寒冷地区高性能混凝土病害与防治

寒冷地区高性能混凝土病害与防治前言水泥混凝土是近现代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。进入20世纪以来，以混凝土为建筑材料的工程结构物得到飞速发展，与其他建筑材料相比，混凝土以其良好的综合性能已成为楼宇、桥梁、大坝、公路和城市运输系统等现代化标志的首选材料。据不完全统计，当今世界每年消耗的混凝土量不少于45亿立方米，而且在21世纪将继续稳定增长[1]。水泥混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结构物因材质劣化造成过早失效以至破坏坍塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。这些混凝土工程的过早破坏，其原因不是由于强度不足，而是由于混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到10年的时间，混凝土表面即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露。美国国家材料顾问委员会1987年提交的报告报道，约有25.3万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏(其中部分仅使用不到20年)，而且每年还将增加3.5万座；同年Litvan和Bickley发表了对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要早得多就出现破坏[2]。美国1991年在提交国会的报告《国家公路和桥梁现状》中指出，美国当时的全部混凝土工程价值约6万亿美元，而每年用于维修的费用高达300亿美元；南非1981年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2700万英镑，这些结构物多是在建成后3～10年内就发现开裂破坏。英格兰岛中部环形线的21km快车道，11座混凝土高架桥的建造费是2800万英镑(1972年)，因冬季撒盐化冰雪，两年后就发现钢筋锈蚀将混凝土顺筋胀裂，到1989年的15年间，修补费高达4500万英镑(即为造价的1.6倍)，估计以后15年(到2004年)还要耗费1.2亿英镑(累计接近造价的6倍)[3]!日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上，日本引以自豪的“新干线”使用不到10年就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象[4]。我国基本建设比发达国家迟三十多年，但已建的一些工程也有类似令人堪忧的状况，有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。据统计，我国现有建筑面积50亿平方米，其中约23亿平方米需分期分批进行鉴定加固，近10亿平方米急需维修加固。1989年，建设部科技发展司组织调查组对北京、西宁、贵阳等地的一些建筑物进行了调查，结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安全使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修和加固[4]。我国在50年代兴建的大坝有许多已经成为陷入危境的“病坝”：截至1997年年底，驰名中外的安徽佛子岭、梅山、响洪甸三座老坝共亏损1亿多元，仅佛子岭1997年一年就亏损1700万元，而在修补佛子岭的设计预算中，只修两个拱就需要1400万元。1985年水电部调查报告表明：我国水工混凝土的冻融破坏在“三北”地区的工程中占100%，这些大型混凝土工程一般运行也就30年左右，有的甚至不到20年，如云峰宽缝重力坝，运行19年后下游面受破损显著，表面剥蚀露出骨料，总面积约8500平方米；而丰满重力坝自从运行后就年年维修，运行33年后，上、下游面及尾水闸墩破损明显，表面露出钢筋，冻害严重，致使坝顶抬高10余厘米。港口码头工程，特别是接触海水工程，其受冻破坏的现象更为严重，破坏的结构主要是防波堤、胸墙、码头、栈桥等，如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，经十几年左右的运行，就被冻融破坏以致不能发挥作用了。地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥涵、交通部门的混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土，接触雨水、蒸汽的部分，排水系统及受渗透水作用的部分，都受到了冻融破坏，如通辽发电厂的冷却塔，筒壁混凝土由于渗水致使混凝土遭受冻融破坏而发生表皮剥落、空鼓等现象。为使上述及类似工程继续发挥作用，各部门每年都要耗巨资加以维修，根据以往经验，混凝土工程安全使用期和维护使用期的比例为1：3～10，但维护使用期的维修费用却高达建设费用的1～3倍[4]。我国南方海港浪溅区钢筋混凝土建筑物由于以往设计标准偏低和施工质量问题，通常使用8～10年即出现因氯盐腐蚀钢筋引起的开裂剥落破坏，维修费用及由此造成的直接、间接经济损失惊人，例如某10万吨级矿石中转码头，使用不到十年即要大修，大修防护费用预计高达上千万元。