（岩土工程专业论文）碳化与锈蚀对地下结构服役性能的研究.pdf

摘要 摘要 随着各国地下工程建设的增多，地下混凝土结构耐久性的问题也受到越来 越多的重视，地下混凝土结构耐久性与地面混凝土结构的不同，由于其所处的 独特环境以及特点，使得大量地下工程出现过早的损害，为了科学维护地下结 构和科学预测其剩余使用寿命，需要加大加深对该领域的研究。 首先，本文对地下混凝土结构耐久性的主要影响因素以及在多因素影响下 的耐久性劣化规律进行了分析，并围绕地下结构在应力状态下的碳化腐蚀，通 过参考相关试验数据，综合考虑应力水平、材料强度、温度、湿度、二氧化碳浓 度等五个因素对混凝土结构碳化腐蚀的影响对数据进行拟合，建立了多因素交 互影响的碳化模型经验公式。 其次，引入混凝土碳化残量公式，初步建立了钢筋开始锈蚀的时间预测模 型，使地下混凝土结构中钢筋开始锈蚀时间预测模型更具有理论性。同时建立 了全面考虑氧气浓度、温度、相对湿度、保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度 等多因素的钢筋锈蚀量预测模型。 最后，依据两个寿命评判准则分别建立了基于混凝土碳化的寿命预测模型 和基于钢筋锈胀的寿命预测模型，同时对提高地下混凝土结构耐久性提出了一 些措施。 关键词：地下结构，多因素作用，碳化预测模型，碳化残量，寿命预测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s ，p e o p l ea t t a c h i m p o r t a n c et ot h ed u r a b i l i t yp r o b l e m so fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s m o r ea n dm o r e d u r a b i l i t yo fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s i sd i f f e r e n tf r o mt h a to fg r o u n dc o n c r e t e s t r u c t u r e s d u et os p e c i a le n v i r o n m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c s ，al a r g e a m o u n to f u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ss u f f e re a r l yd a m a g ea n d n e e dm a i n t a i n i n g i no r d e rt o m a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sa n dt op r e d i c tt h e i rr e m a i n i n gl i f e ，i t i su r g e n tt oe x t e n da n dd e e p e nt h ef i e l do fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sd u r a b i l i t yr e s e a r c h f i r s t l y , i ta n a l y z e st h em a j o r f a c t o r st h a ta f f e c tu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s d u r a b i l i t y a n da l s ot h ed u r a b i l i t yd e t e r i o r a t i o nl a wc o n t r o l l e db ym u l t i - f a c t o r si nt h i st h e s i s a r o u n dc a r b o n i z a t i o nc o r r o s i o no fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e su n d e rs t r e s ss t a t e ，w e m a k er e f e r e n c et ot h er e l a t e de x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o n s i d e rc o m p r e h e n s i v e l ys t r e s s l e v e l ，m a t e r i a li n t e n s i t y , e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , c 0 2t h i