境下的汽车或机车废气直射的混凝土构件应列为c级； 酸雨频繁作用的构件列为d级；ph值4时列为e级； 除冰盐冻融环境列为d级（混凝土中度饱水）或e级（高度饱水）： 地下水（或土中）化学环境按照水（土）中so42-、co2、mg2+、cl-和ph值大小分级等等。5、 混凝土耐久性结构设计内容（1）耐久混凝土的选用。包括原材料选用（水泥品种与等级、掺合料种类、骨料品种与质量要求，外加剂要求等），配合比主要参数（最大水胶比、最大水泥用量、最小胶材用量）及引气要求。提出氯离子扩散系数、抗冻耐久性指数等指标。（2）与耐久性相关的结构构造措施与裂缝控制措施。 （3）与结构耐久性有关的施工质量要求，特别是混凝土的养护方法（温度和湿度的控制与养护期限）、保护层厚度的质量控制与质量保护措施。（4）结构使用阶段的定期维修与检测要求，以及维修与检测的通道设计。 （5）当环境作用非常严重或极端严重时，应考虑是否采用防腐蚀附加措施，如环氧涂层钢筋、阻锈剂、或水溶性聚合物乳液、混凝土表面涂刷或覆盖防护材料等。（6）对可能遭受氯盐引起钢筋锈蚀的重要工程，宜根据具体环境条件和材料劣化模型，进行结构使用年限的验算。6、混凝土耐久性设计一般原则 （1）选用质量稳定并有利于改善混凝土密实性和抗裂性的水泥和骨料等原材料；尽可能降低混凝土的拌合水量与水胶比并在混凝土组成中掺入适宜的矿物掺合料、高效减水剂和引气剂；（2）增加钢筋的混凝土保护层厚度；（3）采用的结构类型、结构布置和结构构造应尽可能有利于阻挡或减轻环境对结构的作用，便于施工和保证施工质量并便于今后的检查与维修；（4）注重防、排水和密封等构造措施，尽可能避免水和氯盐等有害物质接触混凝土表面，尽可能防止遭受干湿交替；（5）从结构耐久性出发，提出混凝土施工质量要求，特别是养护的要求；（6）对于严重环境作用下的重要工程，宜综合采用多种防护对策与措施，如结构锈蚀后启动阴极保护，也可以同时采用阻锈剂和涂层钢筋等。混凝土材料的选用一般原则： 选用的水化热和含碱量低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和高c3a含量的水泥； 选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料； 使用优质粉煤灰、矿渣等矿物掺合料或复合矿物掺和料；除特殊情况外，矿物掺合料应作为耐久混凝土的必需组分； 使用优质引气剂，将适量引气作为配制耐久混凝土的常规手段； 尽量降低拌合水用量，为此应外加高效减水剂或有高效减水剂功能的复合外加剂； 限制单方混凝土中胶凝材料的最高和最低用量，为此应特别重视混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要求； 尽可能减少混凝土胶凝材料中硅酸盐水泥的用量。（换言之，在满足最大水胶比限制和混凝土结构需要的最低强度的前提下，不宜追求混凝土的高强。 （更具体的要求可参看“混凝土结构耐久性设计与施工指南”） 构造措施和裂缝控制（1）合理选择结构构件截面的几何形状，使其不会成为侵蚀性物质的停留区。构件的截面积与表面积应有适当比例；（2）暴露在外的构件应力求外形简洁，尽量减少暴露面积，不会积水，有利于排水；例如设置滴水沟，表面粉光，以利排水；（3）混凝土墙板应注意通风，避免过高的局部潮湿和水汽积聚，要设计好承重构件与墙板连接处的接缝；（4）混凝土构件的配筋布置足够的钢筋间距，避免保护层不足引起构件过早锈蚀或保护层剥落；（5）构造的设计应避免出现大裂缝，例如荷载作用下，混凝土表面裂缝计算宽度不应超过0.2mm,对有氯离子侵蚀环境和预应力混凝土构件，其宽度不应超过0.1mm；（6）构件应力状态和大小会很大程度上影响结构的孔隙、毛细孔和裂缝的变化，因而影响混凝土的渗透性及其与活性介质作用的速度，任何情况下，例如张拉都会加大混凝土的渗透性，降低其抗腐蚀性，因此必须认真的设计混凝土的受力状态，减少它的影响；（7）要妥善布置结构接缝、施工缝的位置和构造，尽量避开布置在可能遭受最不利侵蚀环境的部位，如墙体靠近地表的干湿交替区段，浪溅区和水位变动区域。