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1、混凝土结构耐久性的研究现状与展望摘要：混凝土结构是土建工程中广泛采用的结构形式，但由于在其使用过程中经常会受到各种各样的腐蚀和损伤，经常达不到预定的使用年限，由此造成了巨大的经济损失，因此对混凝土结构的耐久性进行深入的研究意义重大。本文对混凝土结构耐久性的阐述以及混凝土耐久性损伤的影响因素及混凝土结构耐久性损伤机理和成因研究等方面进行了总结阐述。关键词：混凝土结构 耐久性 损伤机理 1.混凝土结构（concrete structure）混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等结构形式。这种结构广泛应用于建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、港口等
2、工程。我国每年用于混凝土结构的资金达2000亿元以上。钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土两种不同材料各自的优点，充分发挥了钢筋的抗拉强度高和混凝土的抗压强度高的特点，造价较低，取材广泛，同时，钢筋混凝土结构（框架结构、框筒结构、筒体结构等结构形式）整体性能良好，具有较好的刚度和稳定性，延性和抗震性能良好。另外，新拌和的混凝土为可塑状，可根据需要制成任意形状和尺寸的结构，有利于建筑造型，因此，是土木工程结构设计中的首选形式，其应用范围相当广泛。虽然，随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式，但可以肯定的是，钢筋混凝土结构仍然是未来相当长一段时间内最常用的结构形式
3、之一。但是由于各种各样的原因，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限；这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化引起的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的；特别是一些处于特殊使用环境中的建（构）筑物，如沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能，这已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的主要原因之一。【1】2.混凝土结构耐久性概述 所谓混凝土结构的耐久性
4、，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。推荐精选但是由于种种原因，混凝土的耐久性并没有完全的发挥，随着科技的发展，国际化的深化，近来工程设计施工方对混凝土的耐久性有了更高的要求。目前， 结构加固检测日渐增多，不论是已使用工程或在建工程均可见，这说明了许多混土结构已受不同程度的破坏 。曾有调查 表明，国内大多数工业建筑在使用2530a后即需修复，处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15-200，民用建筑和公共建筑的使用环境相
5、对较好一般可维持500以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有3O0a 桥梁、涵洞、机场、大坝、港口等基础设施工程的使用寿命更短。随着建筑物使用时间的加长、环境污染的加剧、使用不当以及不符合要求的材料和工艺的应用，导致了大量混凝土 构出现不同程度的碳化、 开裂、变形、酥松、露筋、蜂窝、空洞、剥落等破坏现象。在过分追经济效益的现在，这种问题更值得关注。我国混凝土结构量大面广,随着环境的变迁和功要求的提高，耐久性问题越来越突出，是迫切需要加以解决的问题。 【5】目前我国混凝土结构耐久性设计方法的研究可分成两种：第一种方法来源于欧洲 CEB耐久性设计规范，仅解决了耐久性设计的构造要求部分