c k n e s sa n d e t c t of i td a t ao fi n f l u e n c eo fc a r b o n i z a t i o nc o r r o s i o no fc o n c r e t es t r u c t u r e b ys t u d y i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i o u sf a c t o r sa n dc a r b o n a t i o nr a t eo fc o n c r e t e ，a e m p i r i c a lf o r m u l ao fc a r b o n i z a t i o nm o d e li n f l u e n c e db ym u l t i f a c t o r si se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h ef o r m u l ao fc a r b o n i z a t i o nr e m a i n sa n dc o n s i d e r st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o n i z a t i o nr e m a i n sa n ds t e e lc o r r o s i o n ，at i m ep r e d i c t i o n m o d eo ft h ei n i t i a lc o r r o s i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t ei st h u se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，a p r e d i c t i o nm o d e lo fs t e e lc o r r o s i o np e n e t r a t i o nw h i c h t a k e sm a n yi n t e g r a t e df a c t o r s i n t oa c c o u n t ，s u c ha so x y g e nd i f f u s i o n ，t e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , c o v e r i n g c o n c r e t et h i c k n e s s ，r e b a rd i a m e t e ra n dc o n c r e t es t r e n g t h f i n a l l y , b a s e do nt h et w ol i f e t i m e a s s e s s m e n tr u l e sp r e d i c t i o nm o d e s o fc o n c r e t e c a r b o n i z a t i o na n ds t e e lr u s te x p a n s i o na r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l y , a tt h es a m et i m e ， s o m es u g g e s t i v em e a s u r e sh a v e b e e np r o v i d e dt oi m p r o v et h ed u r a b i l i t y o f u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，m u l t i - f a c t o r s ，c a r b o n i z a t i o np r e d i c t i o n m o d e l ， c a r b o n i z a t i o nr e m a i n s ，l i f e t i m ep r e d i c t i o n 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 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视。目前地面混凝土结构及海港、水工结构的耐久性研究已经成为工程科学研 究的热点问题，但是对地下结构的耐久性研究尚很不够。以往人们普遍认为， 地下工程的混凝土结构不会自然损坏和失效，能够满足5 0 年或更长使用年限的 要求，但是在近些年来，这种观念正逐渐发生变化。我国在5 0 年代宝成铁路和 在6 0 年代修建的成昆铁路，部分隧道均出现了不同程度的耐久性损伤，需要部 分的维修或改建；国内如北京、天津、香港，国外如日本、美国、法国、意大 利等地的地下工程都发生过因地铁迷流腐蚀而导致的工程问题和交通事故。