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(cè)學(xué)院：力學(xué)與材料學(xué)院專業(yè)：材料工程姓名：龐東旭學(xué)號(hào)：151610010020任課老師：蔣林華摘要摘要：實(shí)現(xiàn)混凝土工程的高耐久和長(zhǎng)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(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)已成為共識(shí)。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題是一個(gè)十分復(fù)雜的工程問(wèn)題， 不僅影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命， 更加影響到整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)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(xì)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(diǎn)介紹了混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久壽命預(yù)測(cè)的研究方法， 最后提出了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。關(guān)鍵

2、詞：混凝土；耐久性；研究現(xiàn)狀；壽命預(yù)測(cè)水泥混凝土以其原材料易得、易澆注成型、適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高、綜合能耗低等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)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(xué)發(fā)展日新月異, 但仍然沒(méi)有科學(xué)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(jì)30 40 年代開(kāi)始,西方國(guó)家出于戰(zhàn)后重建、工業(yè)化、城市化以及能源開(kāi)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(zhǎng)。之后, 發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)進(jìn)一步助推了混凝土用量的迅猛增長(zhǎng) 。1987 年, 美國(guó)國(guó)家材料顧問(wèn)委員會(huì)提交的調(diào)查研究報(bào)告使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性在美國(guó)乃至世界范圍內(nèi)引起轟動(dòng)。該報(bào)告指出, 大約25.3 萬(wàn)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?fù)p壞, 使用年限遠(yuǎn)低于40 50 年的設(shè)計(jì)壽命 。大量混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早出現(xiàn)嚴(yán)重劣化引起了世界范圍內(nèi)對(duì)混凝土耐久性的高度關(guān)注, 不僅是因?yàn)樾枰ㄙM(fèi)巨資修補(bǔ)加固甚至重建, 還在于當(dāng)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(dǎo)致的氣候變暖和生態(tài)惡化對(duì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要?；炷聊途眯猿蔀殛P(guān)注焦點(diǎn)促進(jìn)了世界范圍內(nèi)混凝土理論和技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)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(cè)” 、“混凝土結(jié)構(gòu)壽命周期評(píng)價(jià)(影響評(píng)價(jià)、成本分析)”等新認(rèn)識(shí)、新方法的出現(xiàn), 將會(huì)為克服混凝土結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的過(guò)早劣化問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)混

4、凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)十分復(fù)雜的工程問(wèn)題。目前的研究主要集中在混凝土腐蝕機(jī)理研究、在役結(jié)構(gòu)的健康狀況評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)性能的防護(hù)措施研究等方面，對(duì)在役建筑物如何評(píng)估其耐久性和剩余使用壽命，也尚無(wú)統(tǒng)一方法。事實(shí)表明，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究滯后于工程實(shí)踐的需要，因此，積極開(kāi)展混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)材料的壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)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(jì)要求的目標(biāo)使

