土木工程材料結(jié)課論文

1、土木工程材料結(jié)課論文題目：混凝土耐久性與壽命預(yù)測學院：力學與材料學院專業(yè)：材料工程姓名：龐東旭學號：151610010020任課老師：蔣林華摘要摘要：實現(xiàn)混凝土工程的高耐久和長壽命是效益巨大的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展之舉措, 混凝土的耐久性成為影響混凝土技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)已成為共識?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性問題是一個十分復(fù)雜的工程問題， 不僅影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命， 更加影響到整個社會的經(jīng)濟效益。本文介紹了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀， 詳細闡述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素、研究方法以及耐久壽命的定義， 重點介紹了混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久壽命預(yù)測的研究方法， 最后提出了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需進一步研究的問題。關(guān)鍵

2、詞：混凝土；耐久性；研究現(xiàn)狀；壽命預(yù)測水泥混凝土以其原材料易得、易澆注成型、適應(yīng)性強、性價比高、綜合能耗低等優(yōu)點而成為當今世界上應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料。盡管現(xiàn)代材料科學發(fā)展日新月異, 但仍然沒有科學家能預(yù)言可替代水泥混凝土的建筑材料新品種。從20 世紀30 40 年代開始,西方國家出于戰(zhàn)后重建、工業(yè)化、城市化以及能源開發(fā)的需要, 用混凝土修建了大量的基礎(chǔ)設(shè)施, 混凝土用量持續(xù)增長。之后, 發(fā)展中國家經(jīng)濟的強勁增長進一步助推了混凝土用量的迅猛增長 。1987 年, 美國國家材料顧問委員會提交的調(diào)查研究報告使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性在美國乃至世界范圍內(nèi)引起轟動。該報告指出, 大約25.3 萬座混

3、凝土橋梁的橋面板, 其中部分僅使用不到20 年就已經(jīng)發(fā)生不同程度地損壞, 使用年限遠低于40 50 年的設(shè)計壽命 。大量混凝土結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)嚴重劣化引起了世界范圍內(nèi)對混凝土耐久性的高度關(guān)注, 不僅是因為需要花費巨資修補加固甚至重建, 還在于當今世界人口膨脹、能源供應(yīng)緊張、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)導致的氣候變暖和生態(tài)惡化對可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。混凝土耐久性成為關(guān)注焦點促進了世界范圍內(nèi)混凝土理論和技術(shù)的快速發(fā)展和進步, “混凝土耐久性的整體論模型” 、“混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測” 、“混凝土結(jié)構(gòu)壽命周期評價(影響評價、成本分析)”等新認識、新方法的出現(xiàn), 將會為克服混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中的過早劣化問題、實現(xiàn)混

4、凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供強有力支撐?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是一個十分復(fù)雜的工程問題。目前的研究主要集中在混凝土腐蝕機理研究、在役結(jié)構(gòu)的健康狀況評價和剩余壽命預(yù)測、結(jié)構(gòu)性能的防護措施研究等方面，對在役建筑物如何評估其耐久性和剩余使用壽命，也尚無統(tǒng)一方法。事實表明，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究滯后于工程實踐的需要，因此，積極開展混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究對國民經(jīng)濟建設(shè)具有重要意義。本文介紹了工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀、影響因素和研究方法，并對混凝土結(jié)構(gòu)材料的壽命預(yù)測方法進行了總結(jié)和詳述。1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計要求的目標使

5、用期內(nèi)，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性研究應(yīng)考慮環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)等方面的因素，這些因素可分為環(huán)境、材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)四個層次，相對而言材料層次的研究是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究最基礎(chǔ)的部分，也是研究得較為深入的部分，材料的耐久性研究包括對混凝土和鋼筋兩種材料的研究。20世紀20年代初，伴隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大規(guī)模應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了許多新的耐久性損傷類型，這促使學者積極進行有針對性的研究。1925年，在Miller領(lǐng)導下，美國開始在硫酸鹽含量極高的土壤內(nèi)進行長期實驗，其目的是為了獲取25年、50年甚至更長時間的混凝土腐蝕數(shù)據(jù)19341964年間，卡皮斯和戈