有专家预计，21世纪初我国将出现混凝土结构物的维修高潮，每年所需的维修费用可能高达数千亿元。我国北方如北京、天津等地的钢筋混凝土立交桥，即使没有像美国北方冷天要常撒盐化冰雪，使用时间也并不长，却已广泛显示钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象，并日益加剧发展[3]。1998年，曾调查我国北方某国际机场使用仅数年的混凝土停机坪，发现混凝土道面多数出现坑蚀剥落破坏[5]，严重影响飞机正常安全起降。后分析得知是由于道面混凝土遭受冻融及除冰盐侵蚀双重破坏作用所致。可见，由于混凝土的耐久性劣化或失效，世界各国为此付出的代价十分沉重。然而，值得庆幸的是，由于工程安全因素更由于耗费巨资的经济因素提醒了我们，现在，混凝土耐久性问题已越来越受到人们的重视。美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性，尤其是设计对耐久性问题的重要性，例如设计时，对新建项目在钢筋防护方面无谓地每节省1美元，就意味着当发现钢筋锈蚀时采取措施要多追加维修费5美元，顺筋开裂时需多追加维修费25美元，严重破坏时需多追加维修费125美元。沉重的代价使人们认识到，不仅要用耐久性良好的材料及时修复已出现耐久性劣化的混凝土工程，更重要的是必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计使用寿命，例如一些国家要求建设更为耐久的结构物，设计使用寿命为100年或更长。为此，世界各国都开始专门研究混凝土的耐久性及其改善技术。日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究，并于1985年提交了研究成果概要报告，1986年开始陆续出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。有关混凝土耐久性的国际会议也已召开多次，反映了各国研究的最新成果。由欧洲RILEM等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议，自1976年以来，每三年举行一次；1989年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议；1991年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议。混凝土的耐久性问题在我国也日益受到重视。全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学术组于1991年成立；中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段[4]。我国正处于基本建设的高潮期，特别是当前国家西部大开发的战略部署，大规模的基础设施工程正在或即将建设，每年混凝土用量高达十多亿立方米，其中许多设施属重点工程，如三峡水利枢纽工程、跨海跨江的特大型桥梁、高等级公路、大中型飞机场等，都是国家投以巨资的项目，均要求高寿命。发达国家走过的路已经表明，如果不重视工程混凝土的耐久性，将付出极大的经济代价，甚至影响经济建设的推进步伐。所以我国十分重视工程质量和耐久性，朱镕基总理就曾对三峡工程作出指示——“千年大计，国运所系”；国家计委、国家科技部在“九五”期间安排了由8家实力雄厚的科研院所承担的重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”，针对混凝土安全性存在的抗碱—骨料反应性、耐腐蚀性、抗冻性、耐钢筋锈蚀性等问题，从材料角度研究混凝土的耐久性。由此看来，混凝土耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题。随着科学技术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广，各种在严酷环境下使用的混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等不断增多，这些工程关系国计民生，必须实现百年大计甚至千年大计，这就更加要求混凝土具有优异的耐久性即足够长的使用寿命。为此，人们对混凝土耐久性的追求已越来越主动和自觉，甚至超过了过去对混凝土强度的追求，于是以高耐久性为核心内容的高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，简称HPC)便应运而生了。沿棵搁7袭.股以熟美览国判弗为吉婶尼侍亚垃州炊交鹿通捧研萄究敲院利的类C税.嚼O痒z蕉y识i盗l妄d党i送r姿i洁m倒为资代僵表芝强药调喜：欠用冬于羽交懂通沸设传施菜的事高撞性辽能丈混暂凝峡土琴最段重畅要诚的愁性僻能榆是姥低释渗跌透辱性端与错高城早液期主强押度玻，泊在送一向些柄特姐殊积设凳施梯中稿还虑要盾求刑较洽高煮的洗极河限稿强状度偶(稻4育0洋～忽一浙、货高禽性许能墨混县凝艘土望发联展颗概游况蚀垃食高直性么能普混华凝芒土厘自尖提逐出缺以陡后藏的焦1赴0虾多脊年吴以贿来欠，高世是界必各俊国虎都永对灯其辽进所行看了垦大基量当的争研乖究缠开如发驾与萍推蛇广籍应留用却工亚作丧。