混凝土耐久性分析与设计1

1、混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计建筑工程学院建筑工程学院毛继泽毛继泽研究生课程研究生课程Durability Analysis and Design of Concrete 日常联系：日常联系：Office: 土木工程教研室土木工程教研室11#3018E-mail: / Tel: 82519201 /程目的课程目的 针对混凝土耐久性问题针对混凝土耐久性问题普遍普遍认识不足认识不足的现状，通过本课程的学习，强调混凝土的现状，通过本课程的学习，强调混凝土耐久性问题的重要性，使学生能初步了解耐久性问题的重要性，使学生能初步了解混凝土耐久性的混凝土耐久性的基本概念

2、基本概念及及研究现状研究现状，掌，掌握混凝土耐久性的握混凝土耐久性的基础理论基础理论与与研究成果研究成果。 混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计教学内容及学时分配教学内容及学时分配学时学时教学内容教学内容2 2混凝土耐久性研究概述混凝土耐久性研究概述4 4混凝土的碳化混凝土的碳化（机理、影响因素、检测方法、预测模型、危害等）（机理、影响因素、检测方法、预测模型、危害等）4 4混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏（机理、影响因素、试验方法、抗冻指标、抗冻措施、预测模型、盐冻等）（机理、影响因素、试验方法、抗冻指标、抗冻措施、预测模型、盐冻等）4 4氯离子对混凝土的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀（氯

3、离子的存在及危害、侵入模型、影响因素、防护措施等）（氯离子的存在及危害、侵入模型、影响因素、防护措施等）4 4混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀（机理、影响因素、检测方法、预测模型、危害等）（机理、影响因素、检测方法、预测模型、危害等）2 2混凝土碱混凝土碱- -骨料反应骨料反应（机理、发生条件、破坏特征、影响因素、防护措施等）（机理、发生条件、破坏特征、影响因素、防护措施等）4 4混凝土中的水与耐久性混凝土中的水与耐久性6 6混凝土耐久性设计混凝土耐久性设计（设计原则、内容、方法、耐久性检测评估、提高耐久性措施等）（设计原则、内容、方法、耐久性检测评估、提高耐久性措施等）2 2课程总结、专

4、题报告课程总结、专题报告考核方式考核方式专题总结报告占专题总结报告占60%60%；混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计 平时成绩占平时成绩占10%10% （平时出勤及课堂表现等）。（平时出勤及课堂表现等）。 课堂发表讨论占课堂发表讨论占30%30%；1混凝土结构耐久性混凝土结构耐久性 金伟良等金伟良等 科学出版社科学出版社 20022混凝土结构耐久性概论混凝土结构耐久性概论 张誉等张誉等 上海科学技术上海科学技术 出版社出版社 20033混凝土结构耐久性分析与设计混凝土结构耐久性分析与设计 李田等李田等 科学出科学出 版社版社 19994 混凝土结构耐久性分析与寿命预测混凝土结构耐久性

5、分析与寿命预测 牛荻涛牛荻涛 科科 学出版社学出版社 20035混凝土结构耐久性设计与施工指南混凝土结构耐久性设计与施工指南 中国工程中国工程 院土木水利与建筑学部院土木水利与建筑学部 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 20046混凝土结构耐久性设计与评估方法混凝土结构耐久性设计与评估方法 金伟良等金伟良等 机械工业出版社机械工业出版社 20067 ETC参考书目参考书目混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计研究生课程研究生课程Durability Analysis and Design of Concrete 混凝土耐久性研究概述混凝土耐

6、久性研究概述一、一、重要意义重要意义二、国内外研究概况二、国内外研究概况三、影响因素三、影响因素四、研究内容四、研究内容五、混凝土耐久性损伤实例五、混凝土耐久性损伤实例 混凝土耐久性分析与设计混凝土耐久性分析与设计一、一、混凝土结构耐久性的重要意义混凝土结构耐久性的重要意义 1.1.混混凝土结构耐久性的定义凝土结构耐久性的定义正常施工和正常使用正常施工和正常使用时时，能承受可能出，能承受可能出现现的各种作用；的各种作用；结构可靠性结构可靠性合格的建筑结构？合格的建筑结构？Q1:建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)总则总则中，明确指出结构在规定的设计使

7、用年限内应满足下列中，明确指出结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：功能要求：安全性安全性(1)(4)适用性适用性(2)耐久性耐久性(3)(1)(2)(3)(4)正常使用正常使用时时具有良好的工作性能；具有良好的工作性能；设计规设计规定的偶然事件定的偶然事件发发生生时时及及发发生生后后，仍能保持必要的，仍能保持必要的整体整体稳稳定性。定性。正常正常维护维护下具有足下具有足够够的耐久性能；的耐久性能；+ + +承承载载能力极限状能力极限状态态 + 正常使用极限状正常使用极限状态态混凝土结构设计方法？混凝土结构设计方法？极限状态极限状态设计方法设计方法Q2:整个整个结结构或构或结结构的一部