尤 其是地下工程建设资金投入巨大，且维修或改建都比较困难，由此对地下混凝 土结构耐久性提出了更高的要求。 目前对混凝土耐久性的研究工作还不能满足日益增长的各类结构工程建设 第一章绪论 的需求，尤其对于地下结构工程的耐久性，更是急需深入研究。这对于优化设 计、降低造价、节约成本来说具有深远的现实意义；同时作为技术储备，对于 解决类似的工程问题具有前瞻性。 1 2 混凝土结构耐久性研究现状 1 2 1 地上结构耐久性的研究 1 2 1 1 国外研究概况 国外的相关研究开始于1 9 世纪4 0 年代，2 0 世纪6 0 年代进入研究的高峰期。 在大量研究工作基础上，国外的部分科研成果正逐步应用于工程实践并成为指 导工程设计、施工、维护等的标准性技术文件。如美国a c l 4 3 7 委员会1 9 9 1 年 提出的“已有混凝土房屋抗力评估 最新报告中，提出了检测实验的详细方法 和步骤；日本土木学会混凝土委员会于1 9 8 9 年制定的混凝土结构物设计准则： 1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布的耐久性混凝土结构设计指南反映了当时 地面混凝土结构耐久性研究水平；2 0 0 1 年亚洲混凝土模式规范委员会公布了亚 洲混凝土模式规范( a c m c 2 0 0 1 ) 提出了基于性能的设计方法。 1 2 1 2 国内研究情况 从2 0 世纪6 0 年代初期的南京水利科学研究院展开对钢筋锈蚀的研究开始， 国内的混凝土耐久性研究至今已有4 0 多年的历史。目前混凝土结构耐久性问题 已成为土木工程学科研究的热点。2 0 世纪6 0 年代主要研究的内容是混凝土的碳 化和钢筋的锈蚀。8 0 年代初我国对混凝土结构耐久性进行了更加广泛和深入的 研究，取得了不少成果。1 9 8 2 、1 9 8 3 年连续两次召开了全国混凝土耐久性学术 会议，为随后混凝土结构规范的科学修订奠定了基础，推动了混凝土耐久性研 究工作的进一步开展。铁道部、交通部和中国土木工程学会等有关部门结合工 程的需要对混凝土结构的腐蚀组织进行了试验研究，收集了大量的试验数据。 各个高等院校作为科研工作的主要力量之一，也为混凝土耐久性研究做了很多 的工作。1 9 9 1 年1 2 月在天津全国混凝土耐久性学组成立了，它的诞生将使我国 混凝土结构耐久性的研究朝系统化、规范化的方向迈进了一步。国家科委1 9 9 4 年组织的国家基础性研究重大项目“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基 础研究 取得了很多研究成果。2 0 0 0 年5 月在杭州举行的土木工程学会第九届 2 第一章绪论 年会学术讨论会上，混凝土结构耐久性是会议的主题之一。2 0 0 1 年1 1 月国内众 多相关专家学者在北京举行的工程科技论坛上，就土建工程的安全性与耐久性 问题进行了热烈的讨论，混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视。此外， 作为建设部“九五”科技研究课题的混凝土结构耐久性设计建议已于2 0 0 3 年编制完成。 总体上说，可以将国内外已有的对地面钢筋混凝土耐久性的研究归类为： 从大的研究方向看有对既有各类建筑物耐久性状况和对拟建各类建筑物耐久性 设计两方面的研究【1 3 】：从研究对象来看有材料、构件和结构之分【4 捌；从具体研 究内容看则主要涉及化学作用( 包括碳化作用和各类离子侵蚀等) 、杂散电流、 裂缝影响、混凝土收缩、应力腐蚀、地震灾害、冻融破坏、生物作用等各类因 素睁1 3 j ；从研究方法和手段上看有经验或类比法、快速试验回归法、极限状态分 析法、概率统计法、层次分析与故障树法、神经网络法、专家系统方法等【体2 0 】。 可见， 目前对地面混凝土结构耐久性的研究己有较长的历史，并在理论与实 践两方面均取得较为丰硕的成果。当前国内外对混凝土耐久性的研究主要集中 在混凝土碳化理论及各种计算模型、混凝土耐久性的影响因素、破坏机理、规 律及试验方法、氯离子扩散过程及系数的确定、钢筋锈蚀量预测、混凝土结构 耐久性评估与寿命预测、可靠性理论与分析方法、以及其他学科领域在结构耐 久性研究中的应用等方面【2 1 。冽。 1 2 2 地下结构耐久性的研究 由于种种原因，地下混凝土结构耐久性的研究历来为人们所忽视，极少对 其展开专门、系统的研究。国内对地下混凝土结构耐久性的研究工作尚处于开 始阶段；国外现有的一些研究成果表明该方面的研究工作尚不多，而且比较零 散和不够深入，侧重于针对具体工程应用性方面的研究，涉及的范围主要为地 下管线、地下贮藏室或填埋场、隧道工程、地下腐蚀环境对钢筋混凝土的腐蚀 性及耐久性水泥材料的开发等方面，并且研究内容仍主要局限在材料学科方面。 1 2 2 1 国外研究概况 美国、法国、德国等上世纪六十年代以来为提高地下管道、停车场、燃料 贮藏库的耐久性而进行了一系列的研究工作，主要是在材料性能和构造措施方 面 2 9 - 3 2 l ；日本于1 9 9 4 年寻求建立地下混凝土结构的抗渗性耐久性评价模式【3 3 1 ， 3 第一章绪论 以及1 9 8 6 年研究开发港口、码头用的高性能水泥混凝土【3 4 1 ；英国、中国台湾近 年来对于地下水对地下工程结构的腐蚀性也做了部分研究工作【3 5 矧。