混凝土结构耐久性的研究的回顾与展望课件

1、混凝土结构耐久性的研究的回顾与展望混凝土结构耐久性的研究的回顾与展望1 问题的严重性1.1 国外 1991年第二届混凝土结构耐久性国际会议，Metha教授提出，混凝土破坏的原因气候依次钢筋腐蚀-寒冷的冻害-侵蚀环境的物理化学作用。引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。以往的乃至现在的结构工程设计中，普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象。以GBJ10-89为例，只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性设计有关的参数, 这些参数的控制对结构耐久性设计并不起决定性的作用, 并且这些参数也会随时间而变化。 同时, 不合格的施工也会影响混凝土结构的耐久性。1 问题的严

2、重性1.1 国外美国1975 年由于腐蚀引起的损失达700 亿美元，1985 年则达1 680 亿美元。英国英格兰岛中部环形快车道上11 座混凝土高架桥， 当初建造费2 800 万英镑， 到1989 年因为维修而耗资4 500 万英镑，是造价的1. 6 倍，估计以后15 年还要耗资1. 2 亿英镑，累计接近当初造价的6 倍。1962-1964年，挪威海滨700座混凝土结构桥梁耐久性调查发现：浪溅区立柱断面损失率大于30%达到14%，10%30%达到20%1 问题的严重性美国1975 年由于腐蚀引起的损失达700 亿美元，1985日本运输省检查103座混凝土海港码头，发现凡是有20年历史的，有相

3、当大的顺筋锈裂。澳大利亚调查62座海岸混凝土结构，查明耐久性的许多问题与浪溅区的钢筋异常严重的腐蚀有关。德国柏林议会大厦预应力混凝土房顶倒塌，分析表明，是预应力钢丝周围水泥浆体灌注不好，导致析氢的应力腐蚀。香港房管局1989年调查1000栋公寓，其中156栋需要修补，主要是混凝土碳化和厕所用海水冲洗系统的渗漏。1 问题的严重性日本运输省检查103座混凝土海港码头，发现凡是有20年历史的1.2 国内我国公路和高速公路工程、桥梁工程、水电工程、铁道工程、港口工程、隧道工程、地下工程、国防防护工程、治山治水与治沙治海工程、南水北调和西气东输工程正在全面大规模兴建。公路通车里程由2019年192万公里

4、扩大到2019年的274万公里；铁道建设到2020年将有2019年7.5万公里扩大到14万公里；高速公路由2019年4.1万公里扩大到2019年的6.5万公里；电气工程由2019年5108kW扩大到2049年的15108kW；建设规模十分宏伟。到2050城市人口将从现在的40%扩大到80%。不论是基础工程大规模兴建，还是城市化高速推进，都与混凝土工程密切相关，如不提高土木工程材料的耐久性，延长工程服役寿命，必将给国家造成巨大经济损失。1 问题的严重性1.2 国内1 问题的严重性1.2 国内我国混凝土结构耐久性的问题也十分严重，1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省市自治区的323个城市

5、和5000个镇进行普查表明：目前我国已有城镇房屋建筑面积46.76亿m2，占全部建筑面积的60%，已有工业厂房约5亿m2，覆盖的固定资产超过5000亿元，这些建筑物中约有23亿m2需要分期分批进行评估与加固，而其中半数以上继续维修加固之后才能正常使用。国外学者曾用“五倍定律”描述结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护节省1美元，那就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。1 问题的严重性1.2 国内1 问题的严重性1 问题的严重性近期国内调查资料也充分显示 ，我国钢筋混凝土工业建筑平均 寿

6、命约为25-30年，50年代建造的工业建筑 ，大多数已严重锈蚀 破坏。交通部调查了23万座桥梁 ，其中有 5000座是危桥；海港 码头等钢筋混凝土结构因遭受严重腐蚀破坏使用寿命只有25年。 我国因腐蚀造成直接经济损失为 5000亿元/年 ,仅钢筋锈蚀引起的 混凝土结构损伤破坏的损失就达 1000亿元/年之多。1 问题的严重性近期国内调查资料也充分显示 ，我国钢筋混凝土1 问题的严重性某市海上旅馆基础破坏图（建于2000年）北京西直门立交桥桥墩落水口钢筋锈蚀北京西直门立交桥桥底冻融破坏嘉和大桥损伤梁之破坏形态（建于1974年）1 问题的严重性某市海上旅馆基础破坏图（建于2000年）北京1 问题的

