混凝土耐久性研究 应用和未来的发展趋势 概述耐久性研究现状成果与应用新的认识结束语 概述水泥混凝土以其原材料易得 易浇注成型 适应性强 性能价格比高 综合能耗低等优点而成为当今世界应用最广泛 用量最大的建筑材料 尽管现代材料科学发展日新月异 但仍然没有科学家能预言可替代水泥混凝土的建筑材料新品种 水泥混凝土被认为是耐久的 从上世纪30 40年代开始 西方国家出于战后重建 工业化 城市化以及能源开发的需要 用混凝土修建了大量的基础设施 混凝土用量持续增长 之后 发展中国家经济的强劲增长进一步助推了混凝土用量的迅猛增长趋势 中国2008年水泥产量13 6亿吨 约1 2的世界产量 1987年美国国家材料顾问委员会的调查研究报告使混凝土结构的耐久性在美国乃至世界范围内引起轰动 耐久性危机 概述大约25 3万座混凝土桥梁的桥面板 其中部分仅使用不到20年 就已经发生不同程度地破坏 使用年限远低于40 50年的设计寿命 是混凝土不耐久 还是对混凝土用于严酷腐蚀环境的认识和技术储备不足 我们坚信答案是后者 大量混凝土结构过早出现严重劣化引起了世界范围内对混凝土耐久性的高度关注 不仅仅是因为需要花费巨资修补加固甚至重建 还在于当今世界人口膨胀 能源供应紧张 环境污染 温室效应导致的气候变暖和生态恶化对可持续发展的迫切需要 混凝土耐久性成为关注焦点 促进了世界范围内混凝土理论和技术的快速发展和进步 新认识 新方法的出现将会为克服混凝土结构在服役过程中的过早劣化问题 实现混凝土技术的可持续发展提供强有力的支撑 美国HooverDam1936年建成 高221m混凝土336万方水泥225kg m3水灰比0 58运行70年 无老化迹象为什么现在的混凝土耐久性变差了 SeminoeDam Rawlins Wyoming USA 除结构设计与施工因素 不知和无知 外 主要与大气与地表环境恶化 使用空间拓展至严酷环境及对混凝土耐久性规律 服役环境作用 认识不足有关 耐久性研究现状混凝土的耐久性贯穿混凝土结构设计 材料选择 施工和运行管理的全过程 研究混凝土的耐久性不能脱离结构型式 应力状态 环境条件 包括大环境和局部环境 根据研究对象可分为材料层次 结构 构件 层次 工程层次材料层次的研究重点是劣化机理 提高耐久性防劣化技术措施 材料试验方法 评定标准和劣化状态识别等 结构 构件 层次的研究更注重劣化对结构 构件 层次承载力和安全的影响评价 健康诊断 极限状态判断 使用寿命预测 可采取的构造措施 修复补救措施等 工程层次 合理使用年限 设计使用年限 预期环境作用 不需要花大量资源和经费维修 保持结构安全性和适用性的时间 耐久性研究现状根据造成混凝土劣化的基本因素和机理 混凝土耐久性问题研究主要集中在以下四个方面 钢筋锈蚀 氯盐腐蚀 海洋及近海环境 除冰盐环境 盐湖环境 海砂及外加剂 保护层中性化 碳化 大气污染及酸雨 酸性介质 杂散电流腐蚀冻融 温度 作用 冻融 淡水 海水 盐湖等 盐冻 除冰盐 盐类侵蚀 硫酸盐 镁盐 侵蚀 溶出性侵蚀 渗透溶蚀 碳酸盐侵蚀 土壤腐蚀 中碱性土 酸性土 内陆盐土 海滨盐土 盐卤腐蚀 海洋及近海 盐湖 泛酸性侵蚀 PH 4 5的环境水 污水 碱骨料反应 碱硅酸反应 碱碳酸反应多重因素的耦合作用 耐久性研究现状回顾混凝土耐久性研究历程 无论是对那种劣化形式的研究 都遵循着相同的轨迹 劣化机理研究 提高材料耐久性的措施研究 耐久性测试方法和评定标准 劣化状态对材料性能的影响 结构承载力和安全的影响评价 极限状态判断 使用寿命预测 修复补救措施在材料层次上对各种破坏形式的劣化机理和对策 耐久性测试和评定标准 劣化状态识别等方面取得了丰富成熟的定性分析成果 但在劣化状态对材料性能的影响方面的研究不足 将劣化机理和性能衰变规律有定性分析转变成定量分析存在很大困难 大多数基于材料层次研究成果提出的材料耐久性测试方法和评定标准不适合用作混凝土结构的使用寿命预测和耐久性评价 造成了当前混凝土耐久性研究在材料层次和结构层次的脱节 耐久性研究现状 冻融耐久性1945年Powers 