6、拉夫?qū)炷猎诤Ｋ械哪途眯赃M行了實驗研究，并提供了有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)在自然條件下使用情況的可靠數(shù)據(jù)以及有關(guān)水泥種類、混凝土配合比和某些生產(chǎn)因素對混凝土抗蝕性影響方面的見解。1945年，Powers 等人從混凝土亞微觀入手，分析了孔隙水對孔壁的作用，提出了靜水壓假說和滲透壓假說，開始了對混凝土凍融破壞的研究。我國對混凝土耐久性的研究始于20世紀60年代南京水利科學研究院對鋼筋銹蝕的研究，當時主要的研究內(nèi)容是混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕。較大規(guī)模的研究在20世紀80年代，我國以中國建筑科學研究院和中冶集團建筑研究總院為首對混凝土構(gòu)件的耐久性展開了廣泛而深入的研究，取得了不少成果。2 影響結(jié)構(gòu)材料耐久性的

7、因素Taylor HFW 根據(jù)實驗室試驗結(jié)果和現(xiàn)場試驗明確表明：水泥基材料的耐久性在大多數(shù)情況下是由它們作為堅實的屏障而有效阻止或至少是降低離子遷移進程決定的。劣化機理一般包括外界離子通過滲透進入材料的孔結(jié)構(gòu)中，以及含水相和不含水相的化學物質(zhì)的分解?；炷两Y(jié)構(gòu)在他們的壽命期內(nèi)暴露于各種不同的環(huán)境中，因此有可能發(fā)生嚴重影響結(jié)構(gòu)壽命的劣化。破壞因素有內(nèi)部因素與外部因素之分。外部因素常常通過內(nèi)部因素或進入混凝土內(nèi)部而起作用；外部因素之間也常常相互影響和幾個因素先后或同時造成破壞作用。這些都增加了混凝土耐久性問題的復(fù)雜性?；炷两Y(jié)構(gòu)常見的破壞因素有：凍融破壞、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、氯鹽腐蝕、堿-集料反

8、應(yīng)等。其中氯化物的侵蝕是混凝土結(jié)構(gòu)破壞因素之一。氯離子對混凝土的侵蝕通常發(fā)生在海邊的混凝土結(jié)構(gòu)，北方地區(qū)冬天撒除冰鹽的混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的危害程度遠遠大于二氧化碳。目前氯離子對混凝土及其內(nèi)部鋼筋的腐蝕機理已有較多的研究，而氯離子對混凝土的侵入?yún)s尚未有一個統(tǒng)一的模型。混凝土的凍融破壞主要發(fā)生在北方寒冷地區(qū)， 雖然目前還無公認的、完全反應(yīng)混凝土凍害的機理理論，但是對于混凝土抗凍措施已經(jīng)有了較好的建議。堿-集料反應(yīng)也是影響混凝土耐久性最主要的因素之一，它不同于其他混凝土病害， 其開裂破壞是整體性的，且堿-集料造成的混凝土開裂破壞難以被阻止，目前其判定方法、影響因素和抑制方法都已有一定的研

9、究。3 混凝土耐久性研究方法混凝土構(gòu)件耐久性的研究是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的前提和基礎(chǔ)，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，研究單一因素作用下的結(jié)構(gòu)耐久性是沒有實際意義的。目前材料劣化機理的研究比較深入，取得不少研究成果，且已應(yīng)用于實際工程， 研究材料劣化的目的，在于分析其劣化破壞的機理，對耐久性影響的作用，還要考慮到各種損傷之間的相互影響和作用，建立多因素的損傷模型。1994 年，Mecha依據(jù)“最簡單也是最有效的解決方案，是回到缺乏耐久性的根源，即混凝土滲透性和服務(wù)期影響滲透性增大的因素上”， 提出了混凝土受外界環(huán)境影響而劣化的整體模型。材料性能劣化的計算模