8、分超构的一部分超过过某一某一特定状特定状态态就就不能不能满满足足设计规设计规范的某一功能要求范的某一功能要求耐久性能耐久性能“混凝土耐久性是混凝土耐久性是在在实际实际使用条件使用条件下下抵抗各种抵抗各种环环境因素作境因素作用，能用，能长长期保持外期保持外观观的完整性和的完整性和长长久的使用性的能力久的使用性的能力” ”。 。1.1.混凝土结构耐久性定义混凝土结构耐久性定义： 结构在规定的使用年限内，在各种环境条结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。安全性、正常使用性和可接受

9、的外观的能力。 一、一、混凝土结构耐久性的重要意义混凝土结构耐久性的重要意义 OR 混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下，在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程其他劣化过程，而不需要花费大量资金维修而不需要花费大量资金维修，也也能保持其安全性和适用性的功能能保持其安全性和适用性的功能。 - -（建筑结构学报建筑结构学报20072007）2.2.研究混研究混凝土结构耐久性的凝土结构耐久性的重要意重要意义义MONEY对象：

10、混凝土结构对象：混凝土结构混凝土是工程中用混凝土是工程中用量量最多的建筑材料，也是最最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界上上应用最为应用最为广广泛的结构形式泛的结构形式。 一、一、混凝土结构耐久性的重要意义混凝土结构耐久性的重要意义 年份年份全国全国产产量量增增长长量量增增长长率率年份年份全国全国产产量量增增长长量量增增长长率率万吨万吨万吨万吨%万吨万吨万吨万吨%19786524 959 17.2 199230822 5561 22.0 19797390 866 13.3 199336788 5966 19.4 19807986

11、 596 8.1 199442118 5330 14.5 19818290 304 3.8 199547561 5443 12.9 19829520 1230 14.8 199649118 1557 3.3 198310825 1305 13.7 199751174 2056 4.2 198412302 1477 13.6 199853600 2426 4.7 198514595 2293 18.6 199957300 3700 6.9 198616606 2011 13.8 200059700 2400 4.2 198718625 2019 12.2 200166104 6404 10.7

12、198821014 2389 12.8 200272500 6396 9.7 198921029 15 0.1 2003 862001370018.9199020971 -58 -0.3 2004 970001080012.5199125261 4290 20.5 2005 10600090009.31978年以来我国历年水泥产量年以来我国历年水泥产量 从从1985年起我国水泥产量已年起我国水泥产量已连续连续21年居世界第一位年居世界第一位，目前占世界总产量的目前占世界总产量的48%左右。左右。 4949年年8585年年0505年年需求预测需求预测 综合考虑国情及水泥生产和消费现状，借综合考虑

13、国情及水泥生产和消费现状，借鉴国际工业化国家水泥消费变化经验，在今后鉴国际工业化国家水泥消费变化经验，在今后较长一段时间内，水泥消费都将保持在较高的较长一段时间内，水泥消费都将保持在较高的水平。水平。 党的十六大提出到党的十六大提出到2020年实现国民经济总年实现国民经济总量翻两番的目标，综合考虑水泥与国民经济各量翻两番的目标，综合考虑水泥与国民经济各领域的关联因素，领域的关联因素，预测预测2010年需求量为年需求量为12亿吨。亿吨。随着科学发展观的深入贯彻和落实，考虑到技随着科学发展观的深入贯彻和落实，考虑到技术进步和厉行节约等因素，水泥实物消耗量将术进步和厉行节约等因素，水泥实物消耗量将逐

14、步减少，逐步减少，预测到预测到2020年，水泥需求量也将基年，水泥需求量也将基本维持在本维持在13亿吨左右。亿吨左右。 2.2.研究混研究混凝土结构耐久性的凝土结构耐久性的重要意重要意义义MONEY对象：混凝土结构对象：混凝土结构混凝土是工程中用混凝土是工程中用量量最多的建筑材料，也是最主要的最多的建筑材料，也是最主要的结结构材料，构材料，钢钢筋混凝土筋混凝土结结构已成构已成为为世界世界上上应应用最用最为为广广泛的泛的结结构形式构形式。 一、一、混凝土结构耐久性的重要意义混凝土结构耐久性的重要意义 COST触目惊心触目惊心的的数据数据（实例）（实例）：If not 全年各种腐全年各种腐蚀损蚀损