尤其垒实滩早口在钥高罪性盆能间混出凝著土营这宝个洞名政词阀诞龄生地以乐前物，售世聪界荷各冠国停都某已颜在亭客悼观遥上伤成拉功后地阁应水用掌了留高计性丽能胃混蓝凝邻土病，盒例偶如代[明1舟0趟～挡1党1伐]蝶：坟彼以刘残美胁国损*搁*盟*浑*包*祝*委*男广判场丸号考同晕爷或冷天鞠榨顷瞎目套宅费殃偏紫巷闪C撤1躁3窑5叉混滋凝桑土某做(韵1训9周8蝴8顾年毅)棋伟让浑物美沫国座*次*纪*辛*顺*距*喊大使厦给垒刑滥箭锁草嘱金努袋消巷磁肯语后代感照钱诚C袖7枪5兆混梢凝璃土讲仇才(饺1凭9抱7握5仁年敌)屑洞挎托害美沉国匀*扬*月*城*词*括*接塔覆楼香蓄冲把奸充判父闲创枕愁套休帅杨搞礼扮妥毫汇C盖6由5倦混进凝涨土剧势寺(伶1能9批8劈1纽年唇)顷脆锻如楚加米拿版大悼*猛*赤*报*陆*让*醋*汗*宗广鹅场握中恶心粒大牺厦置障底亿星C朋8床0慌混代凝板土抬欣竹(贸1诱9尿8露7担年务)勺拢袍赴就日爷本干*箭*元*洒*走*宗*筐大哨桥祥块共犹浇亩尝智积欢福失固扛汇平公绕岸稠宅语度裹C蜻4骄0坝混位凝冷土捡旋喜(恩1麦9让8明8称年构)拖进懂入居2挎0例世座纪庄9此0玉年创代险以捕后理，费高词性谋能堵混劈凝根土激的渐研凡究练开遗发补与洋推厚广伯应守用刑快贞速匀发奖展态，趣世丙界根各跟国良均铸对烟此历予漂以辈高省度篇重染视赖[饼1嫂，瞧1针2恼～快1厨4希]片。誉迟汽春码1羞9忘8面6炕年稻～级1腹9播9剩3货年竖，层法划国币由俊政消府目组悲织干包学括地政址府只研卖究芽机红构跨、舌高窃等搅院锅校绵、傍建敬筑利公殃司漠等孩2羽3桃个插单更位缝开置展洞了绩“蛋混歇凝巾土滔新绣方必法欠”告的执研溪究惭项帜目影，华进殖行窄高闭性偿能利混才凝办土煤的榜研狭究娃，蛋并滤建匀成谅了男示圣范渣工啦程闭。钓如扇J牌o彩i香g玉n搭y蜂城桑一旬座篮三荒跨纲后闪张高法挎预响应专力铲钢歼筋翠混扩凝恨土脾桥拿，创其朵混傲凝有土蛙强龙度领等筝级彻相佛当孟于兰我读国清C潜7时0土；开又栋如茎C衣i貌v丙a碎u幅x公核宅电绒站施2按号胶反仙应酸堆狐预豆应比力川混锣凝爽土胳安纷全逢壳还，负高追8助5剃m找，犹直续径鱼4谎4脏m添，女混河凝红土鲁强尸度促等晨级午为挪C待7挂0魄，态其导水影泥坚用下量饱只散有生2占4收0杯k饭g菌/堡m祝3酱，柴却劈有橡很世高刃的近气样密许性角；么再迎如昨英敏吉股利粪海都峡甚隧寻道允衬业里写，零由凑于雨设腔计烧寿千命唉为紧1趴2溉0怀年蹄，肃配孟制床了归水催灰托比河为角0书.永3鹿5鹿～晌0竟.叼3喉2瘦，惯水总泥让用音量武为夫4员0车0踏k至g展/幕m钉3采的梁混久凝北土胡，眨抗逢压胜强妈度得为杀6党3建M腹P糕a例，辜渗雄透理系砍数摄极幕低桃(尿K乌=跨1煌.嘉4样×丘1谦0都-鉴1咳3干m第/议s命)前。斑1返9惑9乘6加年泪，捉法安国需公件共借工从程藏部呀、馅教族育贪与面研刑究柳部燃又辰组漠织评了筐为渡期逝4朵年敌的稀国贞家糠研装究欺项舞目尽“辱高县性欠能话混狭凝摊土夸2剩0锣0溜0堵”屿，仍投甩入等研鹊究处经戒费际5勒5威0依万摆美仿元馋，由对公高户性劈能保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的关系；芬兰H.Kukko研究了高性能混凝土抗冻性与显微结构的关系[2]。一个不透水，但存在非连续微裂缝且多孔的钢筋混凝土结构一个不透水，但存在非连续微裂缝且多孔的钢筋混凝土结构环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1．侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2．荷载作用（循环荷载、冲击荷载）由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失环境作用环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）水的渗入O2、CO2渗入酸性离子（Cl-、SO42-）渗入因为以下原因使孔隙内静水压力增大，导致混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀；混凝土强度与刚度降低↓开裂、剥落与整体性丧失开裂、剥落与整体性丧失图1混凝土受外界环境作用而劣化的整体模型[2]综上所述可见，各国学者对高性能混凝土耐久性进行了不同程度的关注。然而至今为止，在大多数已发表的研究成果中，各种耐久性破坏因素都是单独考虑的。而事实上，混凝土尤其是高性能混凝土所处的使用环境是多种破坏因素共存的复杂环境，高性能混凝土不可能只受单一因素作用。几种因素共存所产生的综合作用，是各因素作用的简单叠加呢，还是产生超叠加效应(即“1+1＞2”的效应)呢？1991年吴中伟院士提出了“混凝土耐久性综合症及其防治”的思想[1]；P.K.Mehta也明确指出，混凝土耐久性是一个整体性能，必须看成是所有劣化机制共同作用造成的结果，并提出了高性能混凝土受外界环境作用而劣化的整体模型（见图1）。这些都提醒人们应该重视多重因素对高性能混凝土耐久性破坏的研究。三、黑龙江省混凝土存在的问题高性能混凝土的问世对本省建筑业的科技进步起到不小的推动作用，尤其是大流动度高性能商品砼的出现，大大提高了现代化施工水平，保证了施工质量和工程质量，为高层建筑的发展提供了有利的条件。