混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究的回顧與展望課件

1、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究的回顧與展望混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究的回顧與展望1 問題的嚴(yán)重性1.1 國外 1991年第二屆混凝土結(jié)構(gòu)耐久性國際會(huì)議，Metha教授提出，混凝土破壞的原因氣候依次鋼筋腐蝕-寒冷的凍害-侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用。引起結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。以往的乃至現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，普遍存在著重強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕耐久性設(shè)計(jì)的現(xiàn)象。以GBJ10-89為例，只是在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中控制了一些與耐久性設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù), 這些參數(shù)的控制對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)并不起決定性的作用, 并且這些參數(shù)也會(huì)隨時(shí)間而變化。 同時(shí), 不合格的施工也會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。1 問題的嚴(yán)

2、重性1.1 國外美國1975 年由于腐蝕引起的損失達(dá)700 億美元，1985 年則達(dá)1 680 億美元。英國英格蘭島中部環(huán)形快車道上11 座混凝土高架橋， 當(dāng)初建造費(fèi)2 800 萬英鎊， 到1989 年因?yàn)榫S修而耗資4 500 萬英鎊，是造價(jià)的1. 6 倍，估計(jì)以后15 年還要耗資1. 2 億英鎊，累計(jì)接近當(dāng)初造價(jià)的6 倍。1962-1964年，挪威海濱700座混凝土結(jié)構(gòu)橋梁耐久性調(diào)查發(fā)現(xiàn)：浪濺區(qū)立柱斷面損失率大于30%達(dá)到14%，10%30%達(dá)到20%1 問題的嚴(yán)重性美國1975 年由于腐蝕引起的損失達(dá)700 億美元，1985日本運(yùn)輸省檢查103座混凝土海港碼頭，發(fā)現(xiàn)凡是有20年歷史的，有相

3、當(dāng)大的順筋銹裂。澳大利亞調(diào)查62座海岸混凝土結(jié)構(gòu)，查明耐久性的許多問題與浪濺區(qū)的鋼筋異常嚴(yán)重的腐蝕有關(guān)。德國柏林議會(huì)大廈預(yù)應(yīng)力混凝土房頂?shù)顾?，分析表明，是預(yù)應(yīng)力鋼絲周圍水泥漿體灌注不好，導(dǎo)致析氫的應(yīng)力腐蝕。香港房管局1989年調(diào)查1000棟公寓，其中156棟需要修補(bǔ)，主要是混凝土碳化和廁所用海水沖洗系統(tǒng)的滲漏。1 問題的嚴(yán)重性日本運(yùn)輸省檢查103座混凝土海港碼頭，發(fā)現(xiàn)凡是有20年歷史的1.2 國內(nèi)我國公路和高速公路工程、橋梁工程、水電工程、鐵道工程、港口工程、隧道工程、地下工程、國防防護(hù)工程、治山治水與治沙治海工程、南水北調(diào)和西氣東輸工程正在全面大規(guī)模興建。公路通車?yán)锍逃?019年192萬公里

4、擴(kuò)大到2019年的274萬公里；鐵道建設(shè)到2020年將有2019年7.5萬公里擴(kuò)大到14萬公里；高速公路由2019年4.1萬公里擴(kuò)大到2019年的6.5萬公里；電氣工程由2019年5108kW擴(kuò)大到2049年的15108kW；建設(shè)規(guī)模十分宏偉。到2050城市人口將從現(xiàn)在的40%擴(kuò)大到80%。不論是基礎(chǔ)工程大規(guī)模興建，還是城市化高速推進(jìn)，都與混凝土工程密切相關(guān)，如不提高土木工程材料的耐久性，延長工程服役壽命，必將給國家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。1 問題的嚴(yán)重性1.2 國內(nèi)1 問題的嚴(yán)重性1.2 國內(nèi)我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題也十分嚴(yán)重，1986年國家統(tǒng)計(jì)局和建設(shè)部對(duì)全國城鄉(xiāng)28個(gè)省市自治區(qū)的323個(gè)城市

5、和5000個(gè)鎮(zhèn)進(jìn)行普查表明：目前我國已有城鎮(zhèn)房屋建筑面積46.76億m2，占全部建筑面積的60%，已有工業(yè)廠房約5億m2，覆蓋的固定資產(chǎn)超過5000億元，這些建筑物中約有23億m2需要分期分批進(jìn)行評(píng)估與加固，而其中半數(shù)以上繼續(xù)維修加固之后才能正常使用。國外學(xué)者曾用“五倍定律”描述結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性，即設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼筋防護(hù)節(jié)省1美元，那就意味著發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)5美元；混凝土表面順筋開裂時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)25美元；嚴(yán)重破壞時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)125美元。1 問題的嚴(yán)重性1.2 國內(nèi)1 問題的嚴(yán)重性1 問題的嚴(yán)重性近期國內(nèi)調(diào)查資料也充分顯示 ，我國鋼筋混凝土工業(yè)建筑平均 壽