15、失失约为约为2500亿亿美元，美元，其其中混凝土中混凝土桥桥梁梁修复修复费费用用为为1550亿亿美元美元（美美国国标标准准局局1998年年调查调查）。）。America57.5万座钢筋混凝土桥万座钢筋混凝土桥中中有一半以上出现腐蚀破坏，有一半以上出现腐蚀破坏，40承载力不足需要修复加固处理承载力不足需要修复加固处理； Swiss瑞士公路系瑞士公路系统约统约有有3000座座桥桥梁，每年用于梁，每年用于桥桥面面检测检测及及维护维护的的费费用用达达8000万瑞土法郎，至于修理或更万瑞土法郎，至于修理或更换换的的费费用用更高（更高（瑞瑞士士联联邦公路局邦公路局）。）。英格兰岛中部环形线快车道上英格兰岛

16、中部环形线快车道上11座混凝土高架桥建造座混凝土高架桥建造费费2800万英镑万英镑(1972)，维修费，维修费4500万英镑万英镑(1974-1989)； England每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达200亿英镑。亿英镑。1999年底一年内由腐年底一年内由腐蚀蚀造成的造成的损损失失约约在在1800-3600亿亿元，元，其中其中钢钢筋腐筋腐蚀蚀占占40，约为约为720-1440亿亿元元； Japan每年用于房屋结构维修的费用即达每年用于房屋结构维修的费用即达400亿日元，大约亿日元，大约21.4%的钢筋混凝土结构损坏是因钢筋锈蚀引起。的钢筋混凝土结构损坏是因

17、钢筋锈蚀引起。China中国腐蚀调查报告中国腐蚀调查报告指出指出，建筑部门的腐蚀年损失建筑部门的腐蚀年损失 约为约为 1000 亿人民币亿人民币。五倍定律：五倍定律：1 - 5 - 25 - 125了解一下：了解一下：二、国内外研究概况二、国内外研究概况 ACI： 美国混凝土学会，美国混凝土学会，1957RILEM：国国际际材料与材料与结结构构试验试验研究研究联联合会合会，1960 fib：国国际结际结构混凝土学会构混凝土学会，1998= 欧洲混凝土学会欧洲混凝土学会(CEB) + 国国际预应际预应力混凝上学会力混凝上学会(FIP)ASTM：美国材料美国材料试验试验协协会会JSCE：日本土木学

18、会，：日本土木学会，20世纪世纪70年代年代AIJ：日本建筑学会：日本建筑学会1.1.国外概况国外概况2.2.国内概况国内概况始于始于20世纪世纪60年代，至目前，混凝土结构耐久性问题年代，至目前，混凝土结构耐久性问题日益引起重视，在如火如荼地开展。日益引起重视，在如火如荼地开展。三、影响混凝土结构耐久性的因素三、影响混凝土结构耐久性的因素 1)设计构造设计构造上上的原因的原因 (1)使用水泥品种不当，水泥使用水泥品种不当，水泥含含碱碱量量过过大；大；(2)使用含有使用含有较较多多C3S、 、细细度度过过小的水泥小的水泥，加水拌合后，加水拌合后 水化加速，放水化加速，放热热加加剧剧干燥收干燥收

19、缩缩增大，混凝土开裂；增大，混凝土开裂；(3)使用含有碱活性使用含有碱活性矿矿物的骨物的骨料；料；(4)骨料颗粒级配不当，会造成混凝土用水量增大，骨料颗粒级配不当，会造成混凝土用水量增大， 硬化后混凝土的孔隙增加；硬化后混凝土的孔隙增加； (5)外加剂使用不当。外加剂使用不当。 1.1.影响因素影响因素(1)钢筋的混凝土保护层厚度太小；钢筋的混凝土保护层厚度太小；(2)沉降缝、伸缩缝构造不正确；沉降缝、伸缩缝构造不正确；(3)构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当；(4)基础建在滨海盐基础建在滨海盐渍渍地区；地区； (5)隔热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。隔

20、热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。2)材料质量不合格材料质量不合格v 硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性矿物组成矿物组成 硅酸三钙硅酸三钙3CaO SiO2硅酸二钙硅酸二钙2CaO SiO2铝酸三钙铝酸三钙3CaO Al2O3铁铝酸四钙铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 C C3 3S SC C2 2S SC C3 3A AC C4 4AFAF含量含量 /% /% 37-60 37-60 最多最多15-37 15-37 次之次之 7-15 7-15 少少 10-18 10-18 少少 水化速度水化速度 较快较快慢慢快快中中水化热水化热 高高低低高高中中强度

21、强度 高高早期低早期低后期高后期高低低中中( (抗折强度抗折强度) )耐化学侵蚀耐化学侵蚀 中中良良差差优优干缩性干缩性 中中小小大大小小(1)水灰比过大水灰比过大，导致增大孔隙率，渗透性加大；导致增大孔隙率，渗透性加大；(2)单单方水泥用量过大，引起收缩和水化热过大而开裂；方水泥用量过大，引起收缩和水化热过大而开裂； (3)过早拆模过早拆模，混凝土养护期的强度不足以承担上部结混凝土养护期的强度不足以承担上部结 构自重和施工构自重和施工荷荷载而引起早期开裂：载而引起早期开裂： (4)浇浇捣、养护捣、养护不当不当； (5)施工组织不当，造成不应出现的施工缝施工组织不当，造成不应出现的施工缝(冷缝

