混凝土耐久性關(guān)鍵技術(shù)講座課件

1、 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對(duì)氣候、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其他破壞過(guò)程的抵抗能力。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題主要表現(xiàn)為：混凝土損傷（裂縫、破碎、磨損等）；鋼筋的銹蝕、脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕；鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱等三個(gè)方面。 主要影響因素： 材料的自身特性、設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量、環(huán)境條件、使用條件和防護(hù)措施。 .混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化（環(huán)境因素）鋼筋銹蝕 氯離子引起 水 氧 近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境，氯離子從外表侵入 海砂、防凍鹽用于混凝土，氯離子拌入 碳化引起 二氧化碳 水 氧凍融破壞 水飽和程度 凍融循環(huán)次數(shù) 混凝土損傷剝落硫酸鹽、酸、軟水侵蝕堿骨料反應(yīng).1）一般作用 一般荷載與強(qiáng)制變形 永久荷

2、載- 自重，土壓力 可變荷載- 使用荷載（人群、車(chē)輛）、風(fēng)、雪2）偶然作用 地震、爆炸、撞擊等3）環(huán)境作用（或環(huán)境影響） 溫度、濕度及其變化，降水，冰凍等大氣作用； 土體、水體、空氣中有害化學(xué)物質(zhì)作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的三類作用 .作用承載力極限狀態(tài)下安全性正常使用下適用性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容規(guī)定作用下構(gòu)件承載力安全性結(jié)構(gòu)整體牢固性變形、裂縫、振動(dòng)等控制耐久性一般作用疲勞持久荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)（力學(xué)計(jì)算）偶然作用整體牢固性設(shè)計(jì)環(huán)境作用安全性通過(guò)正常使用下的適用性加以保證（將劣化程度控制在規(guī)定的容許值以內(nèi)）耐久性（防腐蝕）設(shè)計(jì).混凝土是世上用量最大的人造材料基礎(chǔ)設(shè)施工程主要用混凝土結(jié)構(gòu)建造混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已成

3、為世界性問(wèn)題一、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性現(xiàn)狀.美國(guó)聯(lián)邦公路局資料 登記在冊(cè)（政府管理）橋梁： 1992年 57.2萬(wàn)座，有缺陷21 1999年 58.6萬(wàn)座，有缺陷15 拆除老橋費(fèi)用持續(xù)增加1998年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)報(bào)告 美國(guó)現(xiàn)有29%以上的橋梁和1/3以上的道路老化，有2100個(gè)水壩不安全，估計(jì)需有1.3萬(wàn)億美元改善其安全狀態(tài)又據(jù)資料報(bào)道 到20世紀(jì)末美國(guó)共有橋梁約100萬(wàn)座，超過(guò)1/4有缺陷. 由于改進(jìn)了橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法并采用了許多新的防腐技術(shù)，美國(guó)新建橋梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，預(yù)期已能滿足75年以上設(shè)計(jì)壽命 但是過(guò)去建成的橋梁已無(wú)法改變，仍將繼續(xù)為其付出昂貴的維修費(fèi)用直至最后拆除

4、重建. 美國(guó)每年用于基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的費(fèi)用約為這些基礎(chǔ)設(shè)施總資產(chǎn)的10% 研究認(rèn)為，對(duì)于橋梁等生命線工程，因修復(fù)、更換造成交通延誤等間接損失更大，間接經(jīng)濟(jì)損失是直接用于橋梁修復(fù)費(fèi)用的10倍。 在加拿大，為修復(fù)其劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計(jì)需耗費(fèi)5000億美元 在英國(guó)，據(jù)說(shuō)有1/3的橋梁需要修復(fù) 發(fā)達(dá)國(guó)家土建設(shè)施腐蝕造成的年損失約占GDP的1.52%，其中主要是混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕. 70年代起，混凝土耐久性問(wèn)題開(kāi)始在發(fā)達(dá)國(guó)家大量出現(xiàn)。 針對(duì)混凝土過(guò)早劣化，發(fā)達(dá)國(guó)家不斷提高混凝土的強(qiáng)度要求與密實(shí)性，研究混凝土與鋼筋的防腐蝕技術(shù)，并對(duì)路橋等工程要求按全壽命費(fèi)用分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。 80年代中期起掀起了高性能混凝