5、用期內(nèi)，不需要花費(fèi)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(gè)層次，相對(duì)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(duì)混凝土和鋼筋兩種材料的研究。20世紀(jì)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(xué)者積極進(jìn)行有針對(duì)性的研究。1925年，在Miller領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)開(kāi)始在硫酸鹽含量極高的土壤內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，其目的是為了獲取25年、50年甚至更長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)混凝土抗蝕性影響方面的見(jiàn)解。1945年，Powers 等人從混凝土亞微觀入手，分析了孔隙水對(duì)孔壁的作用，提出了靜水壓假說(shuō)和滲透壓假說(shuō)，開(kāi)始了對(duì)混凝土凍融破壞的研究。我國(guó)對(duì)混凝土耐久性的研究始于20世紀(jì)60年代南京水利科學(xué)研究院對(duì)鋼筋銹蝕的研究，當(dāng)時(shí)主要的研究?jī)?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(jì)80年代，我國(guó)以中國(guó)建筑科學(xué)研究院和中冶集團(tuán)建筑研究總院為首對(duì)混凝土構(gòu)件的耐久性展開(kāi)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jiān)實(shí)的屏障而有效阻止或至少是降低離子遷移進(jìn)程決定的。劣化機(jī)理一般包括外界離子通過(guò)滲透進(jìn)入材料的孔結(jié)構(gòu)中，以及含水相和不含水相的化學(xué)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(yán)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(guò)內(nèi)部因素或進(jìn)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(gè)因素先后或同時(shí)造成破壞作用。這些都增加了混凝土耐久性問(wèn)題的復(fù)雜性?；炷两Y(jié)構(gòu)常見(jiàn)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(duì)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二氧化碳。目前氯離子對(duì)混凝土及其內(nèi)部鋼筋的腐蝕機(jī)理已有較多的研究，而氯離子對(duì)混凝土的侵入?yún)s尚未有一個(gè)統(tǒng)一的模型?；炷恋膬鋈谄茐闹饕l(fā)生在北方寒冷地區(qū)， 雖然目前還無(wú)公認(rèn)的、完全反應(yīng)混凝土凍害的機(jī)理理論，但是對(duì)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(kāi)裂破壞是整體性的，且堿-集料造成的混凝土開(kāi)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(gè)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(méi)有實(shí)際意義的。目前材料劣化機(jī)理的研究比較深入，取得不少研究成果，且已應(yīng)用于實(shí)際工程， 研究材料劣化的目的，在于分析其劣化破壞的機(jī)理，對(duì)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(jiǎn)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(jì)算模

10、型就是描述劣化過(guò)程的一種算式，這些模型幾乎都是經(jīng)驗(yàn)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(kāi)始銹蝕的過(guò)程，以及鋼筋脫鈍后的銹蝕發(fā)展過(guò)程與銹蝕后果，至于描述凍融、鹽凍、硫酸鹽、堿骨料反應(yīng)對(duì)混凝土腐蝕的計(jì)算模型則極少。耐久性計(jì)算模型有著非常大的不確定性和不確知性，而且無(wú)法進(jìn)行直接驗(yàn)證，不像構(gòu)件承載力的強(qiáng)度計(jì)算模型， 能較為容易地通過(guò)承載力試驗(yàn)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(duì)環(huán)境作用的影響。但在高應(yīng)力下，不論受拉或受壓，都會(huì)加劇環(huán)境的腐蝕作用。試驗(yàn)室條件下進(jìn)行單一和多種作用的快速腐蝕試驗(yàn)時(shí)，所采用的腐蝕作用程度遠(yuǎn)比實(shí)際情況

11、嚴(yán)酷得多，所以給出的損害后果很有可能被過(guò)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(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程。Tuutti認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程為兩個(gè)階段：初始階段和擴(kuò)展階段。初始階段為侵蝕性物質(zhì)進(jìn)入混凝土保護(hù)層到侵蝕性物質(zhì)到達(dá)鋼筋處且鋼筋開(kāi)始去鈍化；擴(kuò)展階段為鋼筋開(kāi)始腐蝕到材料性能達(dá)到極限狀態(tài)。屈文俊等人認(rèn)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(shí)間跨。這個(gè)時(shí)間跨一般分為兩個(gè)時(shí)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(shí)

12、間之和，即t=t1+t2+t3，其中：t1為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)過(guò)的濕度遷移時(shí)間； t2為暴露于空氣一側(cè)的混凝土中鋼筋處Cl-達(dá)到臨界濃度所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；t3為達(dá)到必須修補(bǔ)狀態(tài)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。M.T. Liang 等人認(rèn)為混凝土使用壽命的定義是：從施工開(kāi)始至加筋處的Cl-濃度達(dá)到使混凝土初始劣化出現(xiàn)這一段的時(shí)間。無(wú)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(zhǔn)則、以概率術(shù)語(yǔ)表達(dá)等。5 結(jié)構(gòu)材料耐久壽命的預(yù)測(cè)對(duì)在役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)，可以揭示潛在危險(xiǎn) 及時(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)材料的耐久性研究以及其耐久壽命預(yù)測(cè)的研究尤為

