混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀與展望

摘要混凝土結(jié)構(gòu)是土建工程中廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行深入的研究意義重大。本文從目前我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究的方法、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的影響因素及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理和成因研究、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需要繼續(xù)深入研究的問題等方面進(jìn)行了總結(jié)闡述。

關(guān)鍵詞混凝土結(jié)構(gòu) 耐久性 損傷機(jī)理

中圖分類號:TU528文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概述

所謂混凝土結(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。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)。雖然在很多國家的設(shè)計(jì)規(guī)范中都明確規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須具備安全性、適用性和耐久性，但是這一宗旨并沒有充分體現(xiàn)在具體的設(shè)計(jì)條文中，使得以往的乃至現(xiàn)在的工程結(jié)構(gòu)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，這就使得結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)勢在必行。

目前我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法的研究可分成兩種:第一種方法來源于歐洲CEB耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，僅解決了耐久性設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求部分。歐洲CEB耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范對口到我國現(xiàn)行規(guī)范體系應(yīng)是施工及驗(yàn)收規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，如其中的水灰比控制、防水節(jié)點(diǎn)大樣等。歐洲CEB耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范中有些條文也不適合我國國情，如為了防止鋼筋銹蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，CEB采用加大混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度的辦法，而我國除了在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了各類構(gòu)件的最小保護(hù)層厚度外，還在混凝土配合比設(shè)計(jì)中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的辦法以及在實(shí)際工程中采用在混凝土構(gòu)件表面涂刷環(huán)氧改性材料，來保證混凝土構(gòu)件在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)具有足夠的耐久性。第二種方法認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)包括兩部分:計(jì)算和驗(yàn)算部分，以及構(gòu)造要求部分。而其中的計(jì)算和驗(yàn)算部分是混凝土耐久性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要分析出抗力與荷載隨時(shí)間變化的規(guī)律，使新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有明確的目標(biāo)使用期，使改建擴(kuò)建結(jié)構(gòu)同原有結(jié)構(gòu)有相同的有效使用壽命，達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)和耐久的建設(shè)目的。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是由混凝土本身的特性和所處環(huán)境的侵蝕性兩方面決定的。耐久性損傷的外觀表現(xiàn)形式有:出現(xiàn)裂縫、斷面缺損和變質(zhì)等。除了內(nèi)部缺陷和荷載作用引起的損傷外，引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的原因可以歸納為五類:(1)電化學(xué)等作用引起的鋼筋銹蝕;(2)酸、堿、鹽等化學(xué)侵蝕及堿骨料反應(yīng)等內(nèi)部化學(xué)作用;(3)凍融循環(huán)、霜凍及干摍、徐變、風(fēng)化等物理作用;(4)磨損、沖蝕及機(jī)械作用;(5)高溫及火災(zāi)作用。實(shí)際上，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞很少是由于單一因素造成的，引起破壞的幾種化學(xué)和物理作用常常緊密交叉、同時(shí)作用，這體現(xiàn)了混凝土耐久性問題的復(fù)雜性。

由混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的影響因素可以看出，要對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理和成因進(jìn)行研究，必須從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合研究。

2.1 從材料層次對耐久性的研究

從材料角度上對結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行研究，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的基本手段。引起混凝土結(jié)構(gòu)材料性能劣化的原因不同，研究的內(nèi)容和方法也不同。從已有的研究文獻(xiàn)來看，研究最多的是大氣環(huán)境中混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕。

混凝土原本對于鋼筋具有良好的防銹能力，但各種不利因素(如混凝土表面微裂，雨水和空氣中的水分，二氧化碳的侵蝕等)的作用導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜遭到破壞，當(dāng)有氧和水存在時(shí)，鋼筋開始銹蝕，其力學(xué)性能有較大變化。同時(shí)，鋼筋銹蝕到一定程度后，銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的膨脹壓力將會(huì)使混凝土保護(hù)層發(fā)生順筋開裂，從而使鋼筋的銹蝕速度進(jìn)一步加大，握裹力降低，從而導(dǎo)致構(gòu)件因承載能力的不足引起構(gòu)件耐久使用年限的降低。一般認(rèn)為，混凝土順筋開裂的臨界銹蝕量與混凝土抗拉強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層厚度及鋼筋直徑有關(guān)。在混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕可分為自然電化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕、應(yīng)力腐蝕及氫脆腐蝕。鋼筋是否銹蝕，很大程度上依賴于混凝土的密實(shí)性。