5、土的研究開(kāi)發(fā)高潮。 90年代起，大力開(kāi)展混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法的研究。. 我國(guó)目前水泥年產(chǎn)量如配置混凝土，年人均近3.3噸 混凝土用量過(guò)大，過(guò)度開(kāi)采礦石和砂、石已在許多地方造成資源破壞，嚴(yán)重影響環(huán)境和景觀。每生產(chǎn)1t水泥熟料消耗大量燃煤與電能，并排放約1t二氧化碳 混凝土過(guò)早劣化，處置廢舊工程的混凝土垃圾將給環(huán)境帶來(lái)威脅 .結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因 工程設(shè)計(jì)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求 缺乏正常檢測(cè)與維修構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全設(shè)置水準(zhǔn)過(guò)低.工程設(shè)計(jì)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要考慮荷載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)安全性，環(huán)境作用下的耐久性設(shè)計(jì)被置于次要和從屬地位規(guī)范中沒(méi)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命和耐久性設(shè)

6、計(jì)的明確要求耐久性設(shè)計(jì)要求，未能隨著幾十年來(lái)由于水泥性能、施工條件、環(huán)境條件的巨大轉(zhuǎn)變而與時(shí)俱進(jìn).我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范（80年代頒布）與國(guó)外比較 配筋混凝土 我國(guó) 美國(guó) 英國(guó)最低強(qiáng)度 等級(jí) C15 C25 C30（C25） 碳化銹蝕 露天雨淋環(huán)境下保護(hù)層厚度板2cm 梁3cm3.8cm （d16）C35, 3.5cm干濕交替下C40，4cm 嚴(yán)重凍融僅水工規(guī)范 要求引氣要求引氣 要求引氣日本規(guī)范規(guī)定的更高（最低相當(dāng)于C35，100年壽命為C45 ）. 由于水泥強(qiáng)度提高和施工進(jìn)度加快,實(shí)際 耐久性質(zhì)量大幅度下降 早強(qiáng)水泥配制的混凝土，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和后期強(qiáng)度發(fā)展 不良，易開(kāi)裂，耐久性差 水泥細(xì)度增加強(qiáng)度容易

7、提高摻入石灰等輔助材料且比例越來(lái)越高 為加快施工進(jìn)度而摻入早強(qiáng)劑等早期強(qiáng)度上去了而其他力學(xué)性能指標(biāo)下降了，包括耐久性指標(biāo)，化學(xué)污染也上去了 粉煤灰的應(yīng)用 .工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求養(yǎng)護(hù)不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使鋼筋開(kāi)始銹蝕的年限成倍縮少 1天養(yǎng)護(hù)與7天養(yǎng)護(hù)，可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來(lái)的1/4搶工省略必要檢驗(yàn)工序，使鋼筋位置出現(xiàn)偏差鋼筋的保護(hù)層厚度如在施工中縮減一半，出現(xiàn)銹蝕年限將縮減為原來(lái)的1/4 保護(hù)層厚度的510mm施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發(fā)生成倍差別結(jié)構(gòu)各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，其質(zhì)量在快速施工中最不易保證。 .缺乏正常檢測(cè)與維修結(jié)構(gòu)耐久性需要

8、有正確使用和正常檢測(cè)與維修相配合重新建、輕維修，是土建建設(shè)管理工作中的重大缺陷對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施工程，應(yīng)在設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)只有適當(dāng)加大初始投資費(fèi)用，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)耐久性，才是最經(jīng)濟(jì)有效的途徑. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)一般包括的內(nèi)容：1 概念設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)的選型、布置和構(gòu)造應(yīng)有利于減輕環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的作用；2 混凝土材料和鋼筋的選用-材料的耐久性質(zhì)量要求；3 確定耐久性所需的混凝土保護(hù)層厚度；4 防排水等構(gòu)造措施；5 混凝土裂縫的控制要求；6 在嚴(yán)重環(huán)境作用下可能需要采取的多重防護(hù)措施和防腐蝕附加措施；7 基于結(jié)構(gòu)耐久性要求的施工工藝與質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；8 結(jié)構(gòu)使用階段的維護(hù)與檢測(cè)要求。. 混凝土結(jié)