10、型就是描述劣化過程的一種算式，這些模型幾乎都是經(jīng)驗的，并且主要是描述碳化或氯離子從混凝土表面侵入混凝土內(nèi)部致使鋼筋表面脫鈍并開始銹蝕的過程，以及鋼筋脫鈍后的銹蝕發(fā)展過程與銹蝕后果，至于描述凍融、鹽凍、硫酸鹽、堿骨料反應(yīng)對混凝土腐蝕的計算模型則極少。耐久性計算模型有著非常大的不確定性和不確知性，而且無法進行直接驗證，不像構(gòu)件承載力的強度計算模型， 能較為容易地通過承載力試驗獲得其精度和不確定性。在耐久性研究中，一般都不考慮持久荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)對環(huán)境作用的影響。但在高應(yīng)力下，不論受拉或受壓，都會加劇環(huán)境的腐蝕作用。試驗室條件下進行單一和多種作用的快速腐蝕試驗時，所采用的腐蝕作用程度遠比實際情況

11、嚴酷得多，所以給出的損害后果很有可能被過分夸大。4 結(jié)構(gòu)材料耐久壽命的定義混凝土的耐久壽命是一個與時間有關(guān)的過程。Tuutti認為，混凝土結(jié)構(gòu)的劣化過程為兩個階段：初始階段和擴展階段。初始階段為侵蝕性物質(zhì)進入混凝土保護層到侵蝕性物質(zhì)到達鋼筋處且鋼筋開始去鈍化；擴展階段為鋼筋開始腐蝕到材料性能達到極限狀態(tài)。屈文俊等人認為，一般將混凝土中鋼筋的因銹脹裂定義為混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài) 這樣，位于侵蝕性環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命就為自結(jié)構(gòu)投入使用至混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)銹脹裂縫的時間跨。這個時間跨一般分為兩個時間段，第一階段為誘發(fā)期，也即鈍化期；第二階段為發(fā)展期。Geiker等人將使用壽命定義為三部分時

12、間之和，即t=t1+t2+t3，其中：t1為達到穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)過的濕度遷移時間； t2為暴露于空氣一側(cè)的混凝土中鋼筋處Cl-達到臨界濃度所經(jīng)過的時間；t3為達到必須修補狀態(tài)所經(jīng)過的時間。M.T. Liang 等人認為混凝土使用壽命的定義是：從施工開始至加筋處的Cl-濃度達到使混凝土初始劣化出現(xiàn)這一段的時間。無論混凝土結(jié)構(gòu)壽命如何定義，使用壽命必須包含如下因素：特定的環(huán)境、一定的破壞準則、以概率術(shù)語表達等。5 結(jié)構(gòu)材料耐久壽命的預(yù)測對在役混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性評定和壽命預(yù)測，可以揭示潛在危險 及時作出維修、加固或拆除決策，從而避免重大事故的發(fā)生，因此對結(jié)構(gòu)材料的耐久性研究以及其耐久壽命預(yù)測的研究尤為

13、重要。對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的研究可大致追溯到上世紀3040年代，不同研究者提出了不同預(yù)測混凝土使用壽命的方法，包括根據(jù)經(jīng)驗預(yù)測、基于同類材料性能比較的預(yù)測、快速試驗、應(yīng)用可靠性與隨機過程概念在材料的物理和化學性能基礎(chǔ)上建立劣化過程數(shù)學模型。以下介紹三種預(yù)測混凝土耐久壽命的預(yù)測方法。5.1 概率方法馬亞麗提出了基于規(guī)定可靠指標的混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命預(yù)測，這種預(yù)測結(jié)構(gòu)材料耐久壽命的模型主要是針對氯離子侵蝕的，模型認為：在氯離子的實際侵蝕過程中，由于混凝土本身質(zhì)量的離散性和環(huán)境條件的變異性（影響氯離子侵蝕的因素都具有隨機性），隨著時間推移的混凝土侵蝕深度應(yīng)該是一個隨機過程，氯離子侵蝕到鋼筋表面的時間