研究表明，使鋼筋的鈍化膜遭到破壞的主要因素有四點(diǎn):(1)當(dāng)無其它有害雜質(zhì)時(shí)由于碳化作用破壞鋼筋的鈍化膜;(2)由CL—的作用破壞鋼筋的鈍化膜;(3)由于SO42—離子或其它酸性介質(zhì)侵蝕而使混凝土堿度及PH值降低導(dǎo)致鈍化膜破壞;(4)混凝土中摻加大量活性混合材料或采用低堿度水泥，導(dǎo)致鈍化膜破壞或根本不生成鈍化膜。

降低混凝土中鋼筋銹蝕的措施包括:通過適當(dāng)降低水灰比、選用礦渣硅酸鹽水泥、采用不是海砂的細(xì)骨料、摻用不含氯鹽的外加劑、提高混凝土保護(hù)層厚度、適當(dāng)增加混凝土的攪拌時(shí)間和振搗力度等方法以保證混凝土的密實(shí)性，使混凝土中的鋼筋處于堿性環(huán)境中。施工時(shí)應(yīng)重視鋼筋的除銹，還可使用環(huán)氧涂層鋼筋。通過混凝土的表面處理，如涂抹防水涂料等形成保護(hù)層活作表面裝飾層等使混凝土結(jié)構(gòu)不長期裸露于空氣中或水中。采用陰極保護(hù)法(包括犧牲陽極法和外加電流法)，其中外加電流法應(yīng)注意防止鋼筋的氫銹破壞、防止加劇混凝土的堿骨料反應(yīng)、防止過大的保護(hù)電流對混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度可能產(chǎn)生的不利影響。

2.2 從構(gòu)件層次對耐久性的研究

在腐蝕環(huán)境中，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的材料發(fā)生劣化后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和適用性也隨之降低，從而影響結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。

試驗(yàn)表明，受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力與構(gòu)件截面尺寸的變化、材料強(qiáng)度的變化及鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的變化3中因素有關(guān)。構(gòu)件截面尺寸的變化一般指鋼筋銹蝕后其截面面積的減小，當(dāng)鋼筋的銹蝕量較小時(shí)(5%)，鋼筋強(qiáng)度變化不大，承載力評估中可不考慮鋼筋強(qiáng)度的變化。銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能的變化比較復(fù)雜，在銹蝕量較小時(shí)(1%)，粘結(jié)強(qiáng)度隨鋼筋銹蝕量的增加有所提高，但隨鋼筋銹蝕量的進(jìn)一步加大，粘結(jié)強(qiáng)度將明顯下降，這一變化過程與鋼筋銹蝕產(chǎn)物的膨脹及混凝土保護(hù)層的脹裂有關(guān)。

目前，對受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能的研究大都集中在靜態(tài)方面，對動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能的研究尚不多見，這是一個(gè)需要加強(qiáng)研究的方面。

2.3 從結(jié)構(gòu)層次對耐久性的研究

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的目的就是要解決擬建混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的耐久性評估，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由多種構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系，在鋼筋遭受腐蝕后，構(gòu)件性能的劣化，最終會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