9、構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本措施 1 采用高耐久性混凝土，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，提高混凝土自身的抗破損能力 2 加強(qiáng)橋面排水和防水層設(shè)計(jì)，改善橋梁的環(huán)境作用條件 3 改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括加大混凝土保護(hù)層厚度；加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，防止裂縫發(fā)展；采用具有防腐保護(hù)的鋼筋 .表1.0.7 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求環(huán)境類別環(huán)境條件最大水灰比最小水泥用量最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)最大氯離子含量(%）最大含堿量溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境；與無(wú)侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境0.55275C250.303.0嚴(yán)寒地區(qū)的大氣環(huán)境、使用除冰鹽環(huán)境；濱海環(huán)境0.50300C300.153.0海水環(huán)境0.45300C350.103.0受侵蝕性物質(zhì)影

10、響的環(huán)境0.40325C350.103.0.序號(hào)構(gòu) 件 類 別環(huán) 境 條 件、1基礎(chǔ)、樁基承臺(tái) 基坑底面有墊層或側(cè)面有模板（受力鋼筋） 基坑底面無(wú)墊層或側(cè)面無(wú)模板4060507560852墩臺(tái)身、擋土結(jié)構(gòu)、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）3040453人行道構(gòu)件、欄桿（受力主筋）2025304箍筋2025305緣石、中央分隔帶、護(hù)欄等行車(chē)道構(gòu)件3040456收縮、溫度、分布、防裂等表層鋼筋152025.北美（加拿大安大略?。┕窐蛎姘迥途眯栽O(shè)計(jì)要求. 1.0.8 位處類或類環(huán)境的橋梁，當(dāng)耐久性確實(shí)需要時(shí)，其主要受拉鋼筋宜采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋；預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器應(yīng)采取專門(mén)防護(hù)措施。

11、 1.0.9 水位變動(dòng)區(qū)有抗凍要求的結(jié)構(gòu)混凝土，其抗凍等級(jí)不應(yīng)低于表1.0.9的規(guī)定。橋梁所在地區(qū)海水環(huán)境淡水環(huán)境嚴(yán)重受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫低于-8）F350F250受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在-4-8之間）F300F200微凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在0-4之間）F250F150. 1.0.10 有抗?jié)B要求的結(jié)構(gòu)混凝土，其抗?jié)B等級(jí)應(yīng)符合表1.0.10的規(guī)定。最大作用水頭與混凝土壁厚之比抗?jié)B等級(jí)5W4510W61115W81620W1020W12. 規(guī)范強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)水平防收縮鋼筋和箍筋的作用： 9.3.8 T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹板兩側(cè)，應(yīng)設(shè)置直徑為68mm的縱向鋼筋，每腹板內(nèi)鋼筋截面

12、面積宜為（0.0010.002）bh，其間距在受拉區(qū)不應(yīng)大于腹板寬度，且不應(yīng)大于200mm，在受壓區(qū)不應(yīng)大于300mm。在支點(diǎn)附近剪力較大區(qū)段和預(yù)應(yīng)力混凝土梁錨固區(qū)段，腹板兩側(cè)縱向鋼筋截面面積應(yīng)予增加，縱向鋼筋間距宜為100_150mm。 9.4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土T形、I形截面梁和箱形截面梁腹板內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置直徑不小于10mm和12mm的箍筋，且應(yīng)采用帶肋鋼筋，間距不應(yīng)大于250mm；自支座中心起長(zhǎng)度不小于一倍梁高范圍內(nèi)，應(yīng)采用閉合式箍筋，間距不應(yīng)大于100mm。.提高后張預(yù)應(yīng)力鋼筋管道壓漿的質(zhì)量（關(guān)鍵因素）9.4.12 預(yù)應(yīng)力鋼筋管道壓漿用的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于30MPa。其水灰比宜為0.400.