7、严重性302国道长沙-萍乡段断板和开裂山东潍坊白浪和大桥因氯盐扩散引起的锈蚀宁波北仓码头混凝土梁锈蚀沈阳山海关高速公路冬季撒盐1 问题的严重性302国道长沙-萍乡段断板和开裂山东潍坊白浪1 问题的严重性钢结构混凝土基础露天钢筋混凝土结构露天钢筋混凝土结构西部地区电线杆1 问题的严重性钢结构混凝土基础露天钢筋混凝土结构露天钢筋混1 问题的严重性（a）（b）（c）（d）浙江宁波市镇海区电厂升压站混凝土结构，建厂近26年，常年受氯离子侵蚀，70%混凝土柱（a）25%混凝土梁；（b）75%的柱；（c）牛腿； ；（d） 100%桁架混凝土剥落，钢筋外露。1 问题的严重性（a）（b）（c）（d）浙江宁波市

8、镇海区电厂1 问题的严重性（a）（b）金华某大桥，建于1975年，为混凝土双曲拱桥，横跨兰江，该桥的耐久性损伤主要由于桥梁的排水系统工作不好，桥面积水渗水，多处立柱与盖梁交界处出现竖向裂缝，部分立柱甚至出现露筋现象。(a)边角处有混凝土保护层大块脱落现象；(b)框架盖梁段普遍出现混凝土大块剥落，钢筋严重腐蚀。1 问题的严重性（a）（b）金华某大桥，建于1975年，为混1 问题的严重性1 问题的严重性1 问题的严重性1 问题的严重性2 混凝土耐久性研究的回顾初期：1824年，阿斯普丁发明波特兰水泥，人类开始混凝土 建造建筑物的历史，耐久性问题随之产生，早期混凝土主要 用于防波堤、码头、灯塔等，因

9、此初期混凝土耐久性问题主 要集中在了解海上构筑物的混凝土腐蚀情况。早期：19世纪40年代，法国工程师维卡对此深入研究，著有 水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法研究成 为研究混凝土腐蚀破坏的第一步著作。1880年-1890年，人们 开始关注在工业大气环境下混凝土结构耐久性的问题。中期：上世纪初至上世纪60年代，人们开展大量的混凝土结构 耐久性试验，成果反映在B.M.莫斯克文的专著混凝土的防腐 同时，在大规模研究工作的基础上制定了防腐标准如CH262-63 CH262-672 混凝土耐久性研究的回顾初期：1824年，阿斯普丁发明波特2 混凝土耐久性研究的回顾近期： ACI1957年成立A

10、CI201，负责并指导混凝土耐久性方面的研究；1987年，日本土木工程师学会混凝土结构委员会提出关于混凝土耐久性的使用设计方法；1989年，欧洲混凝土结构委员会发表了“耐久混凝土结构设计指南”；1982年，国际材料与结构实验室联合会（RILEM）和国际建筑研究与文献协会（CIB）联合组成了建筑材料与构件使用寿命预测委员CIBW80/RILEM71-PSL，共同研究结构的寿命预测问题，1987年又成立新的委员会CIBW80/RILEM100-PSL，以进一步推进此项工作。鉴于混凝土结构耐久性研究的重要意义，国内外有关机构专 门组织人力物力对混凝土结构耐久性进行大规模试验和研究。2 混凝土耐久性研

11、究的回顾近期：2 混凝土耐久性研究的回顾近期： 1990年，英国水泥协会对英国400多个结构的碳化情况进行了现场实测，得出了一些非常有价值的结果；1993年2019年，台湾海洋大学对海洋环境中的钢筋混凝土结构的耐久性进行了系统研究，分为三个阶段。我国建设部把“混凝土结构耐久性及耐久性设计”作为八五科技攻关项目，由清华大学和中国建筑科学研究院共同承担；国家八五科技攻关专题“在用危险建筑物实时监测与评估技术研究”也从结构材料和构件水平对结构的耐久性进行了研究。2019年，国家科委批准并启动了“重大土木及水利工程安全性与耐久性的研究基础”，为其五年，对结构的安全性与耐久性有更高要求的项目。2 混凝土

12、耐久性研究的回顾近期：2 混凝土耐久性研究的回顾近期： 国内各个高校也以耐久性作为研究课题，开展了深入而细致的研究，如清华大学（陈肇元院士），东南大学（孙伟院士）；大连理工大学（赵国藩院士），上海交通大学（刘西拉教授）；浙江大学（金伟良教授）；中国矿业大学（袁迎曙教授）；同济大学（黄士元教授）.提高材料的耐久性和服役寿命已经遍及材料科学与工程的各个领域并并入“十一五”国家科技发展纲要之中。当今我国重大基础工程建设的迅猛发展也引起混凝土科学与工程界的倍加关注，也是耐久性和寿命研究的巨大动力。2 混凝土耐久性研究的回顾近期：3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土结构耐久性的基本概念：混凝土结构在

