1、第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性10.5 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 P.321混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)能在自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足在規(guī)定的設(shè)計工作壽命內(nèi)不出現(xiàn)無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等的耐久性要求。耐久性是指結(jié)構(gòu)在預(yù)定設(shè)計工作壽命期內(nèi)，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固滿足，而滿足正常使用和安全功能要求的能力。對于一般建筑結(jié)構(gòu)，設(shè)計工作壽命為50年，重要的建筑物可取100年。近年來，隨著建筑市場化的發(fā)展，業(yè)主也可以對建筑的壽命提出更高要求。對于其它土木工程結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能要求，設(shè)計工作壽命也有差別，如橋梁工程一般要求在100年以上。混凝土結(jié)構(gòu)

2、使用壽命 無損傷劣化開始，可修補毀壞,廢棄Deterioration of Reinforced Concrete Bridge due to Poor DurabilityHighway Bridge in Service New York State, US第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性世界上經(jīng)濟發(fā)達國家的工程建設(shè)大體上經(jīng)歷了三個階段：大規(guī)模建設(shè)；新建與改建、維修并重；重點轉(zhuǎn)向既有建筑物的維修改造。目前經(jīng)濟發(fā)達國家處于第三階段，結(jié)構(gòu)因耐久性不足而失效，或為保證繼續(xù)正常使用而付出巨大維修代價，這使得耐久性問題變得十分重要。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)

3、的耐久性我國50年代開始大規(guī)模建設(shè)的工程項目，由于當(dāng)時經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都較低，除一些重要的工程項目目前需要繼續(xù)維持其使用外，其它大部分工程已達到其使用壽命。我國真正進入大規(guī)模建設(shè)是在改革開放以后，因此國外發(fā)達國家在耐久性上所遇到的問題應(yīng)引起我國工程技術(shù)人員的足夠重視，避免重蹈發(fā)達國家的覆轍，對國家經(jīng)濟建設(shè)造成巨大浪費。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性碳化一、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素內(nèi)部因素： 混凝土強度 滲透性 保護層厚度 水泥品種 標(biāo)號和用量 外加濟等外部因素： 環(huán)境溫度 濕度 CO2含量 侵蝕性介質(zhì)等第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐

4、久性1、混凝土的凍融破壞 混凝土水化結(jié)硬后，內(nèi)部有很多毛細孔。在澆筑混凝土?xí)r，為得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多些。 多余的水份滯留在混凝土毛細孔中。低溫時水份因結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。 反復(fù)凍融多次，就會使混凝土的損傷累積達到一定程度而引起結(jié)構(gòu)破壞。 防止混凝土凍融破壞的主要措施是降低水灰比，減少混凝土中多余的水份。 冬季施工時，應(yīng)加強養(yǎng)護，防止早期受凍，并摻入防凍劑等。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性2、混凝土的堿集料反應(yīng) P.235 混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)。 堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿-硅

5、酸鹽凝膠，吸水后會產(chǎn)生膨脹，體積可增大34倍，從而混凝土的剝落、開裂、強度降低，甚至導(dǎo)致破壞。 引起堿集料反應(yīng)有三個條件：混凝土的凝膠中有堿性物質(zhì)。這種堿性物質(zhì)主要來自于水泥，若水泥中的含堿量（Na2O，K2O）大于0.6%以上時，則會很快析出到水溶液中，遇到活性骨料則會產(chǎn)生反應(yīng)；骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃質(zhì)火山石、安山石等含SiO2的骨料；水分。堿骨料反應(yīng)的充分條件是有水分，在干燥環(huán)境下很難發(fā)生堿骨料反應(yīng)。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性3、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體

6、積膨脹，使混凝土破壞。硫酸鹽除在一些化工企業(yè)存在外，海水及一些土壤中也存在。當(dāng)硫酸鹽的濃度（以SO2的含量表示）達到2時，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。酸腐蝕：混凝土是堿性材料，遇到酸性物質(zhì)會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生裂縫、脫落，并導(dǎo)致破壞。酸不僅存在于化工企業(yè)，在地下水，特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植質(zhì)也呈酸性，對混凝土有腐蝕作用。海水腐蝕：在海港、近海結(jié)構(gòu)中的混凝土構(gòu)筑物，經(jīng)常收到海水的侵蝕。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸鎂對混凝土有較強的腐蝕作用。在海岸飛濺區(qū)，受到干濕的物理作用，也有利于Cl-和SO4的滲入

