受弯构件的应力、裂缝及变形计算-混凝土结构的耐久性

《钢筋混凝土结构》耐久性问题概述混凝土结构的耐久性国内外耐久性问题举例国内问题：

“桥脆脆”

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2011年7月15日，通车14年的杭州钱塘江三桥坍塌；

7月14日，建成12年的福建武夷山公馆大桥北段坍塌，7月11日，建于1997年的江苏盐城境内328省道通榆河桥坍塌，武汉钟祥汉江大桥……年轻的桥，纷纷倒下。

“桥坚强”：一些历经风雨依然坚挺的桥。武汉长江大桥，宁波灵桥……钱塘江三桥国内外耐久性问题举例2、江阴长江大桥、耗资33亿元、1999年10月建成通车。大桥的桥面全部采用进口天然沥青人工摊铺而成，抗变性良好，它的正常使用寿命应该是12年。由于超载，截止到2003年8月，桥面进行大修，工期为3个多月，耗资为3000多万元。2005年9月，又进行维修。国内外耐久性问题举例国外桥梁耐久性问题：

在日本海沿岸，港湾建筑、桥梁建成后不到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、1987年一份报告报道，约有253万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35万座。美国1991年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。

国内外耐久性问题举例

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)，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12亿英镑(累计接近造价的6倍)!

国内外耐久性问题举例国内外耐久性问题举例国内外耐久性问题举例海沙施工的混凝土房屋国内外耐久性问题举例耐久性基本概念

耐久性：指混凝土结构在自然环境、使用环境、材料内部因素及正常维护的条件下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持安全、使用功能和外观要求的能力。

※使用环境：指结构工作时所在地区的环境。根据使用环境的好坏，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类环境类别。

※正常维护：指结构出现小问题要及时维修和处理。包括表面清洁；保证排水设备正常工作；修补小裂缝、小空洞和裸露的钢筋；检查桥梁支座的活动性等。

耐久性基本概念耐久性问题成因第一类：由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土的速率所决定。化学因素：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀；物理因素：冻融、盐结晶、火灾等。第二类：磨耗、冲磨与空蚀。◎外界环境因素：温度、湿度、CO2、SO2、腐蚀物、Cl-◎混凝土自身因素：水泥品种、掺和料外加剂、配合比等◎其他因素：设计不周，施工不良，密实度、保护层厚度、日常养护不当。影响混凝土结构耐久性主要因素耐久性影响因素《钢筋混凝土结构》混凝土碳化与有害物质侵入混凝土结构的耐久性混凝土结构破坏的整体性模型混凝土的多孔结构混凝土的碳化1、混凝土碳化

指混凝土中的碱性物质与CO2

发生的反应使混凝土的碱性下降的过程。

◆混凝土碳化的结果：混凝土强度有所提高；钢筋的钝化膜会被破坏，造成钢筋生锈。◆碳化速度：慢，一般1cm需要10年左右。

◆碳化深度检测方法：喷射酚酞酒精喷剂。Ca(OH)2与酚酞试剂呈显色反应(变红);◆减缓措施：

增加混凝土碱性；(选用普通硅酸盐水泥，保证水泥用量)；保证混凝土密实度，掺加细粉煤灰或硅粉；表面覆盖砂浆或涂料涂层；适当增加保护层厚度等。混凝土的碳化为防止混凝土碳化，进行涂料喷涂——聚合物乳液防碳化涂料，其粘结强度大于0.3MPa，防碳化能力比普通混凝土提高10倍以上。混凝土的碳化2、侵蚀性物质腐蚀存在与水泥石中存在于工业企业、海水和土壤中硫酸盐+氢氧化钙和水化铝酸钙=石膏+硫铝酸钙(体积膨胀)含水硫酸钙(CaSO4.2H2O)有酸腐蚀，海水腐蚀，硫酸盐腐蚀等有害物质的侵入硫酸盐侵蚀酸的侵蚀：工业环境海水侵蚀：硫酸根、氯离子、镁离子有害物质的侵入《钢筋混凝土结构》混凝土冻融破坏混凝土结构的耐久性冻融破坏概述在寒冷地区混凝土由于内部水分反复结冰和融化而对其结构造成的破坏。混凝土中大毛细孔里的水结冰时，体积大约要膨胀9%，如果体内没有足够的空间容纳，就会产生可能引起开裂的压力。分为净水冻融和含盐溶液的冻融。破坏是逐步形成的。主要表现形式为开裂和剥落，伴以强度和弹模降低。典型破坏形式冻害造成混凝土板的D-型裂缝（裂缝围绕板的两个或四个角弯曲，由骨料开裂造成）典型破坏形式影响因素孔结构对冻融破坏的影响：孔径大小决定了混凝土孔中水的冰点，孔径越小，冰点越低，成冰率也低，从而减小因结冰引起的对混凝土的破坏，提高了混凝土的抗冻性。低的孔隙率和闭合孔会提高混凝土的抗冻性能。饱水度对冻融破坏的影响：含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，该数值被称为临界饱水度。在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。混凝土表面层含水率通常大于其内部的含水率，受冻时表面的温度又低于内部的温度，所以冻害往往从表层开始逐步向内部发展。引气剂对冻融破坏的影响：在混凝土中引入均匀分布的、不与毛细孔连通的、封闭的气孔，提供未充水的空间，缩短形成静水压的流程。引气量约5~7%。影响因素冰晶在毛细孔中形成，将对孔壁产生压力，导致损伤。冰晶在气孔中形成，气孔可提供冰晶生成的空间，避免损伤。《钢筋混凝土结构》钢筋锈蚀混凝土结构的耐久性最严重的耐久性问题。常是结构使用寿命的控制因素。钢筋锈蚀美国国会认为由于锈蚀所产生的损失每年高达2760亿美元。美国联邦高速公路局估计基础设施损坏导致1.3万亿美元损失。钢筋锈蚀纽约州使用仅20年的高速公路桥梁，因钢筋锈蚀已产生顺筋裂缝，混凝土部分剥落。钢筋锈蚀Rebarcorrosion,bridgeon401Highway(Ontario,Canada)除冰盐侵蚀导致的高速公路桥梁结构破坏钢筋锈蚀钢筋锈蚀破坏后果在混凝土内部产生膨胀应力，导致开裂；顺筋裂缝；使钢筋断面减小；点蚀：产生应力集中；使钢筋变脆，屈服点降低。钢筋锈蚀破坏机理混凝土中钢材的钝化：碱性环境下（pH=12-13）在金属表面形成一层Fe3O4薄膜。•混凝土中钢材的钝化会由于下列原因被破坏：1）混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去碱性；2）道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。钢筋锈蚀破坏机理阴极： Fe→2e-+Fe2+