施工要求（1）严格控制用水量 用水量有两层含义，一是水灰比，二是单方混凝土用水量。前者对强度起决定性作用，在不开裂条件下决定混凝土的密实性（孔隙率和孔大小分布），因此对耐久性起重要作用。后者在水灰比相同情况下虽然不影响强度，但也影响混凝土中总孔隙率和密实性，使收缩量明显增加，容易产生收缩裂缝。因此也是十分重要的。至于在浇注时非计划性的加水，则更会严重增大离析泌水，降低耐久性。（2）有计划和充分振捣 按照操作规程有序的振捣，浇捣过程中要注意保持混凝土保护层厚度不改变。浇捣后混凝土表面抹光压平，以增加混凝土密实性、降低渗透性。大面积或大体积混凝土，要详细制定施工方案，防止出现冷缝。（3）及时和充分的养护对增强混凝土密实性和防止收缩开裂至关重要。方法：铺盖湿的覆盖物，或塑料薄膜、或直接在混凝土表面洒水、使用养护剂形成保护膜等。可单独或合并使用。直接洒水要注意不能造成混凝土表面与内部过大（20）的温差，气温小于5 不宜洒水。覆盖薄膜应注意防止内部水分蒸发，保持冷凝水。总的目标是一直保持表面层足够湿润使其强度正常发展。因此，必须及时开始（浇注完毕后12h内），和保证一定的养护期。（例如，对采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥的混凝土不得少于7d；对掺有缓凝型外加剂或有抗渗要求的混凝土不得少于14d；对水胶比大于0.45的混凝土养护时间还要长一些等等。 （4）防止过早拆摸和拆除支撑 施工阶段的混凝土强度低于28d强度发展期的强度，如果承受过大荷载，轻则变形和开裂，重则出现倒塌的安全事故。因此必须审慎决定拆摸和拆除支架的时间，严格按照既有的规范或规程执行（最短周期或强度百分率），同时依据混凝土结构和实际的情况做好调整。（5）施工单位要建立严格的质量保证体系 施工单位应具备iso9000国际质量检定资格。不仅是质量控制（quality contral),更要注意质量保证管理（quality assurance）。在建造阶段保证所使用的原材料品质符合产品标准和设计规定，不合格产品坚决拒绝使用；对商品混凝土配合比、坍落度应建立复检程序；对保护层厚度、构造细节的检查、配筋的核对、隐蔽工程的验收均应执行工程监理制度；施工程序和拆摸日期应有严格的施工组织设计；及时纠正与规范、规程、设计要求不符的认为差错和错误。 防腐蚀附加措施（1）混凝土表面涂层保护，包括无机涂层和有机涂层，无机涂层如水泥砂浆、石膏等，能延缓混凝土碳化速率，同时封闭部分开口孔道，减少渗透。有机涂层如丙烯酸树脂类乳浊剂、强弹性丙烯酸橡胶和强弹性聚合物等防水材料和有机聚合物系列、硅烷系列特殊改性树脂等疏水材料制成的混凝土涂层，技能阻止水向混凝土内部渗透和扩散，又有利于混凝土内部的水向外消散，具有很好的防护作用，其中聚硅烷和聚丙烯酸制成的复合涂层最为理想。（2）添加钢筋阻锈剂，是一种掺入混凝土拌合物中，通过单分子层的化学反应，抑制钢筋表面阳极和阴极反应的一种外加剂。分渗入型和渗透型，分别用于新拌混凝土或工程修复中。也分阴极型、阳极型和复合型。（3）电化学防护法， 有阴极保护法，电化学除盐法、电化学再碱化法等。（4）采用涂层钢筋，在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末，形成一层具有一定厚度的坚韧不渗透连续的绝缘层，可以隔离钢筋与腐蚀介质的接触。即使有氯离子侵入，它对氯离子也有极低的渗透性且没有化学反应。