6、。欧洲 CEB 耐久性设计规范对口到我国现行规范体系应是施工及验收规范和建筑设计规范，如其中的水灰比控制、防水节点大样等。欧洲 CEB 耐久性设计规范中有些条文也不适合我国国情，如为了防止钢筋锈蚀，提高混凝土结构的耐久性，CEB采用加大混凝土结构保护层厚度的办法，而我国除了在混凝土结构设计规范中规定了各类构件的最小保护层厚度外，还在混凝比设计中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的办法以及在实际工程中采用在混凝土构件表面涂刷环氧改性材料，来保证混凝土构件在设计使用期内具有足够的耐久性。【6】 第二种方法认为混凝土结构耐久性设计应包括两部分：计算和验算部分，以及构造要求部分。而其中的计算和验算部分是
7、混凝土耐久性设计的关键，它要分析出抗力与荷载随时间变化的规律，使新设计的结构有明确的目标使用期，使改建扩建结构同原有结构有相同的有效使用寿命，达到安全、适用、经济和耐久的建设目的。【9】3.混凝土结构耐久性的损伤机理以及研究现状混凝土结构的耐久性是由混凝土本身的特性和所处使用环境的侵蚀性两方面决定的。耐久性损伤的外观表现形式有：出现裂缝、断面缺损和变质等。除了内部缺陷和荷载作用引起的损伤外，引起混凝土结构耐久土配合性损伤的原因可以归纳为五类：1）电化学等作用引起的钢筋锈蚀；2）酸、碱、盐等化学侵蚀及碱骨料反应等内部化学作用；3）冻融循环、霜冻及干摍、徐变、风化等物理作用；4）磨损、冲蚀及机械作
8、用；推荐精选5）高温及火灾作用【4，6】实际上，混凝土结构的破坏很少是由于单一因素造成的，引起破坏的几种化学和物理作用常常紧密交叉、同时作用，这体现了混凝土耐久性问题的复杂性。 由混凝土结构耐久性损伤的影响因素可以看出，要对混凝土结构耐久性损伤机理和成因进行研究，必须从以下几个方面进行综合研究。1.从材料层次对耐久性的研究从材料角度上对结构耐久性进行研究，是混凝土结构耐久性研究的基本手段。引起混凝土结构材料性能劣化的原因不同，研究的内容和方法也不同。从已有的研究文献来看，研究最多的是大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。 一般认为混凝土的碳化对混凝土本身没有太大伤害，相反会使混凝土自身强度提高。
9、但混凝土碳化会使混凝土中的钢筋失去碱性环境的保护，而引起钢筋的锈蚀。另外，混凝土碳化使混凝土变脆，延性变差。对于混凝土材料本身，影响混凝土碳化的因素有水泥品种、水泥用量、水灰比及掺和料的掺量等。一般认为，混凝土的碳化速度与水灰比成正比，而与混凝土的抗压强度成反比。另外，混凝土的碳化速度还与混凝土的施工、早期养护及使用中的维护等因素有关。加载快速碳化试验也表明，结构的应力状态对混凝土的碳化速度有明显的影响。【8】结构构件不由于双向渗透，梁边角混凝土的碳化速度要高于梁底面混凝土的碳化速度。另外，一些工程实际调查资料也表明，大气环境中混凝土的碳化与实验室碳化试验有着较大的差别，环境条件的变化是造成这
10、种偏差的最主要因素，从而引起混凝土碳化深度呈现较大的不稳定性，利用人工神经网络技术来分析、模拟混凝土的碳化过程和规律，也是混凝土耐久性研究的一个手段和方法。【12】混凝土原本对于钢筋具有良好的防锈能力，但各种不利因素（如混凝土表面微裂，雨水和空气中的水分，二氧化碳的侵蚀等）的作用导致钢筋表面钝化膜遭到破坏，当有氧和水存在时，钢筋开始锈蚀，其力学性能有较大变化。同时，钢筋锈蚀到一定程度后，锈蚀产物产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂，从而使钢筋的锈蚀速度进一步加大，握裹力降低，从而导致构件因承载能力的不足引起构件耐久使用年限的降低。【10】钢筋的承载能力与钢筋的腐蚀量关系最为密切，关于钢
11、筋锈蚀量的计算，有两种模型，一种是基于电化学原理的理论模型，另一种是通过对试验资料拟合得到的经验公式。一般而言，理论模型原理上较为合理，而经验公式应用上更为方便。钢筋锈蚀试验表明，混凝土中钢筋的锈蚀速度与结构所处的环境、混凝土保护层厚度、混凝土强度及钢筋直径有关，目前钢筋腐蚀的电化学快速测定方法以及红外检测技术都有了较大的发展；关于混凝土顺筋开裂的钢筋临界锈蚀量的确定方法有弹性力学法、断裂力学法、有限元法和试验统计法。一般认为，混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度、混凝土保护层厚度及钢筋直径有关。在混凝土结构中钢筋锈蚀可分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀。钢筋是否锈蚀，