13、45。為減少收縮，可通過(guò)試驗(yàn)摻入適量膨脹劑。加強(qiáng)橋面鋪裝層的防水設(shè)計(jì)和施工（重要因素）.1.0.8 位處類或類環(huán)境的橋梁，當(dāng)耐久性確實(shí)需要時(shí)，其主要受拉鋼筋宜采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋；預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器應(yīng)采取專門(mén)防護(hù)措施。1.0.9 水位變動(dòng)區(qū)有抗凍要求的結(jié)構(gòu)混凝土，其抗凍等級(jí)不應(yīng)低于表1.0.9的規(guī)定?？箖龌炷翍?yīng)摻入適量引氣劑，其伴合物的含氣量按現(xiàn)行的公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTJ041規(guī)定的采用。1.0.10 有抗?jié)B要求的結(jié)構(gòu)混凝土，其抗?jié)B等級(jí)應(yīng)符合表1.0.10的規(guī)定。.提倡全壽命周期成本核算： 建筑結(jié)構(gòu)能夠安全長(zhǎng)久地使用，這就是最大的節(jié)約。工程建設(shè)的投資不能只計(jì)算基建成本，還應(yīng)該考慮建

14、成后在設(shè)計(jì)使用年限中的檢修、維護(hù)費(fèi)用，實(shí)行全成本核算。為防止“政績(jī)工程”、“形象工程”、“獻(xiàn)禮工程”等短期行為造成更大的浪費(fèi)，國(guó)家應(yīng)從政策上作出規(guī)定，加以控制。同時(shí)應(yīng)配套地建立起建筑物服役期內(nèi)正常使用、定期檢查、維護(hù)檢修等制度，完善必要的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，并引入保險(xiǎn)業(yè)來(lái)承擔(dān)有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。 .二、環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu) 的劣化與混凝土的抗?jié)B性.混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化鋼筋銹蝕 氯離子引起 水 氧 近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境，氯離子從外表侵入 海砂、防凍鹽用于混凝土，氯離子拌入 碳化引起 二氧化碳 水 氧凍融破壞 水飽和程度 凍融循環(huán)次數(shù) 混凝土損傷剝落硫酸鹽、酸、軟水侵蝕堿骨料反應(yīng).混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨料，水泥漿體，漿

15、體與骨料界面層水泥漿體組成：水化硅酸鈣（C-S-H凝膠），水化鋁硫酸鈣（少量）氫氧化鈣（強(qiáng)度差，易析出和遭鹽、酸侵蝕，堿性），未水化水泥顆粒C-S-H 凝膠孔隙（納米級(jí)，與有害物質(zhì)滲透關(guān)系不大），毛細(xì)孔隙（原為拌合水占據(jù)空間，0.015微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期體積可占漿體40）氣泡（裹入氣泡和引氣氣泡）. 低水膠比能改善混凝土漿體及其與骨料間的界面微結(jié)構(gòu)，降低毛細(xì)孔隙率 摻加粉煤灰等礦物摻和料能降低水化熱和減少拌 合水，改善水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)；通過(guò)火山灰反應(yīng) ，進(jìn)一步改善漿體及骨料界面結(jié)構(gòu)并增加混凝土后期強(qiáng)度與密實(shí)性，消耗薄弱的水化產(chǎn)物氫氧化鈣；大摻量粉煤灰混凝土對(duì)氯離子有吸附作用

16、，并能抑制堿骨料反應(yīng).傳輸機(jī)理：擴(kuò)散 自由分子或離子通過(guò)無(wú)序運(yùn)動(dòng)從高濃度到低 濃度區(qū)的流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力是傳輸介質(zhì)中的濃度 差，擴(kuò)散規(guī)律通常用Fick定律描述吸收 多孔材料毛細(xì)孔隙（中空）表面張力引起的 液體傳輸滲透 壓力差驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的液體或氣體的流動(dòng) ， 對(duì)水的流動(dòng)用達(dá)西定律表達(dá)此外還有吸附（物理或化學(xué)結(jié)合）混凝土的抗?jié)B性（抗侵入性）混凝土阻擋外部分子、離子或流體侵入傳輸?shù)交炷羶?nèi)部的能力.二氧化碳和氧氣通過(guò)空氣中的擴(kuò)散傳輸氯離子通過(guò)水溶液中的擴(kuò)散和溶液受毛細(xì)空隙的表面張力吸收傳輸混凝土濕度和溫度對(duì)傳輸有很大影響：濕度高，毛細(xì)孔隙內(nèi)充水程度高，氣體擴(kuò)散受阻濕度低，毛細(xì)孔隙中空，離子溶液被吸入碳化速