（金属铁）FeO·(H2O)x阳极：0.5O2+H2O+2e-→2OH-（铁锈） （空气）（水）在阳极表面存在水和氧气是必要条件。铁转变为铁锈，伴随有体积增大，最大可达600%。钢筋锈蚀破坏机理钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式钢筋锈蚀阻止或延缓钢筋生锈的措施：控制各种侵蚀性物质的浓度；限制碳化层深度；控制裂缝；增加混凝土的密实度；控制和减少外界氯离子的侵入和内部材料中氯离子的含量；增加混凝土保护层厚度；配置混凝土时掺入钢筋阻锈剂，或采用环氧树脂涂层钢筋和镀锌钢筋。钢筋锈蚀《钢筋混凝土结构》碱-骨料反应混凝土结构的耐久性碱-骨料反应概述最常见、最重要的反应是碱—硅反应（简称ASR），它是骨料中所含的无定形硅与孔隙里含碱（钠、钾、钙的氢氧化物）的溶液反应，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝胶，当结构物暴露在潮湿环境中，混凝土体内相对湿度超过85%时，就会出现膨胀，直到引起混凝土开裂与破坏。◆碱集料反应产物吸水后体积可增大3~4倍。◆引起碱集料反应有三个条件：⑴混凝土的凝胶中有碱性物质。主要来自于水泥。⑵骨料中有活性骨料，如黑硅石等含SiO2的骨料；⑶水分。碱骨料反应的充分条件是有水分。◆碱集料反应在结构竣工数年(五年左右)后发生；

◆病害不会只在一处发生；◆碱集料反应产物呈姜黄色或白色。碱-骨料反应概述碱-骨料反应概述骨料颗粒周围的反应环地图状开裂碱-骨料反应概述特点及预防碱－骨料反应发展快，在数年内即可导致混凝土结构开裂。碱－骨料反应常是其它侵蚀性反应的引发因素或相互促进。如延迟钙矾石反应，冻融破坏等。碱－骨料反应不能修复，只能预防。预防方法：不用活性骨料；限制碱含量；提高混凝土抗裂性、抗渗性。《钢筋混凝土结构》环境作用等级及耐久性设计要求混凝土结构的耐久性环境作用等级环境类别环境条件1温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土壤接触的环境2严寒地区的大气环境，使用除冰盐环境、滨海环境3海水环境4受人为侵蚀性物质影响的环境耐久性设计要求《公路桥规》对桥梁结构的耐久性设计要求：1、结构混凝土材料耐久性的基本要求应符合表9-2的规定。2、对于预应力混凝土构件，混凝土材料中的最大氯离子含量为0.06%，最小水泥用量为350kg/m3，最低混凝土强度等级为C40；3、特大桥和大桥的混凝土最大含碱量宜降至1.8kg/m3，当处于Ⅲ类、Ⅳ类或使用除冰盐和滨海环境时，宜使用非碱活性骨料。

耐久性基本要求环境类别最大水灰比最少水泥用量(Kg/m3)最低混凝土强度等级最大氯离子含量(%)最大碱含量（%）10.55275C250.303.0