6、命約為25-30年，50年代建造的工業(yè)建筑 ，大多數(shù)已嚴(yán)重銹蝕 破壞。交通部調(diào)查了23萬座橋梁 ，其中有 5000座是危橋；海港 碼頭等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因遭受嚴(yán)重腐蝕破壞使用壽命只有25年。 我國因腐蝕造成直接經(jīng)濟(jì)損失為 5000億元/年 ,僅鋼筋銹蝕引起的 混凝土結(jié)構(gòu)損傷破壞的損失就達(dá) 1000億元/年之多。1 問題的嚴(yán)重性近期國內(nèi)調(diào)查資料也充分顯示 ，我國鋼筋混凝土1 問題的嚴(yán)重性某市海上旅館基礎(chǔ)破壞圖（建于2000年）北京西直門立交橋橋墩落水口鋼筋銹蝕北京西直門立交橋橋底凍融破壞嘉和大橋損傷梁之破壞形態(tài)（建于1974年）1 問題的嚴(yán)重性某市海上旅館基礎(chǔ)破壞圖（建于2000年）北京1 問題的

7、嚴(yán)重性302國道長沙-萍鄉(xiāng)段斷板和開裂山東濰坊白浪和大橋因氯鹽擴(kuò)散引起的銹蝕寧波北倉碼頭混凝土梁銹蝕沈陽山海關(guān)高速公路冬季撒鹽1 問題的嚴(yán)重性302國道長沙-萍鄉(xiāng)段斷板和開裂山東濰坊白浪1 問題的嚴(yán)重性鋼結(jié)構(gòu)混凝土基礎(chǔ)露天鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)露天鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)西部地區(qū)電線桿1 問題的嚴(yán)重性鋼結(jié)構(gòu)混凝土基礎(chǔ)露天鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)露天鋼筋混1 問題的嚴(yán)重性（a）（b）（c）（d）浙江寧波市鎮(zhèn)海區(qū)電廠升壓站混凝土結(jié)構(gòu)，建廠近26年，常年受氯離子侵蝕，70%混凝土柱（a）25%混凝土梁；（b）75%的柱；（c）牛腿； ；（d） 100%桁架混凝土剝落，鋼筋外露。1 問題的嚴(yán)重性（a）（b）（c）（d）浙江寧波市

8、鎮(zhèn)海區(qū)電廠1 問題的嚴(yán)重性（a）（b）金華某大橋，建于1975年，為混凝土雙曲拱橋，橫跨蘭江，該橋的耐久性損傷主要由于橋梁的排水系統(tǒng)工作不好，橋面積水滲水，多處立柱與蓋梁交界處出現(xiàn)豎向裂縫，部分立柱甚至出現(xiàn)露筋現(xiàn)象。(a)邊角處有混凝土保護(hù)層大塊脫落現(xiàn)象；(b)框架蓋梁段普遍出現(xiàn)混凝土大塊剝落，鋼筋嚴(yán)重腐蝕。1 問題的嚴(yán)重性（a）（b）金華某大橋，建于1975年，為混1 問題的嚴(yán)重性1 問題的嚴(yán)重性1 問題的嚴(yán)重性1 問題的嚴(yán)重性2 混凝土耐久性研究的回顧初期：1824年，阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥，人類開始混凝土 建造建筑物的歷史，耐久性問題隨之產(chǎn)生，早期混凝土主要 用于防波堤、碼頭、燈塔等，因

9、此初期混凝土耐久性問題主 要集中在了解海上構(gòu)筑物的混凝土腐蝕情況。早期：19世紀(jì)40年代，法國工程師維卡對(duì)此深入研究，著有 水硬性組分遭受海水腐蝕的化學(xué)原因及其防護(hù)方法研究成 為研究混凝土腐蝕破壞的第一步著作。1880年-1890年，人們 開始關(guān)注在工業(yè)大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題。中期：上世紀(jì)初至上世紀(jì)60年代，人們開展大量的混凝土結(jié)構(gòu) 耐久性試驗(yàn)，成果反映在B.M.莫斯克文的專著混凝土的防腐 同時(shí)，在大規(guī)模研究工作的基礎(chǔ)上制定了防腐標(biāo)準(zhǔn)如CH262-63 CH262-672 混凝土耐久性研究的回顧初期：1824年，阿斯普丁發(fā)明波特2 混凝土耐久性研究的回顧近期： ACI1957年成立A