此外还有聚丙烯缩丁醛涂层钢筋、镀锌钢筋，包铜钢筋、合金钢筋、抗腐蚀钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强复合材料代替钢筋等。 7、混凝土结构耐久寿命的评估与预测 基础于现场混凝土调查的方法 快速试验方法 可靠性与随机过程概念方法 劣化过程数学模型方法 专家系统综合方法第三章 混凝土技术导论1、 混凝土的定义与用途 混凝土是将胶凝材料、水、粗细集料及各类化学外加剂按一定比例，经均匀拌合、密实成型及养护硬化后制成的人造石材（”砼“）。 从结构上，是由从较粗到较细的粒状材料（集料）镶嵌于坚硬的基质材料（水泥或胶结料）中组成的复合材料。基质材料填充于集料颗粒间的空隙中，并将它们胶结在一起。 水泥是最主要的胶凝材料，粉煤灰、矿粉、硅灰等活性矿物掺合料已成为配制高性能混凝土必不可少的辅助胶凝材料 。 混凝土内部结构 a） 悬浮-密实结构（连续级配）；b)骨架-空隙结构（细集料很少，粗集料相互靠拢）；c)密实-骨架结构（间断级配） 砼是世界使用量最大、使用范围最广的工程材料。使用量和使用范围都比金属材料、有机材料和其它无机非金属材料大得多。 它构成了土木建筑工程结构的主体、框架或维护架构，是承受及传递荷载和抵御气候环境侵蚀的主体。它与这些工程的使用性能、安全性能、耐久性能和与环境的适应性能都有着极其重要的联系 。 除了天然石材以外，砼是耐久寿命最长，成本最低廉，需要最少维护的工程材料；又是最容易现场施工和加工以及适应性最广（地球和太空任何环境）的材料。 “混凝土已经成为现代社会的基础”,”混凝土在工程领域发挥着其他材料无法替代的作用，已经成为现在社会文明的基石。是人类社会文明史发展的见证。” 你的生活离得开混凝土吗？“我们驱车经过砼铺设的道路和桥梁到达砼建造的建筑物，在其中生活、学习、工作或娱乐； 我们的货物可借助行驶在砼高速公路上的载重汽车、或奔驰于铺设在砼轨枕的钢轨上的列车、或系泊于用砼防浪堤维护的港口内的砼桩上的船舶、或在砼跑道降落或起飞的飞机来运输； 我们的饮用水和灌溉用水储存于砼的大坝后面，并经砼排水管，引水管和管道系统进行分配，这样储存的水同样可以用来发电； 砼建造的燃煤发电站和厚实钢筋砼建造的高压和高安全的容器的核电站用于发电；砼建造的钻井或离岸平台用于开采油.； 更不用说古代文明的很多标志，例如古罗马、古埃及很多不朽的早期文明由于采用了现代砼的前身材料而获得。” 美国尼克松总统科学顾问：”将来人类在太空中生存的最重要保护材料是混凝土,.混凝土将永远与人类共存下去”。 2、 混凝土技术发展过程从1824年发明硅酸盐水泥开始，混凝土就开始使用。这180多年中，混凝土科学与工程经历了四个发展阶段。（1）混凝土材料科学探索时期 1824年，英国人约瑟夫阿斯普提出了“波特兰”水泥的第一个专利，硅酸盐水泥诞生； 1887年英国mkoenen首次发表了钢筋混凝土结构计算方法，标志着钢筋混凝土时代的开始； 1918年，美da艾布拉姆斯（daabrams）建立了水灰比（w/c）强度公式。初步揭示了混凝土强度的基本规律。da艾布拉姆斯（daabrams）的水灰比（w/c）强度公式：当混凝土充分密实时，其强度与w/c成反比 。 1930年，瑞士鲍罗米（belomey）提出了混凝土强度与水泥标号及w/c之间的关系，从此开始了混凝土材料设计的新时代，砼真正能够设计了。 t.c.鲍尔斯（t.c.powers）40年代确立了混凝土强度增长与胶空比的关系，从理论上阐明了混凝土强度与毛细空隙的关系：空隙是削弱混凝土的最重要因素。 （2）干硬性混凝土及预制混凝土的时期 二十世纪40年代前，还没有出现用于水泥的表面活性剂，为了提高混凝土强度，降低水灰比和配制干硬性混凝土成为唯一选择。