17、率RH 5075最高，75%迅速降低，45水分不足以形成化學(xué)反應(yīng)溫度增加，碳化加速.鋼筋銹蝕鋼筋在混凝土的高堿性環(huán)境中不會(huì)銹蝕，能在表面形成氧化鈍化膜，隔絕水分與氧氣空氣中的二氧化碳擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部并與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成中性的碳酸鈣（碳化），降低混凝土堿度，當(dāng)碳化從混凝土表面逐漸向里發(fā)展到鋼筋表面位置，鈍化膜破壞氯離子從混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋表面并累積到臨界濃度，鈍化膜破壞鈍化膜破壞后，如有充足的水分與氧氣供給，鋼筋發(fā)生持續(xù)的銹蝕.鋼筋銹蝕銹蝕前的初始階段：碳化從混凝土表面發(fā)展到鋼筋位置的時(shí)間，或氯離子從混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋位置并積累到臨界濃度的時(shí)間銹蝕發(fā)展階段：從脫鈍開(kāi)始持續(xù)銹蝕到某一

18、可接受的劣化程度的時(shí)間.鋼筋銹蝕速率度 微米/年溫度每增加10度，銹蝕速率約可提高一倍相對(duì)濕度RH碳化引起銹蝕氯離子銹蝕50097003680161901298955012299233.三、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì).混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的耐久性，應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)使用年限及其相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同環(huán)境類別及其環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)使用年限 有一定的保證率或安全儲(chǔ)備極限狀態(tài) 與環(huán)境類別及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)環(huán)境類別 分7類，主要按劣化機(jī)理環(huán)境作用等級(jí) 分6級(jí)，AF.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)人員用以作為結(jié)構(gòu)耐久性 設(shè)計(jì)依據(jù)的目標(biāo)使用年限設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)由業(yè)主或用戶與設(shè)計(jì)人共同確定， 并滿足有關(guān)法規(guī)的最低要求設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為

19、確定可變荷載(使用荷載、風(fēng)雪荷載) 及與時(shí)間有關(guān)的材料強(qiáng)度而選用的時(shí)間參數(shù)使用年限結(jié)構(gòu)建造完成后，在預(yù)定的使用與維護(hù)和 修理?xiàng)l件下，能夠滿足原定性能要求的年限設(shè)計(jì)使用年限具有足夠安全儲(chǔ)備或保證率.設(shè)計(jì)使用年限的安全儲(chǔ)備或保證率可以用壽命安全系數(shù)或失效概率表示定值法設(shè)計(jì)壽命安全系數(shù)憑工程經(jīng)驗(yàn)和必要分析綜合給定，考慮工程重要性，耐久性失效后果的嚴(yán)重性，修理的可行性與修理費(fèi)用，環(huán)境作用、耐久性抗力和計(jì)算方法本身的不確定性與不確知性概率分析方法壽命安全系數(shù)為均值使用年限與設(shè)計(jì)使用年限的比值，與設(shè)定的保證率或失效概率有關(guān) 若假定使用年限按對(duì)數(shù)正態(tài)分布，變異系數(shù)為0.5，對(duì)于適用性極限狀態(tài)，如失效概率5，

20、K在2左右. 耐久性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)鋼筋銹蝕 預(yù)應(yīng)力鋼筋 開(kāi)始銹蝕 普通鋼筋 順筋開(kāi)裂；或裂寬到 0.1mm 碳化銹蝕與氯鹽銹蝕可取不同狀態(tài)混凝土腐蝕 輕微，不影響混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù).環(huán)境作用下的耐久性極限狀態(tài) t1鋼筋開(kāi)始銹蝕； t2銹蝕到順筋脹裂； t3開(kāi)裂至某一限值； t4粘著力喪失； t5保護(hù)層剝落； t6鋼筋截面削弱， 耐久性極限狀態(tài) 性能劣化到不再滿足適用性、可修復(fù)性或安全性要求 以某一不可接受的狀態(tài)，如t1 、t2或 t3 ，作為極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，屬于正常使用的極限狀態(tài) .環(huán)境作用與結(jié)構(gòu)安全性環(huán)境作用的后果首先是影響結(jié)構(gòu)正常使用下適用 性，達(dá)到適用性極限狀態(tài)而不是承載力極