14、則應(yīng)該是一個具有一定概率分布特征的隨機變量。一方面， 通過對氯離子侵蝕影響因素的概率特性進行分析，得出氯離子擴散系數(shù)、氯離子臨界濃度、混凝土表面氯離子濃度、混凝土保護層厚度的概率分布特征；之后， 依據(jù)Fick 定律，計算氯離子侵蝕耐久壽命（氯離子侵蝕到鋼筋表面并達到一定濃度的時間） 的概率值。另一方面，利用氯離子侵蝕影響因素的分布特征，計算混凝土結(jié)構(gòu)在不同時間點上的耐久可靠性指標，從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時間變化的曲線。當某一時間點上耐久可靠性低于規(guī)定的指標時，結(jié)構(gòu)的耐久壽命失效，將這個時間點作為氯離子侵蝕的耐久壽命。Seung Jun Kwon 等人認為氯化物的侵蝕存在著很多的不確定性

15、，如不同的混凝土材料的性能、不同的混凝土保護層厚度、不同的表面氯離子濃度、氯離子極限含量水平的不確定性，因此在預(yù)測混凝土壽命時應(yīng)引入概率的方法。耐久性失效的概率Pdurability、耐久壽命Tser由下式確定：Pdurability=Pf（t）=PCtCcrTser=Pf（t）Pfmax式中Pfmax為耐久失效的最大概率；Ct和Ccr分別為進入混凝土的氯化物含量和極限氯化物含量（kg/m3）。5.2 通過鋼筋腐蝕預(yù)測混凝土壽命的方法這種方法通過測定三種不同情況下鋼筋的銹蝕狀態(tài)來預(yù)測陸地混凝土的剩余壽命，三種情況為：（1） 通過碳化作用預(yù)測混凝土的剩余壽命。如果沒有除冰鹽或天災(zāi)，設(shè)計和施工都很

16、好的結(jié)構(gòu)在定期維修下結(jié)構(gòu)的壽命都很長，其剩余壽命取決于混凝土覆蓋層有效深度的碳化。（2） 通過海砂預(yù)測混凝土的剩余壽命。試驗中根據(jù)統(tǒng)計分析軟件SAS利用多元回歸分析將腐蝕率表達成和鋼筋損失量相關(guān)的一個表達式。這個表達式涉及到三個參數(shù)：相對濕度、氯離子和混凝土保護層厚度。（3） 通過除冰鹽預(yù)測混凝土的剩余壽命。除了海砂，如果陸地混凝土受到氯離子的侵蝕，最有可能的原因就是使用除冰鹽。由于除冰鹽使用時間的不確定性使得很難歸納除冰鹽的影響。5.3 試驗方法預(yù)測混凝土的耐久壽命Ahmad等人提出用基于累計損傷理論的實驗方法來預(yù)測混凝土的壽命：如果鋼筋混凝土試件從開始去鈍化的時間tp開始以它的自然腐蝕率I

17、corr腐蝕一定的時間Lc，然后給試件通外加電流Ia直到混凝土保護層開裂，這段時間為tcor，那么根據(jù)累加損傷理論可以得到方程如下：L Lc/Lt + La/Ll =1式中， Lc/Lt為自然損傷部分；La/Ll為外部施加電流導致的損傷部分；La為自然侵蝕發(fā)生后到外加電流導致試件完全損傷的時間；Ll為排除自然侵蝕，僅由外加電流對試件導致完全損傷的時間；Lc為鋼筋自去鈍化到施加電流時發(fā)生自然損傷的持續(xù)時間；Lt為試件侵蝕導致混凝土保護層開裂的總時間。6 結(jié)語隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，混凝土技術(shù)也在不斷進步，但由于人類的過度開發(fā)以及工業(yè)發(fā)展導致的全球環(huán)境惡化，使得混凝土結(jié)構(gòu)面臨著新的挑戰(zhàn)，高耐久長壽命的混凝土材料成為研究的熱點?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性研究中涉及到很多不確定性的因素，而且這些不確定性隨著人們對混凝土耐久性問題認識