毛细孔水结冰静水压假说 后又与Helmuth一起提出渗透压假说 1975年Fagerlund临界水饱和度理论 很好地解释了混凝土的冻融破坏现象 降低水胶比提高强度和密实性 适当引气 降低饱水程度 选用低吸水率骨料成为提高和保证混凝土抗冻性的重要技术措施 抗冻试验方法 评定标准 耐久性指数 抗冻标号 和技术要求也成为规范性文件 在保障混凝土结构在冻融环境中的耐久性方面发挥了巨大作用 耐久性指数 抗冻标号很难直接用于定量预测混凝土在特定环境中的使用寿命 也很难用于已建工程的耐久性和安全性评价 耐久性指数 抗冻标号仅是评定混凝土配合比是否耐久的指标 主要用于优选混凝土配合比和施工质量控制 其中不包含混凝土随冻融循环作用而出现损伤积累 进而发生材料性能退化的信息 耐久性研究现状 冻融耐久性 普通混凝土冻融过程中相对动弹模与强度特性关系 耐久性研究现状 冻融耐久性 引气混凝土冻融过程中相对动弹模与强度特性关系 北京十三陵抽水蓄能电站上池面板坝 坝高75m 1995年 混凝土抗冻性室内外对比试验结果 十三陵上池面板标准配比 W C0 44 A6 5 混凝土抗冻性室内外对比试验结果 水灰比偏大的配合比 W C0 49 A5 5 耐久性研究现状 钢筋锈蚀由碳化和氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏而造成的经济损失和危害名列首位 针对钢筋锈蚀进行耐久性定量分析和寿命预测也是相对比较系统和全面的 Fick第二定律 纯扩散 Ct x t C0 Cs C0 erfc x 2 Dt 理论上讲 只要知道混凝土表面的氯离子浓度 氯离子在混凝土中的扩散系数 钢筋混凝土的保护层厚度 再确定一个使钢筋脱钝 临界氯离子浓度 的情况下 就可以计算出钢筋开始锈蚀的时间 亦即可以推算和预知混凝土结构的 使用寿命 模型中关键参数取值的科学性以及模型计算结果的可靠性尚不能取得共识和令人信服 氯离子扩散系数 钢筋脱钝 临界氯离子浓度 表面氯离子浓度Fick第二定律未考虑渗透 对流 电迁移过程 水泥水化产物吸附 耐久性研究现状 钢筋锈蚀 基于可靠度的使用年限设计 耐久性预测 极限状态函数 可靠度计算公式 材料劣化模型氯离子渗透深度 运行中结构物混凝土实际劣化的跟踪 数据采集与更新 再评估 再设计重大建筑物的健康诊断 仅仅是保护层起作用 耐久性研究现状有关碱集料反应 硫酸盐侵蚀方面的使用寿命预测模型也已开始研究 但和钢筋锈蚀相比 公开发表的文献资料就显得很少了 耐久性研究现状 碱骨料反应的膨胀受扩散过程 反应过程反应和吸水过程控制 f T t eqNa2O FA H2O Index V 混凝土碱骨料反应的膨胀预测 硫酸盐侵蚀的膨胀预测 图1弯曲应力下混凝土抗硫酸图2SO4 2 80000mg l 图3SO4 2 80000mg l 盐侵蚀试验的加荷架浸泡4个月试验结果20个干湿循环试验结果 荷载和高浓度硫酸盐 80000mg l 联合作用时 将加速混凝土的硫酸盐侵蚀破坏 采用混凝土材料的改性 如采用低水灰比的复合混凝土掺用优质引气剂 采用第三系列水泥 铁铝或硫铝酸盐水泥 和第二系列水泥 高贝利特水泥 可以提高荷载下高浓度硫酸盐作用抗侵能力1 4倍 采用混凝土表面防护技术 如采用纯丙 氯丁以及EVA涂层 可以提高抗侵能力1 6 4 6倍 耐久性研究现状目前世界各国在工程设计和施工中对混凝土工程耐久性的要求和控制仍然采用基于材料层次研究成果和工程实践经验积累形成的 deem to safety 定性经验方法 对于重要的混凝土结构工程已开始使用 预测模型 进行辅助性的定量分析校核 混凝土耐久性研究从定性描述逐步转向 模型 定量或半定量分析已成为主要方向和热点 Model BasedSimulationofDurabilityofMaterialsandStructures ASCE2005 May June基于 deem to safety 定性经验 模型定量分析和计算机数据库集成的混凝土耐久性专家系统应该有较好的发展前景 成果与应用起步于50年代初的治淮工程 