21、限狀 態(tài)的安全性。除非進(jìn)行修復(fù)，否則就不能繼續(xù) 正常使用 但有的腐蝕損傷不易發(fā)現(xiàn)： 高應(yīng)力狀態(tài)下工作的預(yù)應(yīng)力鋼索，吊桿，拉索等高強(qiáng)鋼材，銹蝕過(guò)程發(fā)展快，構(gòu)件外觀上并無(wú)保護(hù)層脹裂等征象出現(xiàn)，易發(fā)生突然脆斷破壞環(huán)境作用下的安全性，用正常使用狀態(tài)下的適用 性體現(xiàn)，就如早期的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)用正常使 用狀態(tài)下的容許應(yīng)力來(lái)體系一樣.1980年西柏林議會(huì)大廳預(yù)應(yīng)力混凝土殼體屋頂 部分塌 毀1985年英國(guó)威爾士一座節(jié)段拼裝式預(yù)應(yīng)力混凝 土橋倒塌1992年比利時(shí)一座后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋倒塌1992年英國(guó)運(yùn)輸部發(fā)布暫時(shí)停止設(shè)計(jì)后張預(yù)應(yīng) 力混凝土橋的禁令；過(guò)了4年以后才恢復(fù)我國(guó)近年因拉索銹蝕造成工程事故接連發(fā)生廣東海

22、印大橋（斜拉橋）的拉索銹斷四川宜賓小南門(mén)拱橋 二座橋的使用年限不到10年.環(huán)境類別1 一般環(huán)境 （無(wú)凍融，鹽、酸等作用） 室內(nèi)干燥環(huán)境 A 非干濕交替的室內(nèi)潮濕環(huán)境或露天環(huán)境，長(zhǎng)期濕潤(rùn)環(huán)境 B 干濕交替環(huán)境 C2 一般凍融環(huán)境 (無(wú)鹽、酸等作用) 微凍地區(qū)，混凝土中度飽水 B 微凍地區(qū)，混凝土高度飽水 C 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土中度飽水 C 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土高度飽水 D3 近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境 水下區(qū) D 大氣區(qū) 輕度鹽霧區(qū) D 離平均水位15m以上的海上大氣區(qū) 離漲潮岸線50m外至200m內(nèi)的陸上室外環(huán)境重度鹽霧區(qū) E 離平均水位上方15m以內(nèi)的海上大氣區(qū)， 離漲潮岸線50m內(nèi)的陸上室外環(huán)境

23、 水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，非炎熱地區(qū) E 水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，南方炎熱地區(qū) F.環(huán)境類別4 除冰鹽凍融環(huán)境 混凝土中度飽水 E 混凝土高度飽水 F5 鹽堿結(jié)晶環(huán)境 輕度鹽堿結(jié)晶 E 重度鹽類結(jié)晶 F6 大氣污染環(huán)境 汽車(chē)或機(jī)車(chē)廢氣 C 酸雨 D （pH小于4時(shí)按E級(jí)） 鹽堿地區(qū)含鹽大氣和雨水 D ，E， C7 土中及地表、地下水中的化學(xué)腐蝕環(huán)境 (海水環(huán)境除外). 環(huán)境類別選定一種最主要的環(huán)境類別進(jìn)行設(shè)計(jì)多種環(huán)境作用影響 荷載對(duì)環(huán)境作用影響 .耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容 按環(huán)境類別，環(huán)境作用等級(jí)，設(shè)計(jì)年限確定： 1 混凝土材料 2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制 3 施工要求 4 使用階段檢測(cè)和維修 5 防腐蝕附加措施氯

24、離子環(huán)境下的重要工程，按劣化模型計(jì)算復(fù)核.1 混凝土材料選擇1) 選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量水泥2) 選用堅(jiān)固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級(jí)配及 粒形3) 礦物摻和料作為一般情況下的必需組份4) 將適量引氣作為常規(guī)手段5) 采用偏低的用水量6) 限制單方混凝土中膠凝材料最低和最高用量 7) 盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量強(qiáng)度與耐久性的矛盾 粉煤灰 引氣劑低水膠比與抗裂性的矛盾 . 2 構(gòu)造措施和裂縫寬度限制1)隔絕或減輕環(huán)境對(duì)混凝土的作用 結(jié)構(gòu)形狀，防、排水，表面涂層或防腐層 2)為鋼筋提供足夠的混凝土保護(hù)層厚度 3)混凝土裂縫控制 混凝土表面裂縫寬度限制與保護(hù)層厚度的矛盾 增