前苏联根据w/c理论开发了干硬性混凝土，通过降低水灰比获得高强，并研制了许多高效重型设备。开始了低水灰比、干硬性的高标号混凝土飞速发展时期30年代以干硬性混凝土技术为依托，建立起预制混凝土构件工业。1928年、法e弗列辛涅（efreyssinet）提出了混凝土收缩和徐变理论。并采用了高强钢丝和研制了锚具，为预应力技术在混凝土中应用奠定了基础。30年代开始，预应力混凝土开始应用于工程之中。 (3) 外加剂和流动性混凝土时代1937年，美ew斯克里彻取得了用亚硫酸盐纸浆废液改善混凝土和易性、提高强度和耐久性专利。（减水率10） 1962年，日服部健一等将萘磺酸甲醛高缩合物（聚合度n10核体）用于混凝土分散剂。与此同时（1963年），前联邦德国研制成功三聚氰胺磺酸盐甲醛缩聚物。 上述两种减水率都高达20-30% 1999年我国拥有外加剂骨干企业482家，总产量达123.5万吨，已居世界前列。2030年代，美欧设计出混凝土输送泵。 20世纪6、70年代开始了大流动性泵送混凝土的时代。3、 混凝土技术现状 现代建筑结构与施工包括现场浇注与预制装配两种形式。围绕着这两种建筑方式， 混凝土技术经历了从干硬性到流动性直至大流动性混凝土的发展过程； 混凝土生产方式经历了现场加工到工厂化的预拌商品混凝土的转变； 混凝土的施工技术也经历了从人工操作到全面机械化，以及泵送混凝土及预应力混凝土大量使用的转变。混凝土工程的生产效率与二次大战前相比已有翻天覆地的变化。 混凝土技术现状可以概括为以下四个方面： （1）预拌商品混凝土的生产已成为土木建筑工程的骨干产业。6070年代以后，以大流动性混凝土技术为支撑，以建筑现代化为目标，各国纷纷建立起预拌商品混凝土行业，以取代现场加工混凝土的做法，取得了技术上、经济上和环保上的巨大效益。我国在上世纪80年代以后也开始出现该行业。至今，预拌商品混凝土行业在发达国家和我国的大、中城市已经成为土木建筑工程的重要支柱。东部大中城市普及率已经超过80%。我国目前商品混凝土年产量估计已超过4亿米3，沿海大城市商品混凝土的生产能力已经达到或接近饱和。（2）流动性和大流动性的泵送混凝土大量代替干硬性及塑性混凝土 由于外加剂的性能的提高和磨细矿物掺合料的大量使用，大流动性，不泌水、不离析、宜泵送、宜成型，达到自密实的混凝土已经在日本、美国、欧洲和中国出现。 混凝土的流动性（坍落度）已经达到历史的最高水平。泵送混凝土在建筑行业中已经普遍使用。自流平、自密实的混凝土在工程中也开始使用。干硬性及塑性混凝土所占的份额已经大幅下降。例如，上海的金贸大厦工程使用的混凝土，最大一次泵送高度达到了382.5m；北京城建总构件厂制成的坍落度2427cm，扩展度5575cm的 c40c60和c80c100自密实混凝土，已使用于30项工程。（3）高强度、高性能、多品种混凝土大量开发与使用 工程中应用的混凝土强度等级明显提高。我国目前在混凝土结构中强度等级普遍为c25、c30、c40级，比上世纪50年代平均强度等级约为c15已大大提高。c50、c60级高强混凝土在一些大型工程中的应用量也日见增加。在预应力管桩构件、超高层建筑的钢管混凝土等结构中已开始使用c80级混凝土。 由过去的以强度为中心转变为以耐久性和功能性为追求目标，称为高性能混凝土。例如1996年建造的北京首都国际机场航站楼，在柱、梁、板结构中使用c60级高性能混凝土超过15万m3。 从50年前的单一品种逐步发展成为多品种化。