美国于上世 纪末研究火山灰、矿渣等掺加物对降低混凝土渗透性的作用及碱骨料反应影响 耐久性的试验【了m 引，1 9 8 7 年美国学者j a n s e ncm 研究用浦尔拜图( p o u r b a i x d i a g r a m ) 预测岩土环境中废玻璃耐久性的方法i 删；l o m a x 等于2 0 0 2 年发表了 阴极保护系统防治氯离子腐蚀地下蓄水池钢筋混凝土结构的研究成果【4 1 】； m o g i l e v s k a y a 早年曾对土体流变影响地下连续墙稳定性及耐久性的方式进行了 初步研究【4 2 】；e s c a l a n t ee 于1 9 8 7 年对土壤中钢筋腐蚀进行了测试研列4 3 】；c l a r k e 和w i l l i a m ( 1 9 8 4 ) 研究超细微耐久性混凝土在地下工程中的应用；在地下侵蚀性 环境中混凝土材料耐久性试验方面，美、英、韩等国也做了相应的研究工作【辑稍】； 日本曾建立雨水渗流系统对地下管线、u 型沟、路基等的渗透性进行了近2 0 年 的观察研究【4 川；在先进设备仪器、技术开发方面，美国的地下工程火灾探测 ( l i t t o n ，1 9 8 6 ) 、扫描电子显微镜法分析材料组分反应变化( l u o ，e t c ，1 9 9 5 ) 、英国 伦敦地铁结构修复与补强中对碳纤维复合材料的应用( m o f i a r t s l 9 9 8 ) 、 法国在 地下工程结构灌浆施工中采用新技术以增加耐久性( a n o n ，1 9 9 1 ) 、日本开发 出新型光纤维振动传感器用来检测与诊断工程结构的健康度( k a g e y a m a ， e t c ，2 0 0 3 ) 瑞士总结了钢纤维湿喷工艺在大型地下工程中应用以增强抗力的实 践经验( g a r s h o l ，1 9 9 5 ) ；此外，美国从8 0 年代开始由能源部组织展开了对核废 料及玻璃的地下掩埋场的隔离拱顶耐久性的系列研究1 5 0 - 5 9 1 。 1 2 2 2 国内研究概况 1 9 9 4 年关宝树、高波【删曾总结日本在隧道剩余寿命研究中引入“健全度” 的概念及方法，以及美国在工程结构损伤评估中引入“结构损伤度”的概念，这 种“健全度”或“损伤度 是以隧道破坏、劣化现象的严重程度进行等级划分作 为评定依据的，具有一定的粗糙性和主观性，有待进一步完善；李永和对采矿工 程中的锚喷材料建立了损伤蠕变本构方程及钢筋锈蚀性状和裂纹扩展轨迹；全国 土壤腐蚀网站于6 0 年代初在全国多处地方埋设硅酸盐钢筋混凝土试件【6 1 1 ，3 0 余 年后分析发现腐蚀严重，不同地区试件抗压强度降低7 一7 3 ，混凝土中性化深 度达1 5 4 - 4 2 5 m m ，混凝土中钢筋面积锈蚀率为1 8 9 2 ，得出结论硅酸盐材 料在地下的耐久性及耐腐蚀性能较差，不宜用于重点地下结构工程。2 0 0 3 年杨林 德教授发表了题为“公路隧道混凝土衬砌结构的耐久性与保护层厚度 该论文 4 第一章绪论 对影响公路隧道混凝土衬砌结构耐久性的因素进行了分析，基于氯化物对混凝土 的侵蚀和混凝土碳化规律的研究，对公路隧道衬砌结构的设计基准期改为1 0 0 年 后最小保护层厚度的确定方法提出了估算模式，对其取值提出了具体建议。2 0 0 4 年杨林德、潘洪科等以上海地铁实际情况及上海一般土层地质特点，对地下结构 耐久性尤其在有别于地面结构的影响因素方面进行详细分析，化学作用、杂散电 流、结构物差异沉降、受力变化等是主要影响因素提出了耐久性评估和使用寿 命预测，以及耐久性试验方案。2 0 0 7 年1 1 月潘洪科举办了“地下工程结构耐久性 研究的现状与思考”讲座。该讲座阐述了近年来，各类地下及岩土工程发展迅猛， 但相关耐久性研究工作却严重滞后的现状；并对各类大型地下工程的建设、研究 现状，存在的不足及发展趋势进行总结、分析和展望。 1 2 3 地上结构与地下结构耐久性研究的关系 地面建筑物结构耐久性与地下工程结构耐久性既有相似与共同之处，又存 在一定的差别。目前，因为对地面结构耐久性的研究相对较多，而对地下结构 耐久性的研究相对滞后，因此，在加快对地下结构耐久性研究的同时，应充分 借鉴和引用地面结构耐久性研究的方法、经验、成果，两者相辅相成，共同构 成对整个钢筋混凝土结构工程耐久性研究的体系。 1 2 3 1 地面结构与地下结构耐久性研究的相似点 从两者使用的建筑材料来看，都是以钢筋、混凝土为主要的构筑材料( 差 别在于周围环境介质不同及由此引起的一系列区别) ，因此在材料和构件层次的 耐久性研究方面有相似的地方，很多方法和研究成果可以相互借鉴、引用。 从其耐久性的研究思路、方法、手段上分析得知，地下结构也可以借鉴 地面结构的诸多成功经验，比如按对混凝土耐久性影响因素分为单一或综合分 析，以及按抗力衰减规律或试验回归建立数学模型的思路等，还有随机概率的 方法、可靠性原理、层次分析法、神经网络预测法、专家系统等。这些方法在 地面结构耐久性研究中已有了一定的应用，同样可用于地下混凝土结构耐久性 能的研究中。 