22、冷缝)：(6)使用使用含含有氯离子的早强剂；有氯离子的早强剂；(7)使用海水搅拌混凝土等。使用海水搅拌混凝土等。 (1)气候条件异常，如气候突变，干湿环境交气候条件异常，如气候突变，干湿环境交替替频繁；频繁；(2)自然环境恶化，自然环境恶化，如如酸雨，酸雨，CO2、SO2、H2SO3侵蚀；侵蚀；(3)建筑场地有害物质的侵入。建筑场地有害物质的侵入。 3)施工质量低劣施工质量低劣4)外界环境条件恶化外界环境条件恶化2.2.混凝土结构耐久性劣化的内在条件与机理混凝土结构耐久性劣化的内在条件与机理扩散性扩散性是描述混凝土内部离子迁移状况的物理量是描述混凝土内部离子迁移状况的物理量 或或是描述水蒸气在

23、孔隙中达到饱和之前的扩是描述水蒸气在孔隙中达到饱和之前的扩 散状况的物理量。散状况的物理量。 混凝土的耐久性很混凝土的耐久性很大大程度程度上上取决于其取决于其渗透能力渗透能力和和扩扩散能力散能力。 。2.2.混凝土结构耐久性劣化的内在条件与机理混凝土结构耐久性劣化的内在条件与机理渗透性渗透性表征液体流入混凝表征液体流入混凝土土的速度大小的速度大小。渗透系数、扩散系数、吸水率渗透系数、扩散系数、吸水率四、混凝土结构耐久性研究的内容四、混凝土结构耐久性研究的内容 材料劣化原因及耐久性机理的研究材料劣化原因及耐久性机理的研究 在役在役结结构耐久性构耐久性评评估的研究估的研究 拟拟建建结结构耐久性构耐

24、久性设计设计的研究的研究 提高提高混混凝土凝土结结构耐久性技构耐久性技术术措施的研究措施的研究 四、混凝土结构耐久性研究的内容四、混凝土结构耐久性研究的内容 五、混凝土结构耐久性损伤实例五、混凝土结构耐久性损伤实例 -第二届混凝土耐久性国第二届混凝土耐久性国际际学学术术会会议议 混凝土耐久性混凝土耐久性50年年进进展展 当今世界混凝土破坏原因按重要性排列的当今世界混凝土破坏原因按重要性排列的顺顺序序是：是：钢钢筋腐筋腐蚀蚀、 、寒冷气候寒冷气候下下的的冻冻害害、 、 侵侵蚀环蚀环境的物理化学作用境的物理化学作用。青青岛岛市某市某16层层混凝土混凝土结结构大楼耐久性构大楼耐久性损伤损伤破坏破坏

25、青岛市某青岛市某1616层混凝土结构大楼位于层混凝土结构大楼位于海边海边，距离距离海岸不海岸不足足100m100m，建筑面积，建筑面积1010700m700m2 2，结构形式为现浇剪力墙，结构形式为现浇剪力墙- -密肋楼密肋楼盖盖，肋，肋间间填充轻填充轻质质加气加气混凝土块，采用升板法混凝土块，采用升板法施工。施工。19891989年年1111月竣工，月竣工，19901990年年4 4月交付使用。月交付使用。3 3年后楼盖年后楼盖钢筋钢筋严重严重腐蚀腐蚀，致使结构失效，致使结构失效，1616层楼盖层楼盖全部拆除。全部拆除。 自然情况：自然情况：上海四川上海四川路路桥桥耐久性耐久性损伤损伤 四四

26、川路桥位于上海川路桥位于上海市市苏州河苏州河上，上，是连接虹口区和黄浦区是连接虹口区和黄浦区的重要交通要道，地处市区繁华地段，每日交通流的重要交通要道，地处市区繁华地段，每日交通流量量极极大。该桥建于大。该桥建于2020世纪世纪2020年代，迄今已有年代，迄今已有8 80 0多年历史，建多年历史，建筑风格与周围欧式建筑遥相呼应，是一座具有历史文化筑风格与周围欧式建筑遥相呼应，是一座具有历史文化价值的建筑。桥中跨价值的建筑。桥中跨36.36.74m74m，两边跨各为，两边跨各为18.18.03m03m，桥总，桥总宽宽18.18.28m28m，其中车行道宽度为，其中车行道宽度为12.12.80m80m，两侧人行道宽各，两侧人行道宽各为为2.2.74m74m。桥型结构为单。桥型结构为单悬悬臂梁加臂梁加挂挂梁，其中两个边孔单梁，其中两