10、CI201，負(fù)責(zé)并指導(dǎo)混凝土耐久性方面的研究；1987年，日本土木工程師學(xué)會(huì)混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)提出關(guān)于混凝土耐久性的使用設(shè)計(jì)方法；1989年，歐洲混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)發(fā)表了“耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南”；1982年，國際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)（RILEM）和國際建筑研究與文獻(xiàn)協(xié)會(huì)（CIB）聯(lián)合組成了建筑材料與構(gòu)件使用壽命預(yù)測委員CIBW80/RILEM71-PSL，共同研究結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測問題，1987年又成立新的委員會(huì)CIBW80/RILEM100-PSL，以進(jìn)一步推進(jìn)此項(xiàng)工作。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要意義，國內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)專 門組織人力物力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)和研究。2 混凝土耐久性研

11、究的回顧近期：2 混凝土耐久性研究的回顧近期： 1990年，英國水泥協(xié)會(huì)對(duì)英國400多個(gè)結(jié)構(gòu)的碳化情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，得出了一些非常有價(jià)值的結(jié)果；1993年2019年，臺(tái)灣海洋大學(xué)對(duì)海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分為三個(gè)階段。我國建設(shè)部把“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設(shè)計(jì)”作為八五科技攻關(guān)項(xiàng)目，由清華大學(xué)和中國建筑科學(xué)研究院共同承擔(dān)；國家八五科技攻關(guān)專題“在用危險(xiǎn)建筑物實(shí)時(shí)監(jiān)測與評(píng)估技術(shù)研究”也從結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件水平對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了研究。2019年，國家科委批準(zhǔn)并啟動(dòng)了“重大土木及水利工程安全性與耐久性的研究基礎(chǔ)”，為其五年，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性有更高要求的項(xiàng)目。2 混凝土

12、耐久性研究的回顧近期：2 混凝土耐久性研究的回顧近期： 國內(nèi)各個(gè)高校也以耐久性作為研究課題，開展了深入而細(xì)致的研究，如清華大學(xué)（陳肇元院士），東南大學(xué)（孫偉院士）；大連理工大學(xué)（趙國藩院士），上海交通大學(xué)（劉西拉教授）；浙江大學(xué)（金偉良教授）；中國礦業(yè)大學(xué)（袁迎曙教授）；同濟(jì)大學(xué)（黃士元教授）.提高材料的耐久性和服役壽命已經(jīng)遍及材料科學(xué)與工程的各個(gè)領(lǐng)域并并入“十一五”國家科技發(fā)展綱要之中。當(dāng)今我國重大基礎(chǔ)工程建設(shè)的迅猛發(fā)展也引起混凝土科學(xué)與工程界的倍加關(guān)注，也是耐久性和壽命研究的巨大動(dòng)力。2 混凝土耐久性研究的回顧近期：3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本概念：混凝土結(jié)構(gòu)在

13、自然環(huán)境，使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下，保持其自身工作能力的性能?；炷了幍沫h(huán)境分為一般大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、土壤環(huán)境及工業(yè)環(huán)境等；混凝土結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部因素的作用是材料的物理和化學(xué)作用，如混凝土碳化、鋼筋銹蝕等；由混凝土耐久性引起的結(jié)構(gòu)工作性能改變包括承載能力降低，最終影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性要考慮環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)等方面的因素混凝土結(jié)構(gòu)耐久性可分為環(huán)境、材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)四個(gè)層次，相對(duì)而言，材料和構(gòu)件層次研究較為充分。3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本概念3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境層次材料層次構(gòu)件層次結(jié)構(gòu)層次大氣環(huán)境：二氧化碳；水汽

14、；汽車排氣等海洋環(huán)境：氯離子；水等土壤環(huán)境：有害離子；微生物；水等工業(yè)環(huán)境：工業(yè)廢渣廢水；水汽等混凝土碳化：碳化機(jī)理；影響因素；碳化模式等氯鹽侵蝕：腐蝕機(jī)理；滲入模型；防護(hù)方法等鋼筋銹蝕：銹蝕機(jī)理；影響因素；銹蝕模型；檢測與防護(hù)凍融破壞：凍害機(jī)理；影響因素；凍害措施等堿-集料反應(yīng)：反映機(jī)理；影響因素；防護(hù)措施等混凝土銹脹開裂模型粘結(jié)性能退化構(gòu)件承載力變化：抗彎、抗剪等耐久性設(shè)計(jì)：耐久性計(jì)算與驗(yàn)算；構(gòu)造措施耐久性評(píng)估：模糊數(shù)學(xué)法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；專家系統(tǒng) 法；可靠度法3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土結(jié)環(huán)境層次材料層次構(gòu)3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土碳化混凝土在空氣中的中性化，空氣中