在分析相同的影响因素时，其对地面混凝土结构与地下混凝土结构的耐 久性破坏机理、作用原理是相同的，如考虑化学作用时的碳化机理或氯离子电 化学腐蚀原理等，以及混凝土收缩、温度应力产生裂缝破坏，冻融循环破坏原 5 第一章绪论 理等都是相同的，只是在具体作用方式、程度上有不同，同时因地面与地下结 构环境的不同，其破坏因素、途径、方式也存在一定的差异。 1 2 3 2 地面结构与地下结构耐久性研究的主要区别 地面结构主要与空气介质接触，其环境影响主要取决于空气中c 0 2 及其 它侵蚀性物质的含量；而地下结构由于处于地下环境中，含水较为丰富，不可 避免存在地下水压力及其渗透问题，同时水体中还将运输各种侵蚀性介质。因 此，研究地下水渗透与侵蚀性物质共同作用对地下混凝土结构耐久性的影响机 理、方式、规律等有着深刻的理论意义。 地下混凝土结构埋置于岩土体中，其承受四周地应力及外荷载作用的特 点以及应力状态受多种不确定性因素影响而存在不稳定性变化的特点也是明显 不同于地面结构的。应力状态将影响结构内力及孔隙率，从而影响渗透性和耐 久性因此研究结构物在复杂应力作用下及与岩土中侵蚀性物质共同作用下的 耐久性破坏规律是很有必要的。 地下结构由于必须在复杂地下条件中施工修建，面临各种困难，因此施 工工艺及质量问题对地下结构耐久性的影响将是不可回避的，主要涉及施工荷 载干扰、应力变化对结构内力的影响，施工振捣、水泥浇筑等工艺方面对结构 抗力的影响及对结构防腐蚀性能的影响，以及其他各种影响结构耐久性的施工 因素的分析及其影响机理、过程、控制方法的评价。 杂散电流也是地下工程结构中所独有的，主要指城市轨道交通及地下变 电站等其他需要地下电源的情况下，杂散电流对地下设施、地下管道、钢轨及 地下结构钢筋的腐蚀作用，尤其在地下结构防水和绝缘不好及存在较强腐蚀性 物质共同作用时，杂散电流的腐蚀破坏更甚。 1 2 4 地下结构耐久性研究的不足 从前面的论述可见。目前国内外对地下结构耐久性的研究工作虽己有所涉 及，但主要是针对一些具体工程进行的抗渗补强类防治措施等方面的研究，以 及延缓材料老化等方面的研究。因此目前研究工作还存在很大不足和有待深入 之处，尤其是国内的研究工作很少且没有形成完整的理论。本文综合分析认为 主要的不足之处有以下几方面： 缺乏对地下结构耐久性的相关基础理论的深入、系统、专门的研究，例 6 第一章绪论 如对结合岩土介质环境下的耐久性影响因素及作用机理的深入研究不够，对地 层介质中线形结构因空间不均匀变形而裂损的机理、影响因素与发展规律迄今 仍研究较少，对地下水渗流及其与侵蚀性环境的综合作用影响地下结构物使用 寿命的机理与规律迄今仍知之不多，对由支护结构的施工质量问题引起混凝土 材料性能劣化导致地下工程结构物使用寿命缩短的规律缺少量化评价方法等， 都是在不同场合导致地下工程结构物裂损和耐久性失效的原因。显而易见，加 强对这些基础理论的研究是十分必要的。 目前对地下结构耐久性的研究工作尚缺乏统一长远的规划，仅有的为数 不多的机构、部门及学者的研究工作都处于相对零星的独立操作之中，而且研 究的范围和深度都远远不够，所取得的研究成果也未能统一起来，重复性工作 较多。另外，在技术规范及标准的制定方面也极为不够，国内外几乎尚没有系 统的成文的标准规范，( 仅有一些部门的或地方性的标准涉及有构造措施、裂缝 控制、材料组份指标要求等近似耐久性方面的规定、说明) ，以致在地下结构耐 久性设计、施工时仍参考地面结构进行。 从耐久性研究角度和方法看，目前一般采用的是单一因素分析法，而不 考虑各因素间的交叉影响，这是与实际情况有出入的。工程实际中，结构耐久 性劣化一般是多种因素共同作用造成的，这种共同作用非简单叠加，而是相互 影响的。 在耐久性研究范围和影响因素分析中，目前的研究工作主要考虑的是环 境和材料因素及部分施工因素的影响，如温湿度、碳化、侵蚀性离子环境、杂 散电流、水灰比、水泥品种、混凝土浇筑及振捣等都有所研究；而在结构与力 学因素方面考虑极少，如荷载、裂缝、应力应变、差异沉降、地下水渗流与变 异、土壤环境下侵蚀物质反应过程、施工过程等，对于与岩土体紧密接触的地 下工程结构物，这些因素是很重要的。 1 3 地下混凝土结构耐久性研究的方向及目标 地下混凝土结构耐久性的研究是一个多学科、多目标的系统工程，涉及材 料、结构、数学、化学及力学等多个领域，其影响因素众多，涉及的问题复杂。 目前，人们还不能对地下混凝土结构的耐久性进行科学的设计及评估，因此， 本文建议把研究的目标分为长期与短期两个阶段。 7 第一章绪论 1 3 1 短期目标 短期目标为：借鉴地面混凝土结构耐久性的研究成果，针对地下混凝土结 构耐久性失效的特点，早日制定出切合实际的、为工程设计人员习惯的耐久性 设计与施工规程。目前，我国正在进行大规模的地下轨道交通建设。因此，在 设计及施工阶段考虑混凝土的耐久性，其长远效益及意义是不可低估的。 