尤其在冬季施工技术、防冻剂开发与生产、负温混凝土泵送施工、负温防渗混凝土研制与施工、超负温混凝土冬季施工、高层建筑物冬季施工技术、负温混凝土基础性学术研究水平都具有国内领先国际先进水平。但是在一些问题没有引起足够的重视或者是没有深入研究，其存在的问题如下：寒冷地区路桥混凝土在严酷环境作用下损伤与防治1)经调查寒冷地区潮湿及硫酸盐侵蚀的环境下，导致砼工程严重破坏，是国内首次发现，为此进行破坏机理和防治措施的研究。2)除冰盐环境下，路桥砼工程在盐溶液中冻融的条件，对路桥砼工程暴露在这种严酷环境下，破坏最为严重。对寒冷地区的基础设施的建设必须给予高度的重视，对破坏机理及有效防治措施进行研究。3)近期研究表明，CO2和氯离子复合作用下会加速导致砼中的钢筋锈蚀、工程失效，为此进行有效防治措施的研究。4)盐类结晶与冻胀导致混凝土开裂、损伤机理的研究与防治。路桥混凝土工程早期开裂与控制研究高性能混凝土的早期自收缩、温度应力是导致砼工程早期开裂主要因素。复杂应力状态下混凝土裂缝产生与防治寒冷地区混凝土桥梁灌注桩温度场和温度应力场的有限元分析1)混凝土桥灌注桩水化放热的传热模型的建立2)配制满足寒冷地区多年冻土地区桥施工要求的低水化热混凝土3)混凝土桥灌注桩水化放热对周围冻土温度场分布及融化厚度与地耐力相关性的研究寒冷地区混凝土耐久性设计对寒冷地区已建的路桥混凝土工程耐久性进行评估，氯离子迁移影响因素及扩散系数多因素的修正，建立合理的、有针对性的多种因素作用下的砼寿命预测模型和制定相应的耐久性设计标准。建立路桥混凝土工程病害的预测与预报系统新型路桥混凝土外加剂及防护材料的研制与开发参考文献1吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土.中国铁道出版社,1999:1～19,27～30,122～1312P.K.Mehta.耐久性---影响未来的关键问题.清华大学土木工程系建材教研室编.高强混凝土与高性能混凝土译文集(第五册).2000:10～193蒋元駉,韩素芳.混凝土工程病害与修补加固.海洋出版社,1996:317～3204卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向.工业建筑.1997,27(5):1～6巴恒静，赵霄龙,杨英姿.寒区机场混凝土道面破坏原因分析及提高道面混凝土耐久性的对策研究.中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会高强与高性能混凝土委员会.高强与高性能混凝土及其应用第三届学术讨论会,济南,1998:1～3傅温,王宏彬.混凝土工程新技术.中国建材工业出版社,1994:299～302冯乃谦.高性能混凝土.中国建筑工业出版社,1996:1～11姚燕,田培.高性能混凝土的研究和进展.中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会混凝土外加剂专业委员会.第八届全国混凝土外加剂学术交流会论文集,1999:128～137黄大能.外加剂、流变学与高性能混凝土.中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会混凝土外加剂专业委员会.第八届全国混凝土外加剂学术交流会论文集,1999:1～4吴中伟.高性能混凝土(HPC)的发展趋势与问题.建筑技术.1998,29(1):8～13陈肇元,朱金铨,吴佩刚.高强混凝土及其应用.清华大学出版社,1992:1～20H.索默.高性能混凝土的耐久性.冯乃谦,丁建彤等译.科学出版社,1998:44～45,19～24F.deLarrard.ASurveyofRecentResearchesPerformedintheFrench“LCPC”NetworkonHighPerformanceConcrete.ProceedingsofHighStrengthConcrete,Lillehammer,Norway,1993:20～24P.K.Mehta,P.C.Aitcin.PrinciplesUnderlying,ProductionofHighPerformanceConcrete.Cement,Concrete,andAggregate.1990,(12):2王德怀.高性能混凝土配合比设计与质量控制的计算机化.清华大学博士学位论文.1996:1～36K.H.Khayat,Z.Guizani.UseofViscosity-ModifyingAdmixturetoEnhanceStabilityofFluidConcrete.ACIMaterialsJournal.1997,94(4):332～340I.Masood,S.K.Agarwal.EffectofVariousSuperplasticizersonRheologicalPropertiesofCementPasteandMortars.CementandConcreteResearch.1994,24(2):291～302O.Petersson,P.Billberg,J.Norberg,etal.EffectsoftheSecondGenerationofSuperplasticizersonConcreteProperties.CBIReport,1995:2张青，廉慧珍，王平.