15、的二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用，使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機(jī)能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。碳化會(huì)降低混凝土的堿度，破壞混凝土表明的鈍化膜，使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。碳化還會(huì)加劇混凝土的收縮，導(dǎo)致混凝土的裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞。碳化化學(xué)反應(yīng)：國內(nèi)外公認(rèn)的碳化深度D與時(shí)間t關(guān)系影響碳化深度的主要因素：混凝土水灰比；水泥品種；水泥用量；養(yǎng)護(hù)方法；氣孔；環(huán)境的溫度濕度；二氧化碳的濃度。3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容混凝土碳化3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容氯離子侵蝕海水環(huán)境（連云港）；空氣環(huán)境；北方地區(qū)冬季撒鹽除冰；混凝土外加劑等機(jī)理： （1）

16、破壞鈍化膜，PH降為4；（2）形成腐蝕電池，點(diǎn)銹蝕處陰極，未銹處陽極；（3）去極化，氯離子“搬運(yùn)”電子；（4）導(dǎo)電作用化學(xué)反應(yīng)：大量的檢測結(jié)果表明氯離子的濃度可認(rèn)為是一個(gè)線性擴(kuò)散過程；一般滿足Fick第二定律；目前有一些對(duì)各種機(jī)理全面考慮的模型，但是由于模型的一些參數(shù)難以確定，只能定性上加以描述，其實(shí)用性還需深入研究。3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容氯離子侵蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕當(dāng)鋼筋外面的混凝土中性化或出現(xiàn)開裂等情況，鋼筋失去堿性混凝土的保護(hù)，鈍化膜破壞并開始銹蝕，銹蝕的鋼筋不僅截面積有所損失，材料的各項(xiàng)性能也會(huì)衰減，從而影響構(gòu)件的承載能力和使用性能，鋼筋銹蝕是引起混

17、凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的最主要和最直接因素。目前對(duì)影響鋼筋銹蝕的因素、銹蝕鋼筋材料性能的變化、鋼筋銹蝕的防護(hù)和檢測均有較多的研究。鋼筋銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕，當(dāng)二氧化碳、氯離子等侵入時(shí)，混凝土堿性下降，或者鋼筋表面開裂，鋼筋表面的不同部位出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極，在一定的環(huán)境條件下（氧氣和水分存在），鋼筋開始銹蝕。3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕破壞的主要特征為：1）裂縫沿主筋方向開展延伸；2）握裹力下降；3）斷面損失；4）鋼筋應(yīng)力腐蝕斷裂電化學(xué)腐蝕化學(xué)反應(yīng)式：影響鋼筋銹蝕的主要因素：鋼筋位置；鋼筋直徑；水泥品種，混凝土密實(shí)度；保護(hù)

18、層厚度，外部環(huán)境（溫度和濕度）3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕作者關(guān)于溫度、濕度、保護(hù)層厚度、混凝土水灰比對(duì)鋼筋銹蝕速度影響的研究結(jié)論蔣德穩(wěn)，2019年第七期混凝土，2019年第三期淮海工學(xué)院學(xué)報(bào) (3)3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕 3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕作者關(guān)于裂縫寬度對(duì)鋼筋銹蝕速度影響的試驗(yàn)研究蔣德穩(wěn)，2019年第七期四川建筑科學(xué)研究3 混

19、凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕目前，檢測鋼筋銹蝕速度的方法有分析法、物理法、電化學(xué)法。分析法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度等綜合考慮構(gòu)件所處的環(huán)境情況推斷鋼筋銹蝕程度；物理法是通過測定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲傳導(dǎo)反映鋼筋銹蝕情況；電化學(xué)方法是根據(jù)測定鋼筋/混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度和速度。3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者研究Half-cell法3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者研究線性極化法-蔣德穩(wěn)2019年混凝土；3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者研究微安表法-2019年建筑科學(xué)；2009東南大學(xué)學(xué)報(bào)3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法-作者3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要內(nèi)容鋼筋銹蝕速度測定方法