1 3 2 长期目标 长期目标为：开展地下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，分析影响结构耐久性的因素，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，建立起地下混凝土结 构、构件及材料在多种荷载( 荷载、环境侵蚀等) 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的可靠度意义上的耐久性设计及评估方法。 此外，还应考虑综合造价这一重要因素，树立“立足前期措施，着眼长远效益 的观念这也是美国经过正反两个方面的经验教训所得出的可贵结论。推行“全 寿命经济分析法( l c c a ) ”，即在设计及施工阶段，不论是事先采取预防措施还 是以后“坏了再修”都要做出经济分析，使工程项目在其“寿命期”内综合建 造费用最低，这样可以避免“短期行为 所造成的后期巨大经济损失。美国学 者曾用“五倍定律”形象地说明了耐久性设计的重要性，即设计时对新建项目 在钢筋防护方面每节省一美元，就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施多追加维修 费5 美元，顺筋开裂时多追加维修费2 5 美元，严重破坏时则多追加维修费1 2 5 美 元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于混凝土结构耐久性 的研究。 总的说来，钢筋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 再是强度而是性能( 耐久性) ，即由强度设计向性能设计转化，而地下结构混凝 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。 1 4 本文主要工作 影响地下混凝土结构耐久性损伤的原因众多，有混凝土的碳化、钢筋的氯 离子侵蚀、化学侵蚀及混凝土的冻融侵蚀等，围绕地下混凝土结构耐久性问题， 有不少应用基础课题急需研究解决。它们制约、影响着地下混凝土结构的发展 8 第一章绪论 和推广应用。为此，本文将针对地下混凝土结构这一特殊建筑所处的侵蚀环境 ( 碳化作用及氯离子侵蚀) ，进行如下几方面的研究工作： 1 对混凝土工程结构耐久性尤其是地下结构耐久性的研究现状进行了全面 的总结、归纳和分析，并对地面与地下结构耐久性的联系与区别进行了深入探 讨。 2 对混凝土碳化深度的公式进行总结并分析其优缺点，并通过在有应力作 用的快速混凝土碳化试验的数据上得到碳化深度与混凝土强度、环境温度、环 境湿度、二氧化碳浓度以及应力状态等五个因素之间的关系。 3 通过引入混凝土碳化残量的计算公式，确定钢筋开始锈蚀的时间预测模 型。并通过研究与钢筋锈蚀有关的因素与钢筋锈蚀速度之间的关系建立多因素 条件下钢筋锈蚀量的实用模型以及钢筋混凝土保护层开裂的时间预测模型。 4 提出了地下结构耐久性寿命的几个不同的评判准则和寿命预测方法。依 据建立的地下混凝土结构碳化模型，可方便、简单地直接对地下工程结构进行 碳化耐久性评估，当以钢筋锈胀开裂作为耐久性寿命判断准则时，引入损伤理 论进行分析，最后总结了结构使用寿命为钢筋开始锈蚀的时间与上钢筋锈蚀后 引起混凝土结构保护层开裂的时间之和。 9 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 2 1概述 2 1 1混凝土的中性化 地下混凝土结构腐蚀破坏主要分为混凝土的破坏和钢筋的锈蚀，而对结构 安全性影响最大的是钢筋的锈蚀破坏。混凝土中使钢筋腐蚀的原因很多，通常 有混凝土中性化【6 2 j 和c i 一侵蚀等。 导致混凝土中性化有很多原因，概括一下总共有四中情况。 其一为酸性气体，共有三类酸性气体侵蚀混凝土并使钢筋锈蚀【6 3 】：第一类 是可通过与混凝土的化学反应生成不溶或难溶性钙盐，混凝土的碳化就属于这 一类腐蚀，属于这类腐蚀的气体还有氟气、氟化氢等。第二类的化学反应产物 可产生体积膨胀，二氧化硫、三氧化硫和硫化氢等都属于这类。第三类的化学 反应物是易溶和吸湿性盐，这类盐不仅可以破坏混凝土，而且可以直接腐蚀应 力钢筋和普通钢筋，氯盐腐蚀就是属于这一类腐蚀。此外，氮氧化合物和硝酸 蒸气对钢筋的腐蚀性也较大。其二为酸性液体，酸性液体是指含有硝酸、硫酸、 盐酸的无机酸盐类和含有醋酸、乳酸的有机酸类以及含有混合酸的工业废水。 它们对钢筋混凝土有强烈的腐蚀作用，液体中p h 值越低，其侵蚀性就越强。混 凝土本身是不耐酸的，在酸性环境中的混凝土建筑物需要对其进行防腐蚀的措 施保护。其三为酸性固体，如在原材料、产品或废弃物中含有酸性固体物，则 它们与混凝土建筑物接触，都会使混凝土中的钢筋受到腐蚀进而使混凝土结构 受到侵蚀破坏。其四为微生物腐蚀，微生物对混凝土和钢筋都能造成腐蚀破坏， 这种情况有时是相当严重的。此类的腐蚀其实质为酸性化腐蚀，最为典型的是 硫酸盐菌，在它的生命过程中，能将环境中的硫元素转变成硫酸，这样就使混 凝土中性化和酸化，使混凝土中钢筋产生腐蚀。城市中的地下混凝土结构和污 水管道系统的腐蚀破坏，大部分受到此类的侵蚀。在这方面。已经被人们所认 口【6 3 l 矿、o 无论是酸性气体、液体还是固体，都能够和混凝土中的碱性物质发生中和 反应。混凝土的中性化不仅会对钢筋造成腐蚀，而且也会破坏混凝土本身。