修建梅山 佛子岭水库大坝 60年代初进行海港码头混凝土破坏调查和钢筋锈蚀研究 以及青藏线混凝土耐久性野外试验 到90年代 混凝土的耐久性问题才真正受到政府主管部门的高度重视 2000年国务院颁布的第279号令 建设工程质量管理条例 促使各行业部委纷纷出台了针对行业特点的混凝土耐久性规范和技术规定 成果与应用水利部SL211 98水工建筑物抗冰冻设计规范交通部JTJ275 2000海港工程混凝土结构防腐技术规范 中国土木工程学会CCES01 2004混凝土结构耐久性与施工指南铁道部铁建设 2005 157号铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定交通部JTG TB07 01 2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范建设部GB T50476 2008混凝土结构耐久性设计规范水利部SL 水利工程合理使用年限规定 在编 中国电力企业联合会DL 水工混凝土耐久性技术规定 在编 成果与应用近十余年来 我国在若干重大工程的建设中已经充分贯彻了 混凝土耐久性设计 理念 并提升到了 强度设计与耐久性设计并重 强度服从耐久性 的认识高度 代表性工程长江三峡水利枢纽工程穿越 世界屋脊 的青藏铁路跨海大桥南水北调中线工程 应用 低水胶比 高含气量 4 5 5 5 F100 F250 严控总碱量 小于2 5kg m3 长期跟踪AAR 低碱高镁中热水泥高掺优质粉煤灰高效减水与引气低用水量 低坍落度 严格的温度控制 三峡水利枢纽工程 安全运行500年的设想 坝高183m 总库容393亿m3 混凝土方量2700万m3 成果 青藏铁路 全长1180多公里 其中海拔高度大于4000米的路段约965公里 穿越多年冻土地带的路段约550公里 除格尔木和拉萨外 沿线年平均气温为 2 6 极端最高气温为25 极端最低气温为 45 沿线气候干燥 干湿交替频繁 年日正负温天数高达180天左右 冻融作用强烈 一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀危害 对混凝土材料的长期耐久性是严峻挑战 成果 青藏铁路 青藏铁路明确提出高性能混凝土配制原则 水胶比 0 4 抗冻耐久性指数0 6 0 9 电通量 1000库仑 粉煤灰掺量10 15 同时掺入多重效能的复合高效外加剂达到高效减水 早强 防冻 引气 增实 保坍 抗硫酸盐腐蚀和抑制碱硅酸反应膨胀的功效 成果 跨海大桥 东海大桥 32 5km 杭州湾大桥 36km 设计使用寿命100年以氯离子扩散系数为耐久性主要控制指标 采用大掺量掺合料 42 5P 硅酸盐水泥 55 70 矿粉粉煤灰复掺料 和低水胶比 0 4 低氯离子扩散系数 1 5 3 5 10 12m2 s 设置合理保护层厚度 承台水变区90mm 桥墩浪溅区60mm 对特殊部位施加附加防护措施 作为目前对耐久性问题认识不足的储备 环氧涂层钢筋 阴极防护 钢筋阻锈剂 表面防护涂层 安装耐久性检测系统进行长期动态跟踪监测和验证评估 跨海大桥 成果 南水北调 江都 天津1156km 东平湖 威海701km 丹江口 北京团城湖1267km 徐水 天津154km 侧坊 浪多204km 阿达 达曲 贾曲44km 260km 太行 燕山山脉骨料的碱活性 跨江 淮 黄 海四大水系的700余条大小河流 南水北调中线干线工程预防混凝土工程碱骨料反应技术条例 成果 南水北调 技术条例的主要内容 检验规则 碱活性检验 取样 检验方法 程序 评定 组分碱含量检测 抑制有效性判断 工程分类 环境分类 结构类型预防措施混凝土碱含量计算方法工程管理与验收 成果 南水北调 技术条例的主要内容 新的认识人类对复杂事物的研究过程是一个 认识 实践 再认识 再实践 的螺旋式循环上升过程对混凝土耐久性这样一个涉及原材料选用 制备 浇注 养护 多因素环境作用的复杂寿命周期过程的研究也是一个渐进式的螺旋上升过程对混凝土耐久性问题的全新认识和理解 将会对混凝土