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1、,混凝土结构的耐久性是指结构对气候、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。混凝土结构耐久性问题主要表现为：混凝土损伤（裂缝、破碎、磨损等）；钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀；钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面。主要影响因素：材料的自身特性、设计与施工质量、环境条件、使用条件和防护措施。,混凝土结构性能劣化（环境因素）,钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入 海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应,1）一般作用 一般荷载与强制变形永久荷载- 自
2、重，土压力可变荷载- 使用荷载（人群、车辆）、风、雪 2）偶然作用 地震、爆炸、撞击等 3）环境作用（或环境影响） 温度、湿度及其变化，降水，冰冻等大气作用；土体、水体、空气中有害化学物质作用,结构设计需考虑的三类作用,混凝土是世上用量最大的人造材料 基础设施工程主要用混凝土结构建造 混凝土结构的耐久性已成为世界性问题,一、混凝土结构的耐久性现状,美国联邦公路局资料 登记在册（政府管理）桥梁： 1992年 57.2万座，有缺陷21 1999年 58.6万座，有缺陷15 拆除老桥费用持续增加,1998年美国土木工程学会报告 美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化，有2100个水坝不安全，
3、估计需有1.3万亿美元改善其安全状态 又据资料报道到20世纪末美国共有桥梁约100万座，超过1/4有缺陷,由于改进了桥梁耐久性设计方法并采用了许多新的防腐技术，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足75年以上设计寿命但是过去建成的桥梁已无法改变，仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建,美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的10% 研究认为，对于桥梁等生命线工程，因修复、更换造成交通延误等间接损失更大，间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。在加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元在英国，据说有1/3的桥梁需要修复发达国
4、家土建设施腐蚀造成的年损失约占GDP的1.52%，其中主要是混凝土结构腐蚀,70年代起，混凝土耐久性问题开始在发达国家大量出现。 针对混凝土过早劣化，发达国家不断提高混凝土的强度要求与密实性，研究混凝土与钢筋的防腐蚀技术，并对路桥等工程要求按全寿命费用分析进行设计。80年代中期起掀起了高性能混凝土的研究开发高潮。90年代起，大力开展混凝土结构耐久性设计方法的研究。,我国目前水泥年产量如配置混凝土，年人均近3.3吨 混凝土用量过大，过度开采矿石和砂、石已在许多地方造成资源破坏，严重影响环境和景观。每生产1t水泥熟料消耗大量燃煤与电能，并排放约1t二氧化碳混凝土过早劣化，处置废旧工程的混凝土垃圾将
5、给环境带来威胁,结构耐久性不足的主要原因 工程设计的耐久性标准过低 工程施工进度的不适当追求 缺乏正常检测与维修 构件强度设计的安全设置水准过低,工程设计的耐久性标准过低：结构设计规范主要考虑荷载作用下的结构构安全性，环境作用下的耐久性设计被置于次要和从属地位规范中没有结构设计寿命和耐久性设计的明确要求耐久性设计要求，未能随着几十年来由于水泥性能、施工条件、环境条件的巨大转变而与时俱进,我国现行规范（80年代颁布）与国外比较,日本规范规定的更高（最低相当于C35，100年寿命为C45 ）,由于水泥强度提高和施工进度加快,实际 耐久性质量大幅度下降 早强水泥配制的混凝土，内部微结构和后期强度发展
6、不良，易开裂，耐久性差水泥细度增加强度容易提高掺入石灰等辅助材料且比例越来越高为加快施工进度而掺入早强剂等早期强度上去了而其他力学性能指标下降了，包括耐久性指标，化学污染也上去了粉煤灰的应用,工程施工进度的不适当追求,养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少1天养护与7天养护，可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的1/4 抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减为原来的1/4保护层厚度的510mm施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发生成倍差别 结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质量在快速施工中最不易保证
7、。,缺乏正常检测与维修,结构耐久性需要有正确使用和正常检测与维修相配合 重新建、轻维修，是土建建设管理工作中的重大缺陷 对于基础设施工程，应在设计中进行结构全寿命经济分析与评价 只有适当加大初始投资费用，强化结构耐久性，才是最经济有效的途径,混凝土结构耐久性设计一般包括的内容： 1 概念设计-结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境因素对结构的作用； 2 混凝土材料和钢筋的选用-材料的耐久性质量要求； 3 确定耐久性所需的混凝土保护层厚度； 4 防排水等构造措施； 5 混凝土裂缝的控制要求； 6 在严重环境作用下可能需要采取的多重防护措施和防腐蚀附加措施； 7 基于结构耐久性要求的施工工艺与质量
8、验收标准； 8 结构使用阶段的维护与检测要求。,混凝土结构耐久性设计的基本措施1 采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身的抗破损能力2 加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条件3 改进桥梁结构设计，包括加大混凝土保护层厚度；加强构造钢筋，防止裂缝发展；采用具有防腐保护的钢筋,表1.0.7 结构混凝土耐久性的基本要求,北美（加拿大安大略省） 公路桥面板耐久性设计要求,1.0.8 位处类或类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0