目前使用的混凝土，按集料种类区分有：重混凝土、普通混凝土、轻集料混凝土、大孔混凝土等；按工艺的不同，现浇混凝土有泵送混凝土、碾压混凝土、真空吸水混凝土、喷射混凝土、自流平自密实混凝土等；预制混凝土有挤压混凝土、离心混凝土等；按混凝土性能区分，有早强混凝土、补偿收缩混凝土、高强混凝土、高性能混凝土等；按用途区分有水工混凝土、海工混凝土、防水混凝土、道路混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土、水下不分散混凝土等；按配筋方式区分有素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土、纤维增强混凝土等。 。(4) 预制混凝土构件工业面临着新的机遇与挑战 二次大战后以干硬性混凝土技术为依托，以建筑工业化为引导，各国建立了预制混凝土构件工业，在建筑中大量使用预制的梁、板、柱等构件；上世纪50年代预制混凝土构件工业在我国国内形成了独立的建筑行业。70年代我国受东欧各国“房屋工厂”的启发，进行预制构件的配套生产，并达到了组合整体建筑的水平。80年代为发展的巅峰期。三板一梁（预应力大型屋面板、长短向板、吊车梁）几乎覆盖全国，并推出了整间大楼板、叠合板、复合外墙板、grc板、预应力桥梁和转枕等新型制品。我国发达地区混凝土制备和制品成型采用强制式搅拌机、微机控制，高频振捣、钢模成型、干湿热蒸汽养护，其工艺理论与技术能力已经接近或达到国外先进水平。 80年代中期以来，大中型国有企业由于内受乡镇企业灵活机制的挑战，外受预拌商品混凝土现浇浪潮的冲击而陷入了困境。进入90年代，由于主导产品未能跟上现代建筑功能发展步伐，混凝土构件工业逐渐跌入低谷。但是，随着我国现代化建设的深入发展，预制混凝土构件工业在高层建筑、地下工程、特殊工程方面又找到了新的切入点。例如混凝土强度达100mpa以上的高压管桩、地下铁道和隧道工程中应用的预应力管片、新型墙体材料和各种新型建筑砌块、市政建设中的各种新型构件和特殊输排水管道等等，对于构件工业带来了新的机遇与挑战。4 、 混凝土工程的主要工艺过程 经过混凝土原材料的选择与配合比设计与试验以后，混凝土生产工艺的主要环节为： 混凝土拌合物制备和质量检验与控制 混凝土的运输与输送 混凝土结构与构件的成型 混凝土的养护 混凝土工程质量检验与验收混凝土原材料的选择水泥及胶凝材料作用：（1）包裹集料表面并填充集料空隙；（2）使混凝土拌和物具有适于施工的工作性能，作为干涩集料之间的润滑材料；（3）使硬化混凝土具有所需的强度、耐久性等重要性能。硬化水泥浆的性能主要取决于水泥的性能、水灰比、水泥水化程度等。标准规定的性能：水泥最重要的性质是强度、体积稳定性以及与环境相互作用的耐久性。为了便于施工和合理确定工艺参数，水泥需水量和拌水后的凝结时间也是相当重要的指标。从国家标准角度，符合各强度等级要求的龄期强度；不存在安定性问题；凝结时间在规定范围之内；有害物质（过多的so3,k、na、cl）的含量不超标，混合材掺量符合要求。是一个最低最基本的要求，实际没有优劣之分。实际上，水泥的使用性能，也称建筑性能，才是使用者最关心的。 水泥的建筑性能一般是指水泥用于砂浆和混凝土时的需水性、工作性能、体积稳定性（收缩与开裂）、水化热大小、与外加剂的相容性、质量均匀性及稳定性，和各种环境下的耐久性等。它既包括了水泥标准中规定的水泥基本性能，但又与工程需要更紧密相连，是对水泥标准特定情况下的补充。 根据水泥的建筑性能，水泥有了优劣之分: 同样条件下，水泥需水量越少，水泥品质越高； 同样需水量时，水泥或砂浆或混凝土的流动性越 好，水泥品质越高； 水泥配制的砂浆或混凝土收缩率越低，开裂风险越小，水泥品质越高； 同样品种的水泥，水化热越低，品质越高； 水泥品质的波动性（主要指强度、需水量、凝结时间三大指标）越小，水泥的利用价值越高； 水泥配制的混凝土抗腐蚀能力和耐久寿命越长，水泥的价值越高。 水泥能够使用的外加剂越广泛，用量越少，性能越好，水泥的品质也越好。集料的作用：（1）在经济上，它比水泥便宜，作为廉价的填充材料，降低混凝土的成本；（2）在技术上，集料的用量、品质和