7、，極易造成鋼筋銹蝕。貴州鋁廠柱開脹嘉裕關(guān)結(jié)構(gòu)梁腐蝕破壞張掖堿泉村張掖墻面張掖高架橋墩青海化工廠橋柱青?；S橋面護欄團結(jié)湖橋柱沈陽山海關(guān)高速公路路椽石沈陽山海關(guān)高速公路冬季撤鹽沈陽山海關(guān)摻入硅灰、減水劑、超細粉煤灰的路緣第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性4、混凝土的碳化 混凝土中堿性物質(zhì)（Ca(OH)2）使混凝土內(nèi)的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕。 但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低。其他物質(zhì)，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生類似的反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化。 當(dāng)混凝土保

8、護層被碳化到鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會加劇混凝土的收縮，可導(dǎo)致混凝土的開裂。 因此，混凝土的碳化是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要問題。 混凝土的碳化從構(gòu)件表面開始向內(nèi)發(fā)展，到保護層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關(guān)。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性1 環(huán)境因素 碳化速度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴散速度?？諝庵械腃O2濃度大，混凝土內(nèi)外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內(nèi)的滲透速度快，碳化反應(yīng)也快。 空氣濕度和溫度對碳化反應(yīng)速度有較大影響。因為碳化反應(yīng)要產(chǎn)生水份向外

9、擴散，濕度越大，水份擴散越慢。當(dāng)空氣相對濕度大于80%，碳化反應(yīng)的附加水份幾乎無法向外擴散，使碳化反應(yīng)大大降低。 而在極干燥環(huán)境下，空氣中的CO2無法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應(yīng)也無法進行。 試驗表明，當(dāng)混凝土周圍介質(zhì)的相對濕度為50%75%時，混凝土碳化速度最快。環(huán)境溫度越高，碳化的化學(xué)反應(yīng)速度越快，且CO2向混凝土內(nèi)的擴散速度也越快。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性2 材料因素 水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質(zhì)的含量，因而對混凝土碳化有重要影響。 單位體積中水泥的用量越多，會提高混凝土的強度，又會提高混凝土的抗碳化性能。 水灰比也

10、是影響碳化的主要因素。在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大，密實性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快。 水灰比大會使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應(yīng)。 混凝土中外加摻合料和骨料品種對碳化也有一定的影響。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性3 施工養(yǎng)護條件混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護條件影響混凝土的密實性，因而對碳化有較大影響。此外，養(yǎng)護方法與齡期對水泥的水化程度有影響，進而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施工質(zhì)量對提高混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆蓋層不同飾面材料的碳化深度比第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性5、

11、鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 當(dāng)混凝土未碳化時，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學(xué)過程。 當(dāng)混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)。 鋼筋銹蝕產(chǎn)生的鐵銹（氫氧化亞鐵Fe(OH)3），體積比鐵增加26倍，保護層被擠裂，使空氣中的水份更易進入，促使銹蝕加快發(fā)展。 氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能。 當(dāng)構(gòu)件使用環(huán)境很干燥（濕度40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。 而裂縫的發(fā)生為氧氣和

12、水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時也使混凝土的碳化形成立體發(fā)展。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，銹蝕程度與荷載產(chǎn)生的橫向裂縫寬度無明顯關(guān)系，在一般大氣環(huán)境下，裂縫寬度即便達到0.3mm，也只是在裂縫處產(chǎn)生銹點。 這是由于鋼筋銹蝕是一個電化學(xué)過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護層向鋼筋表面的陰極的擴散速度，而這種擴散速度主要取決于混凝土的密實度。 裂縫的出現(xiàn)僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過程得以開始，但它對銹蝕速度不起控制作用。 因此，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐

13、久性鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴(yán)重銹蝕時，會導(dǎo)致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導(dǎo)致混凝土保護層脫落，習(xí)稱“暴筋”，從而導(dǎo)致截面承載力下降，直至最終引起結(jié)構(gòu)破壞。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴(yán)重銹蝕時，會導(dǎo)致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導(dǎo)致混凝土保護層脫落，習(xí)稱“暴筋”，從而導(dǎo)致截面承載力下降，直至

14、最終引起結(jié)構(gòu)破壞。面積減小屈服強度降低粘結(jié)力降低第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴(yán)重銹蝕時，會導(dǎo)致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導(dǎo)致混凝土保護層脫落，習(xí)稱“暴筋”，從而導(dǎo)致截面承載力下降，直至最終引起結(jié)構(gòu)破壞。除增加混凝土的密實度和保護層厚度外，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋等措施來防止鋼筋的銹蝕。環(huán)氧涂層鋼筋第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性二、結(jié)構(gòu)工作環(huán)境類別混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)工作的環(huán)境有密切