尤 其是在较强的酸性环境中，混凝土的中性化并不是腐蚀的终点，酸化还将继续 持续下去，这将使得水泥水化产物中的硅酸盐成分也发生分解，甚至可使混凝 1 0 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 土强度丧失殆尽。 在这其中，混凝土在空气中的碳化是中性化最为常见的一种形式，也是混 凝土中性化研究的主要对象。它是空气中二氧化碳与水泥中的碱性物质相互作 用，使混凝土的成分、组织和性能等发生变化。混凝土的碳化会使混凝土的碱 性度降低，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝 土中钢筋带来不利的影响。同时混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都有 可能导致混凝土出现裂缝以及结构的破坏。所以，碳化与混凝土结构耐久性有 着密切的联系，是衡量钢筋混凝土结构耐久性的一个重要指标。 随着各国工业的发展，近几年温室气体的大量排放，大气环境中二氧化碳 浓度不断增长，混凝土的碳化作用也将会越来越厉害。尤其在地下混凝土结构 中，人员的密集、空气的不流通、将会使环境中二氧化碳的浓度更高。因此地 下混凝土结构的中性化是一个不可忽视的问题。 2 1 2 混凝土对钢筋的保护作用 混凝土对钢筋的保护是多方面的，总的来说分为物理保护和化学保护。 2 1 2 1 混凝土对钢筋的物理保护作用 在钢筋混凝土结构中，混凝土将钢筋完全覆盖，在一定时间段内，将钢筋 与外界环境隔绝。这样，钢筋在相对干燥( 如相对湿度低于4 0 ) 和缺乏腐蚀性离 子的条件下，钢筋可以保持不锈蚀的状态。但是，这种单纯的物理保护作用是 很难长期保持的，因此所起的保护作用也是有限的。 2 1 2 2 混凝土对钢筋的化学保护作用 水泥水化过程中，可以产生一定量的氢氧化钙，对于普通硅酸盐水泥而言， 氢氧化钙的含量可达8 1 5 ，这个含量是相当可观的。氢氧化钙的溶解度很小， 通常以固体的形式存在。它能使混凝土保持较高的碱性度，液相p h 1 2 5 。如果 在其中还含有钾、钠离子，碱性还会更高些，比如p h 1 3 0 甚至更高。 通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其p h 值一般大于1 2 5 ，在这样高 的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜， 能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀，只要保持其p h 值大于1 2 5 这个条件，混凝土中 钢筋就不会锈蚀，这正是一些钢筋混凝土建筑物能够耐久而长期存在的原因。 国内外研究表明【删：对于混凝土中的钢筋，存在两个临界p h 值，其一是p h 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 = 9 8 8 ，这时钢筋表面的钝化膜开始生成，或者说低于此临界值时钢筋表面不可 能有钝化膜的存在，即完全处于活化状态，其二是p h = 1 1 5 ，这时钢筋表面才 能形成完整的钝化膜，或者说低于此临界值时钢筋表面的钝化膜仍是不稳定的， 因此，要使混凝土中的钢筋不锈蚀，则混凝土的p h 值必须大于1 1 5 。国外已经出 现使混凝土重新恢复高碱性的新技术，对于“低碱度水泥”，若不能长期保持 其p h 高于临界值，则需采用掺加钢筋阻锈剂等附加措施，保证混凝土中的钢筋 受到充分保护。混凝土保持适当的高碱度，不仅会对保护钢筋有重要意义，而 且对于保持水泥水化产物的稳定性也是非常重要的。表2 1 给出了水泥水化产物 保持化学稳定的最低碱度值，低于该临界值时水泥水化产物就会分解。 表2 1 水泥水化产物保持化学稳定的最低碱度值 水泥水化产物临界p h 值 2 c a o s i 0 2 1 7 h 2 0 1 1 2 6 c a o 6 s 1 0 2 h 2 0 1 0 6 7 5 c a o 。6 s 1 0 2 5 5 h 2 0 1 0 0 2 c a o 。3 s 1 0 2 。2 5 h 2 0 9 7 8 4 c a o 。a i 2 0 3 1 9 h 2 0 8 1 5 3 c a o 。a 1 2 0 3 c a s 0 4 1 2 h 2 0 7 9 5 从该表可以看出，当混凝土由高碱性逐渐向中性转移过程中，水泥的大部 分水化产物都有分解的趋势，导致混凝土强度降低甚至丧失。现在许多地方推 广使用“低碱度 水泥。以避免出现“碱集料 反应。但是与此同时应该充分 地认识到，保证混凝土必须的碱度和碱度储量，对于防止混凝土的中性化进而 防止钢筋锈蚀，从而保证地下混凝土结构的耐久性，意义是非常重大的。因此， 混凝土对钢筋的保护作用与其说是物理保护还不如说是化学保护。也就是说混 凝土的高碱性是钢筋不锈蚀的主要原因。 2 1 3 混凝土碳化的原因 混凝土在物理性能上的保护作用不是完美的。混凝土的基本组成是水泥、 水、砂子和石子。其中的水泥与水发生水化反应，而水泥水化所形成的水泥石 本身就是多孔结构的材料。