混凝土的耐久性

研究的必要性

耐久性现状

研究内容

提高耐久性的措施耐久性-经久耐用

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，保持其安全、使用功能和外观要求的能力

世界性课题，土木工程领域的关注重点研究的必要性

土建基础设施工程主要用混凝土建造

基本建设三个阶段：

第一阶段大规模新建阶段

第二阶段大规模新建与维修改造并重

第三阶段维修改造阶段

发达国家进入第三阶段

统计表明，目前我国处于第二阶段。混凝土结构耐久性不足的问题，要比安全性不足更为严重，更迫切需要解决

耐久性研究对新建结构及维修改造都极为重要国外耐久性现状

美国

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，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态。

到20世纪末美国共有桥梁约100万座，超过1/4有缺陷。

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%。

国外耐久性现状

英国，据统计有1/3的桥梁需要修复；1996年英国的损失也超过了6亿英镑。

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。

日本, 每年用于房屋结构维修的费用达400亿日元。

我国耐久性现状

我国现在面临的耐久

性问题是发达国家早

在二、三十年以前曾

经遇到过的

宁波北仑港码头混凝

土梁― 建成后11年

就出现大规模开裂现

象。

图1 宁波北仑港码头混凝土梁-建成后11年

图2国内外耐久性病害的工程图片

混凝土结构耐久性研究四层次

环境层次

大气环境

海洋环境

土壤环境

工业环境

材料层次

钢筋锈蚀

碱－集料反应

水化产物－化学侵蚀、碳化、火灾损坏、体积稳定性孔结构－抗渗性、氯离子渗透、抗冻性混凝土结构耐久性研究四层次构件层次

混凝土锈胀开裂模型

粘结性能衰减模型

构件承载力变化模型

结构层次

耐久性设计

耐久性评估钢筋锈蚀

钢筋在混凝土的高碱性环境中，能在表面形成氧化的钝化膜，隔绝水分、氧气与金属的接触，不会锈蚀。

通过氯离子渗透和碳化作用使钝化膜破坏，钢筋发生锈蚀。

氯离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。

混凝土碳化发展到钢筋表面位置，钝化膜破坏。氯盐引起锈蚀远比碳化锈蚀严重。

钢筋锈蚀(Cl-)

Cl-通过保护层渗透到钢筋表面，破坏钝化膜，使钢筋由钝化态转为活化态.

图3钝化膜破坏示意图

影响钢筋锈蚀的主要因素

氯离子临界浓度

使钢筋脱钝时的浓度，与混凝土密实性（水胶比）、混凝土湿度（饱水程度）等有关。

混凝土的电阻

与混凝土湿度、混凝土密实性等有关。

氧气与水分的补充程度

与混凝土密实性、混凝土饱水程度有关。

表1相对湿度对钢筋锈蚀速率的影响（微米/年）

相对湿度碳化引起锈蚀氯离子引起锈蚀

50％09

70％036

80％161

90％1298

95％50122

99％233基于材料劣化模型的计算方法

RILEM-130 委员会报告

《混凝土结构耐久性设计》1996

DuraCrete

《混凝土耐久性设计指南》2000

ACI Life-365 Computer Program 2000

日本土木学会标准示范书2002

迄今只有钢筋的碳化锈蚀和氯离子锈蚀的劣化模型可勉强供工程应用参考混凝土的碱–骨料反应

自身化学腐蚀，混凝土使用了含有活性矿物成分的砂石骨料，遇水后与混凝土中的碱发生化学反应，形成某种胶凝体，体积膨胀，可使混凝土发生胀裂破坏。

碱–骨料反应条件：

有潜在活性的骨料

有足够的含碱量

有足够的水分混凝土的冻融破坏

混凝土中的毛细孔隙水受冻后膨胀，会产生很大压力，造成混凝土损伤、开裂并剥落.

反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断累积，并达到“临界饱和度”，这时的混凝土就会很快冻坏.防止混凝土冻融破坏的最有效手段是加入化学引气剂.

盐冻情况下，盐能促使混凝土饱水，还能使水泥浆体在受冻时产生很高的渗透压力和水压力，使混凝土面层起皮剥落或坑蚀.混凝土的化学腐蚀

硫酸盐能与水泥水化产物中的氢氧化钙和水化铝酸三钙起作用，分别生成硫酸钙和钙矾石，均造成体积膨胀，使混凝土开裂破坏.

硫酸盐在混凝土毛细孔隙水中的浓度不断增加并过度饱和而结晶时，还会产生非常大的压力，使混凝土破坏.

硅酸盐水泥混凝土的抗酸能力差，当接触的水呈酸性（pH值小于6.5）时就会出现问题.

混凝土和钢筋的种种劣化过程，都需要有水的参与或以水作为媒介.

为阻止水、氧气、二氧化碳等气体和盐、酸等有害分子或离子侵入混凝土内部，最根本的措施就是：

－增加混凝土自身的密实性和抗裂性

－增加钢筋的混凝土保护层厚度，延缓有害物质到达钢筋位置的时间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

几十年来，水泥性能、混凝土养护和环境条件的巨大改变

Tab.2 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 ）

配筋混凝土

我国美国英国最低强度等级C15

C25C30（C25）碳化锈蚀露天雨淋环境下保护层厚度板2cm

梁3cm

3.8cm （d<16）5.1cm （d>16）C35, 3.5cm 干湿交替下C40，4cm 严重冻融仅水工规范

要求要求引气

要求引气

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5～10mm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。

图4 养护条件对不同水灰比混凝土空气渗透性的影响

提高混凝土耐久性的措施基础防护

增大密实度

加大保护层厚度

使用外加剂

使用矿物掺合料

附加措施

钢筋涂层防护

耐蚀钢筋

电化学保

牺牲阳极

外加电流保

混凝土表层涂层防护

钢筋表面涂层与耐腐蚀钢筋

环氧树脂涂层钢筋

最广泛的工程应用

防钢筋锈蚀的有效措施之一

耐蚀钢筋

日本-合金钢钢筋

美国，加拿大与欧洲-不锈钢钢筋

造价相对较高

近年来发展的新兴材料－纤维塑料筋等惰性材料品种：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维

优良特性：耐腐蚀、重量轻、强度高、无磁性表3 国际上混凝土耐久性修复的目的和方法目的定义方法

防止介质入侵减少或防止有害介质入侵

注入表面涂层填充裂缝

湿度控制在规定的范围内调整或保持混凝土的湿度亲水性注入表面涂层

混凝土修复修复旧混凝土的结构单元以符合原来规定

的形状和功能

砂浆、改性混凝土

覆盖物或涂层

结构加固增加或恢复混凝土结构单元的承载力粘结钢筋或钢板填充裂缝或空隙

物理化学抵抗力增加遭受物理、化学介质侵蚀的抵抗力覆盖物或涂层

注入

压力灌浆

渗透加固技术

在铁路工程应用