13、自然环境，使用环境及材料内部因素作用下，保持其自身工作能力的性能。混凝土所处的环境分为一般大气环境、海洋环境、土壤环境及工业环境等；混凝土结构材料内部因素的作用是材料的物理和化学作用，如混凝土碳化、钢筋锈蚀等；由混凝土耐久性引起的结构工作性能改变包括承载能力降低，最终影响整个结构的安全性。混凝土结构的耐久性要考虑环境、材料、结构等方面的因素混凝土结构耐久性可分为环境、材料、构件和结构四个层次，相对而言，材料和构件层次研究较为充分。3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土结构耐久性的基本概念3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土结构耐久性环境层次材料层次构件层次结构层次大气环境：二氧化碳；水汽

14、；汽车排气等海洋环境：氯离子；水等土壤环境：有害离子；微生物；水等工业环境：工业废渣废水；水汽等混凝土碳化：碳化机理；影响因素；碳化模式等氯盐侵蚀：腐蚀机理；渗入模型；防护方法等钢筋锈蚀：锈蚀机理；影响因素；锈蚀模型；检测与防护冻融破坏：冻害机理；影响因素；冻害措施等碱-集料反应：反映机理；影响因素；防护措施等混凝土锈胀开裂模型粘结性能退化构件承载力变化：抗弯、抗剪等耐久性设计：耐久性计算与验算；构造措施耐久性评估：模糊数学法；神经网络法；专家系统 法；可靠度法3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土结环境层次材料层次构3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土碳化混凝土在空气中的中性化，空气中

15、的二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱度，破坏混凝土表明的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响。碳化还会加剧混凝土的收缩，导致混凝土的裂缝和结构的破坏。碳化化学反应：国内外公认的碳化深度D与时间t关系影响碳化深度的主要因素：混凝土水灰比；水泥品种；水泥用量；养护方法；气孔；环境的温度湿度；二氧化碳的浓度。3 混凝土结构耐久性研究的主要内容混凝土碳化3 混凝土结构耐久性研究的主要内容氯离子侵蚀海水环境（连云港）；空气环境；北方地区冬季撒盐除冰；混凝土外加剂等机理： （1）

16、破坏钝化膜，PH降为4；（2）形成腐蚀电池，点锈蚀处阴极，未锈处阳极；（3）去极化，氯离子“搬运”电子；（4）导电作用化学反应：大量的检测结果表明氯离子的浓度可认为是一个线性扩散过程；一般满足Fick第二定律；目前有一些对各种机理全面考虑的模型，但是由于模型的一些参数难以确定，只能定性上加以描述，其实用性还需深入研究。3 混凝土结构耐久性研究的主要内容氯离子侵蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况，钢筋失去碱性混凝土的保护，钝化膜破坏并开始锈蚀，锈蚀的钢筋不仅截面积有所损失，材料的各项性能也会衰减，从而影响构件的承载能力和使用性能，钢筋锈蚀是引起混

17、凝土结构耐久性下降的最主要和最直接因素。目前对影响钢筋锈蚀的因素、锈蚀钢筋材料性能的变化、钢筋锈蚀的防护和检测均有较多的研究。钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀，当二氧化碳、氯离子等侵入时，混凝土碱性下降，或者钢筋表面开裂，钢筋表面的不同部位出现较大的电位差，形成阳极和阴极，在一定的环境条件下（氧气和水分存在），钢筋开始锈蚀。3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀钢筋锈蚀破坏的主要特征为：1）裂缝沿主筋方向开展延伸；2）握裹力下降；3）断面损失；4）钢筋应力腐蚀断裂电化学腐蚀化学反应式：影响钢筋锈蚀的主要因素：钢筋位置；钢筋直径；水泥品种，混凝土密实度；保护

18、层厚度，外部环境（温度和湿度）3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀作者关于温度、湿度、保护层厚度、混凝土水灰比对钢筋锈蚀速度影响的研究结论蒋德稳，2019年第七期混凝土，2019年第三期淮海工学院学报 (3)3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀 3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀作者关于裂缝宽度对钢筋锈蚀速度影响的试验研究蒋德稳，2019年第七期四川建筑科学研究3 混

19、凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀目前，检测钢筋锈蚀速度的方法有分析法、物理法、电化学法。分析法是根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度等综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋锈蚀程度；物理法是通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声传导反映钢筋锈蚀情况；电化学方法是根据测定钢筋/混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度和速度。3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者研究Half-cell法3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者研究线性极化法-蒋德稳2019年混凝土；3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者研究微安表法-2019年建筑科学；2009东南大学学报3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法-作者3 混凝土结构耐久性研究的主要内容钢筋锈蚀速度测定方法