12、很大程度上依赖于混凝土的密实性。钢筋生锈的内部条件是钝化膜遭到破坏，产生活化点，构件内部存在电位差，可以产生局部腐蚀电池；钢筋锈蚀的外部条件是必须有水分和氧的存在。当这几个条件同时存在时，钢筋就会产生锈蚀。推荐精选【11】 研究表明，使钢筋的钝化膜遭到破坏的主要因素有四点：1）当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋的钝化膜；2）由 CL的作用破坏钢筋的钝化膜；3）由于 SO42离子或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度及PH值降低导致钝化膜破坏；4）混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥，导致钝化膜破坏或根本不生成钝化膜。 降低混凝土中钢筋锈蚀的措施包括：通过适当降低水灰比、选用矿渣硅酸盐水泥
13、、采用不是海砂的细骨料、掺用不含氯盐的外加剂、提高混凝土保护层厚度、适当增加混 凝土的搅拌时间和振捣力度等方法以保证混凝土的密实性，使混凝土中的钢筋处于碱性环境中。施工时应重视钢筋的除锈，还可使用环氧涂层钢筋。通过混凝土的表面处理，如涂抹防水涂料等形成保护层活作表面装饰层等使混凝土结构不长期裸露于空气中或水中。采用阴极保护法（包括牺牲阳极法和外加电流法） ，其中外加电流法应注意防止钢筋的氢锈破坏、防止加剧混凝土的碱骨料反应、防止过大的保护电流对混凝土与钢筋之间的粘结强度可能产生的不利影响。 【13】2 从构件层次对耐久性的研究在腐蚀环境中，当混凝土结构的材料发生劣化后，结构构件的承载力和适用性
14、也随之降低，从而影响结构的安全和正常使用。 试验表明，受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土之间粘结性能的变化 3中因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀后其截面面积的减小，当钢筋的锈蚀量较小时（5） ，钢筋强度变化不大，承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化。锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的变化比较复杂，在锈蚀量较小时（1） ，粘结强度随钢筋锈蚀量的增加有所提高，但随钢筋锈蚀量的进一步加大，粘结强度将明显下降，这一变化过程与钢筋锈蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关。【7】试验也表明，在使用荷载下，受腐蚀钢筋混凝土受弯构件的截面应变宏观上仍符合平截面
15、假定，而对于大偏心受压和小偏心受压构件，在钢筋锈蚀量较大时，截面应变与平截面假定有出入。另外，受腐蚀钢筋混凝土构件的延性随钢筋锈蚀量的增大而降低，构件的破坏形态也将有延性破坏转化为脆性破坏。试验同时也表明，当钢筋锈蚀混凝土构件的钢筋锈蚀后，构件刚度有所降低，变形增大；横向裂缝距增大，宽度变宽，从而影响混凝土结构的正常使用性能。 目前，对受腐蚀钢筋混凝土构件的力学性能的研究大都集中在静态方面，对动态性能和疲劳性能的研究尚不多见，这是一个需要加强研究的方面。 推荐精选另外，混凝土的密实性也起着重要的作用，由于混凝土的用水量大于水泥水化的需水量 ， 所以凝结硬化之后混凝土中总是具有很多各种各样的孔，
16、包括毛细孔、凝胶孔、过度孔等。孔隙的特征如孔隙大小、 形状、 分布及其封闭程度直接影响耐久性能。各种介质通过孔隙和微裂缝直接侵蚀混凝土的内部结构。混凝土中孔隙率越大， 密实度就越低。混凝土的密实性几乎与混凝土的所有主要耐久性能有着密切的联系。因此， 提高混凝土的密实性是非常重要的。【3】 3 从结构层次对耐久性的研究 混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决拟建混凝土结构的耐久性设计和现役结构的耐久性评估，钢筋混凝土结构是由多种构件组成的结构体系，在钢筋遭受腐蚀后，构件性能的劣化，最终会影响整个结构的安全。对拟建混凝土结构进行耐久性设计，提高结构的安全性和耐久性已成为全世界关注的重大课题。目前，我国混凝土耐久性设计的研究有两种理论。第一种理论认为，在进行混凝土结构耐久性设计之前，首先要进行结构的工作环境分类，然后确定结构的设计使用寿命，最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算