水泥石的这种结构特点决定了它具有可渗透的性质。 水泥水化过程中，由于化学收缩、自由水蒸发等原因，也会在混凝土内部存在 大小不同的毛细管、孔隙等。除此之外，水泥石和砂子、碎石的界面上也会有 1 2 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 孔隙和微裂缝生成，因此，混凝土就其物理本质而言就是一种多孔材料。混凝 土的制作、养护过程中，难免产生微观、宏观裂缝，如由温度、干缩、膨胀引 起的裂缝。使用过程中，在内力和外力作用下，混凝土也会有裂缝产生。因此， 日前大量使用的混凝土，不可能做到完全的密实。环境中的介质终究是可以渗 入混凝土的内部的，只不过是时间长短和程度难易上有不所同而已。高质量密 实的混凝土，可以对其内部的钢筋提供较好的物理保护，但是由于混凝土多孔 的物理本质，注定这个保护作用不是无限的。当然，尽可能合理地提高混凝土 密实性是十分必要的。 混凝土在化学性能上的保护作用也不是完美的。混凝土的高碱性是保护钢 筋的必要条件，而水泥水化产物中最具活性，同时也是最不稳定的就是以氢氧 化钙为主的碱性物质。在与水和空气接触时会起化学反应，也可随水而流失。 混凝土中碱性物质的损失速度，主要取决于混凝土内碱性物质储量、混凝土的 密实度和环境介质等条件。对于孔隙率高、微观宏观裂缝多、质量差的混凝土， 其碱性更易损失。因此，密实的混凝土，不仅对钢筋提供好的物理保护作用而 且由于碱度不易损失，从而能对钢筋提供更好的化学和电化学保护。 从以上分析可以知道，混凝土无论是在物理保护，还是化学保护方面，都 不是完美的。混凝土是一种带有微裂缝和多孔的结构，混凝土不能完全屏蔽外 界腐蚀环境。混凝土的物理和化学上的不足是混凝土结构腐蚀的内因。外界环 境中的c 0 2 和水分，通过混凝土内部连通的裂缝和孔隙结构，可以慢慢地侵入混 凝土内部。这个侵入的过程历时较长，沿着混凝土表面向着混凝土的内部逐层 深入。 大气中二氧化碳时刻向混凝土内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生化学 反应，其主要化学反应式如下【6 2 】： c 0 2 + h 2 0 = h 2 c 0 3 ( 2 1 ) c a ( o h ) 2 3 l h 2 c 0 3 = c a c 0 3 + 2 h 2 0 ( 2 2 ) 3 c a 0 2 s 1 0 2 3 h 2 0 + 3 h 2 c 0 3 - - 3 c a c 0 3 + 2 s 1 0 2 + 6 h 2 0 ( 2 3 ) 2 c a 0 s i 0 2 4 h 2 0 + 2 h 2 c 0 3 = - 2 c a c 0 3 + s i 0 2 + 6 h 2 0 ( 2 4 ) 在反应过程中生成碳酸盐等物质属于非溶解性钙盐，比原反应物的体积膨 胀约1 7 ，因此反应的产物使得混凝土的凝胶孔隙和部分毛细孔隙被堵塞，使 得混凝土的密度和强度有所提高，在一定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝 土内部的扩散。另一方面使的水泥石原有的碱性度降低，p h 值下降到8 5 左右。 1 3 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 使混凝土失去对钢筋的保护作用进而达到破坏钢筋表面的钝化膜而使钢筋产生 锈蚀。此外，碳化还加剧混凝土的收缩，可导致混凝土开裂。这些都给混凝土 的耐久性带来不利的影响。 2 2 混凝土碳化模型的研究概况 2 0 世纪6 0 年代，国际上一些发达国家就开始重视混凝土结构的耐久性问题， 对混凝土碳化进行了大量的试验研究及理论分析。国内在这方面起步较晚，从 2 0 世纪8 0 年代开始研究混凝土碳化。经过4 0 多年的研究，国内外对混凝土的碳 化机理与影响因素已经有了较为深刻地认识，并提出了很多碳化深度的计算模 型，这些模型基本上可以归纳为三种类型： 2 2 1基于扩散理论建立的理论模型 预测混凝土碳化深度的理论模型之一是苏联学者阿列克谢耶夫等人基于 f i c k 第一扩散定律及c 0 2 在多孔介质中扩散和吸收的特点，给出了数学模型【6 q ： x 一小 ( 2 5 ) 理论模型的优点在于模型的物理意义明确、有理论基础。但其中不足之处 是模型参数不易确定，不便于工程应用，且与实际结构的碳化寿命结果差异较 大。 2 2 2 基于碳化试验的经验模型 如日本学者岸谷孝一【矧基于快速碳化试验和自然暴露的试验结果，以水灰 比为混凝土碳化的主要影响因素，提出了混凝土碳化深度预测公式： 兰 0 6 时， 一ws 0 6 时， c x a r o t o r , w 0 2 5 c 0 3 ( 1 1 5 + 3 w ) c 1 4 ( 2 6 ) 第二章应力状态下混凝土碳化模型的研究 4 6 w 一1 7 6 x 。乞古石 ( 2 7 ) 式中：旦一混凝土的水灰比； c 一水泥品种影响系数； ，骨料品种影响系数； 一混凝土掺加剂影响系数。 龚洛书等【删考虑了影响碳化速度的各种因素，提出了多系数碳化预测公式： x _ t ，七k z k