25、加保護(hù)層厚度，表面裂寬將增大，但對(duì)防止鋼筋銹蝕仍然非常有利。 日本土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 .鋼筋保護(hù)層 普通鋼筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保護(hù)層厚度 c cmin + 預(yù)應(yīng)力筋的混凝土保護(hù)層厚度: 無(wú)密封護(hù)套的比普通鋼筋大 10 mm 環(huán)境作用等級(jí)為C或C級(jí)以上（對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋為B或B級(jí)以上），應(yīng)采用有防腐連續(xù)密封護(hù)套的預(yù)應(yīng)力鋼筋。 . 3 施工要求與施工質(zhì)量驗(yàn)收必須將施工質(zhì)量保證作為耐久性設(shè)計(jì)中特殊重要的內(nèi)容 表層混凝土質(zhì)量混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量 保護(hù)層厚度的施工允許誤差 質(zhì)量檢驗(yàn) 保護(hù)層厚度，含氣量，表層混凝土滲透性 （現(xiàn)場(chǎng)回彈、抗拔、抗?jié)B） 混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量要在合同中規(guī)定獎(jiǎng)懲辦法 抽樣檢測(cè)

26、鋼筋保護(hù)層厚度 對(duì)表層混凝土滲透性作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或鉆芯測(cè)試.鋼筋位置的誤差，5mm的施工誤差，可使20mm保護(hù)層厚度的墻、板鋼筋開(kāi)始銹蝕的年限縮短近一半 養(yǎng)護(hù)不良影響更大 DuraCrete指南中，7天的養(yǎng)護(hù)系數(shù)為1天的2倍（氯離子作用）和4倍（碳化作用）可使工作壽命 從50年分別降到約25年和12.5年 施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的重要性. 4 使用期內(nèi)的維修和定期檢測(cè) 使用年限與使用階段維修緊密聯(lián)系 環(huán)境嚴(yán)重作用下的結(jié)構(gòu)物必須定期檢測(cè) 設(shè)計(jì)文件中必須向業(yè)主與運(yùn)營(yíng)單位提出使用 過(guò)程中的定期檢測(cè)和維修要求 .5 防腐蝕附加措施 環(huán)氧涂層鋼筋 混凝土表面防腐涂層、面層 鋼筋阻銹劑 滲透模板 陰極保護(hù).四、

27、不同劣化機(jī)理下的耐久性設(shè)計(jì).碳化銹蝕影響碳化速率的主要因素：環(huán)境條件 濕度、溫度及其變化二氧化碳濃度混凝土堿度混凝土中二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù).碳 化Duracrete指南提出的模型： 各種碳化模型的普遍缺點(diǎn)是不能考慮干濕交替的影響. 碳化引起銹蝕環(huán)境對(duì)付碳化銹蝕不應(yīng)成為一個(gè)問(wèn)題 關(guān)鍵在于規(guī)范要提高標(biāo)準(zhǔn)，尤其干濕交替和炎熱環(huán)境下的要求表面裂縫寬度的限制也不應(yīng)成為問(wèn)題 橫向裂縫能使裂縫截面處的普通鋼筋提前發(fā)生局部銹蝕，但通常不會(huì)向周邊和深部發(fā)展，只當(dāng)保護(hù)層被碳化后，才能在鋼筋表面發(fā)展全面穩(wěn)定的銹蝕 混凝土規(guī)范的裂縫寬度限制不適用于較厚的保護(hù)層 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕則不同 .碳化銹蝕GB500102002