自密实高性能混凝土施工性能的评价方法.中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会高强与高性能混凝土委员会.高强与高性能混凝土及其应用第三届学术讨论会,济南,1998:106～114赵铁军.高性能混凝土的渗透性研究.清华大学博士学位论文,1997:118～129,61～85T.H.Wee,S.F.Wong,S.Swaddiwudhipong.APredictionMethodforLong-TermChlorideConcentrationProfilesinHardenedCementMatrixMaterials.ACIMaterialsJournal.1997,94(6):565～576R.P.Khatri,V.Sirivivatnanon.MethodsfortheDeterminationofWaterPermeabilityofConcrete.ACIMaterialsJournal.1997,94(3):257～261P.K.Dhir.PredictingConcreteDurabilityfromitsAbsorption,ConcreteDurability,ACISP-145,1994:1177～1194T.Fukute,H.Hamada,M.Mashimo,etal.ChloridePermeabilityofHighStrengthConcreteContainingVariousMineralAdmixtures.Proceedingsofthe4thInternationalSymposiumonUtilizationofHigh-Strength/High-PerformanceConcrete,Paris,May,1996:489～498M.R.Hansen,M.L.Leming,etal.ChloridePermeabilityandACImpedanceofHighPerformanceConcrete.ACISP-140.1993:121～154P.S.Mangat,B.T.Molloy.PredictionofLong-TermChlorideConcentrationinConcrete.MaterialsandStructures.1994,27(170):338～346K.Takewaka,S.Mastumoto.QualityandCoverThicknessofConcreteBasedontheEstimationofChloridePenetrationinMarineEnvironments.ConcreteinMarineEnvironment,SP-109,AmericanConcreteInstitute,Detroit,1988:381～401A.Sharif,K.F.Loughlin,etal.DeterminationoftheEffectiveChlorideDiffusionCoefficientinConcreteviaaGasDiffusionTechnique.ACIMaterialsJournal.1997,94(3):227～233ZhaoTiejun,ZhuJinquan,LiuShumei.InfluenceofVariousAdmixturesonthePermeabilityofConcrete.TheChineseCeramicSociety.The4thBeijingInternationalSymposiumonCementandConcrete,Beijing,1998.INTERNATIONALACADEMICPUBLISHERS:621～622章春梅,黄敬东,秦鸿根等.超细粉煤灰在高性能混凝土中的应用研究.混凝土与水泥制品.1996,(1):15～17R.Gagne,A.Boisvert,M.Pigeon.EffectofSuperplasticizerDosageonMechanicalProperties,Permeability,andFreeze-ThawDurabilityofHigh-StrengthConcreteWithandWithoutSilicaFume.ACIMaterialsJournal.1996,93(2):111～120M.H.Zhang,O.E.Gjørv.PermeabilityofHigh-StrengthLightweightConcrete.ACIMaterialsJournal.1991,88(5):463～469P.Halamickova,R.J.Detwiler.WaterPermeabilityandChlorideIonDiffusioninPortlandCementMortars:RelationshiptoSandContentandCriticalPoreDiameter.CementandConcreteResearch.1995,25(4):790～802N.Hearn,R.H.Mills.ASimplePermeameterforWate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