15、關(guān)系。同一結(jié)構(gòu)在強腐蝕環(huán)境中要比一般大氣環(huán)境中的使用壽命短。對于不同環(huán)境，可以采取不同措施來保證結(jié)構(gòu)使用壽命。如在惡劣環(huán)境，一味增加混凝土保護層是不經(jīng)濟的，效果也不一定好?？稍跇?gòu)件表面采用防護涂層。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性三、耐久性極限狀態(tài)與耐久性設(shè)計 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)，是指經(jīng)過一定使用年限后，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)某一部分達到或超過某種特定狀態(tài)，以致結(jié)構(gòu)不能滿足預(yù)定功能的要求。 但經(jīng)過簡單修補、維修，費用不大，可恢復(fù)使用要求的情況，可以認(rèn)為沒有達到耐久性極限狀態(tài)。 只有當(dāng)嚴(yán)重超出正常維修費允許范圍時，結(jié)構(gòu)的使用壽命才終止。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土

16、結(jié)構(gòu)的耐久性三、耐久性極限狀態(tài)與耐久性設(shè)計1 對于不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件和環(huán)境，混凝土保護層完全碳化，即鋼筋脫鈍的時間T1。不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件和環(huán)境有：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件；低溫環(huán)境；反復(fù)荷載作用；塑性鉸區(qū)；采用鋼絲作主要受力鋼筋的構(gòu)件；重要的、有紀(jì)念性的建筑物。2 鋼筋銹蝕后截面損失率達到某一值T2 ，如15%，可依耐久性等級而定。該極限狀態(tài)可為一般混凝土結(jié)構(gòu)采用，因為鋼筋從脫鈍到喪失承載力還有相當(dāng)長的時間，鋼筋截面損失15%對結(jié)構(gòu)承載力的影響還不是很嚴(yán)重。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性3 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的可靠指標(biāo)降低到某一允許值T3。隨著時間的推移，因荷載的作用、環(huán)境變化引

17、起的材料老化、損傷，結(jié)構(gòu)材料的性能逐漸下降，結(jié)構(gòu)可靠度隨時間逐漸降低，失效概率逐漸增大。當(dāng)可靠指標(biāo)降低到不可接受的程度時，則認(rèn)為達到了耐久性極限狀態(tài)。但結(jié)構(gòu)經(jīng)過維修，其可靠度將提高。4 徐變位移達到某一限值。徐變是混凝土的一項性質(zhì)，有些結(jié)構(gòu)甚至是重大結(jié)構(gòu)因徐變過大而發(fā)生破壞，這也可認(rèn)為是一種耐久性破壞。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 對結(jié)構(gòu)壽命的計算還是一個很困難的問題，目前主要對基于混凝土碳化和鋼筋銹蝕所需要時間的計算。 T1為混凝土保護層完全碳化所需要的時間，若不容許鋼筋銹蝕，則T1即為結(jié)構(gòu)壽命； 若允許鋼筋有一定量的銹蝕，則可取開始出現(xiàn)沿鋼筋產(chǎn)生縱向裂縫的時間T1

18、+T2作為結(jié)構(gòu)壽命； 若允許結(jié)構(gòu)承載力開始下降，則可取結(jié)構(gòu)壽命T1+T2+T3。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性四、保證耐久性的措施1 環(huán)境類別2最小保護層厚度： 為保證耐久性和鋼筋的粘結(jié)力，對一、二、三類環(huán)境一般建筑結(jié)構(gòu)（設(shè)計工作壽命50年），規(guī)范規(guī)定了最小混凝土保護層厚度。 對四、五類環(huán)境種的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)按專門規(guī)定考慮。 當(dāng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計工作壽命有更高要求時（100年），混凝土保護層厚度應(yīng)將表A8的數(shù)值乘以1.4或采用表面防護，定期維修等措施。3 混凝土的要求： 耐久性的另一個重要方面是混凝土密實性，因為密實性好對延緩混凝土的碳化和鋼筋銹蝕有很大作用。 提高混凝土密實性主要是減小水灰比和保證水泥用量。 若混凝土種氯離子含量過大，則會對鋼筋銹蝕有惡劣影響。第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性第十章 變形和裂縫寬度的計算10. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性4 裂縫控制：裂縫的出現(xiàn)加快了混凝土的碳化，也是使鋼筋開始銹蝕的主要條件。為保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，必須對裂縫進行控制。規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處環(huán)境類別，鋼筋種類對腐蝕的敏感性，以及荷載作用時間，將裂縫控制分為三個等級：一級：嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件；按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計算時，構(gòu)件受拉