28、規(guī)范中，要求100年設(shè)計(jì)壽命的保護(hù)層厚度為50年的1.4倍（即 t a ），這個(gè)規(guī)定值得探討碳化的深度到一定數(shù)值后有可能停止事實(shí)上，僅在不會(huì)發(fā)生銹蝕的干燥環(huán)境，碳化速度才與時(shí)間 t 的0.5次方成正比。潮濕環(huán)境（RH=81%）下與 t的0.4次方成正比，長(zhǎng)期濕潤(rùn)下（高濕度又經(jīng)常受雨淋）甚至與 t 的0.1次方成正比。.凍融環(huán)境必須引氣 (B級(jí)可不引氣，但需提高一級(jí)選擇混凝土)低水膠比的混凝土，不大于0.5，氯鹽環(huán)境下不大于0.4新混凝土延遲受凍；加大構(gòu)件厚度；避免混凝土受濕混凝土抗凍性能指標(biāo)用耐久性指數(shù) DF表示100年與50年使用年限，在抗凍要求上的差別不明顯 （ Fagerlund，黃士元

29、， Hobbs ）.氯鹽引起銹蝕氯鹽引起的鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重水下區(qū)混凝土缺氧，腐蝕速度極慢危險(xiǎn)的是干濕交替區(qū)氯鹽輕度腐蝕下，采用水膠比不高于0.4（或最多不超 過(guò)0.45）的礦物摻和料混凝土與適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度， 一般能解決問(wèn)題 干濕交替、使用壽命又長(zhǎng)的重要工程部位，可能需要防 腐蝕附加措施氯鹽環(huán)境下的裂縫寬度限制，不同標(biāo)準(zhǔn)差別較大.氯鹽引起銹蝕 據(jù)DuraCrete的研究，氯離子侵入混凝土100年或50年后，濃度達(dá)到臨界值處的深度，即所需保護(hù)層厚度 為： 對(duì)于低水膠比的大摻量礦物摻和料混凝土，x約與 t 的0.150.20 次方成正比，并與大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水下區(qū)等不同環(huán)境 條件有關(guān)。100年與5

30、0年的差別不到15 對(duì)于不加礦物摻和料混凝土的普通混凝土，100年需比50年增加30 .氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定推薦 快速氯離子電遷移測(cè)定方法方法瑞典唐路平（CTH法），北歐NT標(biāo)準(zhǔn) ，德國(guó) ibac-test 方法，DuraCrete標(biāo)準(zhǔn)，瑞士SIA標(biāo)準(zhǔn). 重要結(jié)構(gòu)物，采用多道防腐措施并定期檢測(cè) 丹麥Great Belt Link， 100年，隧道預(yù)制混凝土管片保護(hù)層35mm， 水膠比低于0.35，摻粉煤灰和硅灰，多道防腐措施 在襯砌與土體之間沿環(huán)向灌漿，增加覆蓋保護(hù)層厚度 環(huán)氧涂膜鋼筋 陰極保護(hù)作為最終手段 使用年限長(zhǎng)、且有條件修理，采取定期修理并定期檢測(cè) 荷蘭Delta防浪堤， 200年，閘

31、門(mén)支承配筋混凝土構(gòu)件浪濺區(qū) 預(yù)期壽命（按鋼筋銹蝕損失0.2mm估計(jì)）8090年.五、基于材料劣化模型的使用壽命計(jì)算. 氯離子引起鋼筋銹蝕通常用Fick第二定律描述： c 為氯離子濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)若D為常數(shù)，且邊界條件： 表面氯離子濃度cs為定值 可得解析解： . 到90年代初，認(rèn)識(shí)到擴(kuò)散系數(shù)D 隨時(shí)間、離混凝土表面距離、氯離子濃度等因素變化，還與溫度、 pH值等多種因素有關(guān) 原先按 D 為常值的預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)份保守 Fick第二定律被認(rèn)為誤用了25年 .擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間衰減的規(guī)律尚未完全明了 氯離子在傳輸過(guò)程中與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合 早期混凝土密實(shí)性隨水化程度不斷完善而提高 擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù) . D0為t = t0(開(kāi)始暴露于氯鹽環(huán)境)時(shí)測(cè)得的擴(kuò)散系數(shù)值 Poulsen建議，高性能混凝土與等效水灰比W/C有關(guān) Bamforth指出，主要與膠凝材料種類有關(guān) DuraCrete指南采用與膠凝材料種類和環(huán)境條件有關(guān) kc 養(yǎng)護(hù)系數(shù)，考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)短 ke 環(huán)境系數(shù)，考慮海洋不同環(huán)境（水下區(qū)、大氣區(qū)、浪濺區(qū)等） 與不同膠凝材料的影響 .值對(duì)混凝土