13、重要。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的研究可大致追溯到上世紀(jì)3040年代，不同研究者提出了不同預(yù)測(cè)混凝土使用壽命的方法，包括根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、基于同類材料性能比較的預(yù)測(cè)、快速試驗(yàn)、應(yīng)用可靠性與隨機(jī)過(guò)程概念在材料的物理和化學(xué)性能基礎(chǔ)上建立劣化過(guò)程數(shù)學(xué)模型。以下介紹三種預(yù)測(cè)混凝土耐久壽命的預(yù)測(cè)方法。5.1 概率方法馬亞麗提出了基于規(guī)定可靠指標(biāo)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命預(yù)測(cè)，這種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)材料耐久壽命的模型主要是針對(duì)氯離子侵蝕的，模型認(rèn)為：在氯離子的實(shí)際侵蝕過(guò)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(jī)性），隨著時(shí)間推移的混凝土侵蝕深度應(yīng)該是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，氯離子侵蝕到鋼筋表面的時(shí)間

14、則應(yīng)該是一個(gè)具有一定概率分布特征的隨機(jī)變量。一方面， 通過(guò)對(duì)氯離子侵蝕影響因素的概率特性進(jìn)行分析，得出氯離子擴(kuò)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(hù)層厚度的概率分布特征；之后， 依據(jù)Fick 定律，計(jì)算氯離子侵蝕耐久壽命（氯離子侵蝕到鋼筋表面并達(dá)到一定濃度的時(shí)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(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間點(diǎn)上的耐久可靠性指標(biāo)，從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時(shí)間變化的曲線。當(dāng)某一時(shí)間點(diǎn)上耐久可靠性低于規(guī)定的指標(biāo)時(shí)，結(jié)構(gòu)的耐久壽命失效，將這個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為氯離子侵蝕的耐久壽命。Seung Jun Kwon 等人認(rèn)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(hù)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(cè)混凝土壽命時(shí)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(jìn)入混凝土的氯化物含量和極限氯化物含量（kg/m3）。5.2 通過(guò)鋼筋腐蝕預(yù)測(cè)混凝土壽命的方法這種方法通過(guò)測(cè)定三種不同情況下鋼筋的銹蝕狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)陸地混凝土的剩余壽命，三種情況為：（1） 通過(guò)碳化作用預(yù)測(cè)混凝土的剩余壽命。如果沒(méi)有除冰鹽或天災(zāi)，設(shè)計(jì)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(zhǎng)，其剩余壽命取決于混凝土覆蓋層有效深度的碳化。（2） 通過(guò)海砂預(yù)測(cè)混凝土的剩余壽命。試驗(yàn)中根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS利用多元回歸分析將腐蝕率表達(dá)成和鋼筋損失量相關(guān)的一個(gè)表達(dá)式。這個(gè)表達(dá)式涉及到三個(gè)參數(shù)：相對(duì)濕度、氯離子和混凝土保護(hù)層厚度。（3） 通過(guò)除冰鹽預(yù)測(cè)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(shí)間的不確定性使得很難歸納除冰鹽的影響。5.3 試驗(yàn)方法預(yù)測(cè)混凝土的耐久壽命Ahmad等人提出用基于累計(jì)損傷理論的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)預(yù)測(cè)混凝土的壽命：如果鋼筋混凝土試件從開(kāi)始去鈍化的時(shí)間tp開(kāi)始以它的自然腐蝕率I

17、corr腐蝕一定的時(shí)間Lc，然后給試件通外加電流Ia直到混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，這段時(shí)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(dǎo)致的損傷部分；La為自然侵蝕發(fā)生后到外加電流導(dǎo)致試件完全損傷的時(shí)間；Ll為排除自然侵蝕，僅由外加電流對(duì)試件導(dǎo)致完全損傷的時(shí)間；Lc為鋼筋自去鈍化到施加電流時(shí)發(fā)生自然損傷的持續(xù)時(shí)間；Lt為試件侵蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂的總時(shí)間。6 結(jié)語(yǔ)隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，混凝土技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但由于人類的過(guò)度開(kāi)發(fā)以及工業(yè)發(fā)展導(dǎo)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(zhǎng)壽命的混凝土材料成為研究的熱點(diǎn)?；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(duì)混凝土耐久性問(wèn)題認(rèn)識(shí)