9、.9的规定。,1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。,规范强调了加强水平防收缩钢筋和箍筋的作用： 9.3.8 T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹板两侧，应设置直径为68mm的纵向钢筋，每腹板内钢筋截面面积宜为（0.0010.002）bh，其间距在受拉区不应大于腹板宽度，且不应大于200mm，在受压区不应大于300mm。在支点附近剪力较大区段和预应力混凝土梁锚固区段，腹板两侧纵向钢筋截面面积应予增加，纵向钢筋间距宜为100_150mm。9.4.2 预应力混凝土T形、I形截面梁和箱形截面梁腹板内应分别设置直径不小于10mm和12mm的箍筋，且应采用带肋钢筋，间距
10、不应大于250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不应大于100mm。,提高后张预应力钢筋管道压浆的质量（关键因素）9.4.12 预应力钢筋管道压浆用的抗压强度不应低于30MPa。其水灰比宜为0.400.45。为减少收缩，可通过试验掺入适量膨胀剂。加强桥面铺装层的防水设计和施工（重要因素）,1.0.8 位处类或类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0.9的规定。抗冻混凝土应掺入适量引气剂，其伴合物的含气量按现行的公路桥
11、涵施工技术规范JTJ041规定的采用。1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。,提倡全寿命周期成本核算：建筑结构能够安全长久地使用，这就是最大的节约。工程建设的投资不能只计算基建成本，还应该考虑建成后在设计使用年限中的检修、维护费用，实行全成本核算。为防止“政绩工程”、“形象工程”、“献礼工程”等短期行为造成更大的浪费，国家应从政策上作出规定，加以控制。同时应配套地建立起建筑物服役期内正常使用、定期检查、维护检修等制度，完善必要的法规、标准，并引入保险业来承担有关的风险。,二、环境作用下混凝土结构 的劣化与混凝土的抗渗性,混凝土结构性能劣化,钢筋锈蚀 氯离子
12、引起 水 氧近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入 海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应,混凝土的内部结构,骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层水泥浆体组成： 水化硅酸钙（C-S-H凝胶），水化铝硫酸钙（少量） 氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性）， 未水化水泥颗粒 C-S-H 凝胶孔隙（纳米级，与有害物质渗透关系不大）， 毛细孔隙（原为拌合水占据空间，0.015微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体40） 气泡（裹入气泡和引气气泡）,低水胶比能改善混凝土浆体及其与骨料
13、间的界面微结构，降低毛细孔隙率 掺加粉煤灰等矿物掺和料能降低水化热和减少拌 合水，改善水化产物的微结构；通过火山灰反应 ，进一步改善浆体及骨料界面结构并增加混凝土后期强度与密实性，消耗薄弱的水化产物氢氧化钙；大掺量粉煤灰混凝土对氯离子有吸附作用，并能抑制碱骨料反应,传输机理： 扩散 自由分子或离子通过无序运动从高浓度到低 浓度区的流动，驱动力是传输介质中的浓度 差，扩散规律通常用Fick定律描述 吸收 多孔材料毛细孔隙（中空）表面张力引起的 液体传输 渗透 压力差驱动下产生的液体或气体的流动 ， 对水的流动用达西定律表达 此外还有吸附（物理或化学结合）,混凝土的抗渗性（抗侵入性） 混凝土阻挡外
14、部分子、离子或流体侵入传输到混凝土 内部的能力,二氧化碳和氧气通过空气中的扩散传输 氯离子通过水溶液中的扩散和溶液受毛细空隙的表面张力吸收传输 混凝土湿度和温度对传输有很大影响： 湿度高，毛细孔隙内充水程度高，气体扩散受阻湿度低，毛细孔隙中空，离子溶液被吸入 碳化速率RH 5075最高，75%迅速降低，45水分不足以形成化学反应 温度增加，碳化加速,钢筋锈蚀,钢筋在混凝土的高碱性环境中不会锈蚀，能在表面形成氧化钝化膜，隔绝水分与氧气 空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部并与混凝土中的氢氧化钙反应生成中性的碳酸钙（碳化），降低混凝土碱度，当碳化从混凝土表面逐渐向里发展到钢筋表面位置，钝化膜破坏 氯离
15、子从混凝土表面扩散到钢筋表面并累积到临界浓度，钝化膜破坏 钝化膜破坏后，如有充足的水分与氧气供给，钢筋发生持续的锈蚀,钢筋锈蚀,锈蚀前的初始阶段：碳化从混凝土表面发展到钢筋位置的时间，或氯离子从混凝土表面扩散到钢筋位置并积累到临界浓度的时间锈蚀发展阶段：从脱钝开始持续锈蚀到某一可接受的劣化程度的时间,钢筋锈蚀速率度 微米/年 温度每增加10度，锈蚀速率约可提高一倍,三、混凝土结构的耐久性设计,混凝土结构及其构件的耐久性，应根据不同设计使用年限及其相应的极限状态和不同环境类别及其环境作用等级进行设计,设计使用年限 有一定的保证率或安全储备 极限状态 与环境类别及结构特点有关 环境类别 分7类，主
16、要按劣化机理 环境作用等级 分6级，AF,结构设计使用年限,设计人员用以作为结构耐久性设计依据的目标使用年限 设计使用年限应由业主或用户与设计人共同确定，并满足有关法规的最低要求设计基准期为确定可变荷载(使用荷载、风雪荷载)及与时间有关的材料强度而选用的时间参数 使用年限结构建造完成后，在预定的使用与维护和修理条件下，能够满足原定性能要求的年限 设计使用年限具有足够安全储备或保证率,设计使用年限的安全储备或保证率可以用寿命安全系数或失效概率表示定值法设计寿命安全系数凭工程经验和必要分析综合给定，考虑工程重要性，耐久性失效后果的严重性，修理的可行性与修理费用，环境作用、耐久性抗力和计算方法本身的不确定性与不确知性概率分析方法寿命安全系数为均值使用年限与设计使用年限的比值，与设定的保证率或失效概率有关若假定使用年限按对数正态分布，变异系数为0.5，对于适用性极限状态，如失效概率5，K在2左右,