對擬建混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性已成為全世界關(guān)注的重大課題。目前，我國混凝土耐久性設(shè)計(jì)的研究有兩種理論。第一種理論認(rèn)為，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境分類，然后確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命，最后利用極限狀態(tài)法對耐久性極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。針對這部分的研究比較多。但基于這種理論的計(jì)算方法與現(xiàn)行規(guī)范采用的以近似概率為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法不一致。第二種理論認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)包括兩部分:計(jì)算和驗(yàn)算部分以及構(gòu)造要求部分。基于這種理論，李田、劉西拉等學(xué)者提出:S≤R，其中，S為內(nèi)力設(shè)計(jì)值，R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值，為耐久性系數(shù)，是結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的函數(shù)。這種設(shè)計(jì)方法形式簡單，耐久性含義明確，且與現(xiàn)行規(guī)范采用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法相一致。但由于耐久性系數(shù)公式中的可靠度指標(biāo)變化規(guī)律的分析方法需要對實(shí)際結(jié)構(gòu)抗力衰減規(guī)律進(jìn)行實(shí)測統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步找出抗力隨機(jī)衰減過程分析模型。由于每個(gè)地區(qū)抗力衰減規(guī)律難以統(tǒng)計(jì)，并且即使是同一地區(qū)，由于使用環(huán)境不同，其抗力衰減規(guī)律也有所不同。因此，耐久性系數(shù)的計(jì)算不易實(shí)現(xiàn)，所以這種方法還需深入研究。

3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究方向

3.1 材料破壞細(xì)觀機(jī)理與宏觀力學(xué)性能相關(guān)的研究

基于混凝土微裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展是一個(gè)典型的損傷發(fā)育和演化過程，現(xiàn)代損傷力學(xué)是研究這個(gè)過程的強(qiáng)有力的手段。因此，以現(xiàn)代材料測試手段為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)測量及理論分析，獲得在非力學(xué)破壞因素作用下混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)改變量及相對應(yīng)的宏觀性能指標(biāo)的變化量，結(jié)合損傷力學(xué)的理論，建立混凝土耐久性衰減過程的損傷力學(xué)模型，以此來研究混凝土的耐久性破壞過程，進(jìn)而可以此模型對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評估。

3.2 結(jié)合工程建立耐久性衰減或預(yù)測的多因素模型

由于目前國內(nèi)外對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室中針對某一具體影響因素展開的研究，而實(shí)際環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)遭受著凍融、碳化、鋼筋銹蝕等多種破壞因素的影響，其影響因素涉及材料、環(huán)境、受力狀況等諸多方面。因此，應(yīng)該發(fā)展結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的耐久性研究技術(shù)，結(jié)合實(shí)際存在的多種因素影響模式建立基于工程實(shí)際條件的耐久性衰減或預(yù)測多因素模型，這應(yīng)該是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要方向之一。

3.3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法的研究

欲真正實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，必須確定出類似結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)那樣的設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)參數(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)性能的特征參數(shù)。為此，需事先確定衡量混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評定指標(biāo)以及由此指標(biāo)的損失率表示的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性完全失效的判定標(biāo)準(zhǔn)，還需確定混凝土結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律即耐久性衰減規(guī)律或衰減模型。知道了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效標(biāo)準(zhǔn)和耐久性衰減規(guī)律，即可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命確定混凝土結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)。該性能參數(shù)對于混凝土材料而言，可以用以確定混凝土的配合比，確定出的配合比參數(shù)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的配合比參數(shù)比較，取兩者的較嚴(yán)格的參數(shù)。混凝土材料的該性能參數(shù)可能是混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)或其它細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，總之，其可以反映混凝土的本質(zhì)特征。

3.4 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測與評估方法的研究

目前有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估都存在著效率較低，成本高、準(zhǔn)確率較差、主觀經(jīng)驗(yàn)性的內(nèi)容較多等不足之處，主要原因之一就是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，評估方法還不很科學(xué)。所以，研究開發(fā)新的結(jié)構(gòu)耐久性檢測技術(shù)尤其是高效準(zhǔn)確的無損檢測技術(shù)，將是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究領(lǐng)域很有應(yīng)用前景的發(fā)展方向。

總之，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張軻等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞及對策研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2002(5).

[2]李田，劉西拉.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析與設(shè)計(jì).北京:科學(xué)出版社，1999.

[3]盧木.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].工業(yè)建筑，1997(5).

[4]惠云玲.混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕程度評估和預(yù)測試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，1997(6).

[5]丁大鈞，蔣永生.土木工程總論.中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[6]牛荻濤等.銹蝕開裂后混凝土中鋼筋銹蝕量的預(yù)測[J].工業(yè)建筑，1996(4).