第第9 9章章 钢筋混凝土构件的变形、裂缝钢筋混凝土构件的变形、裂缝及混凝土结构的耐久性及混凝土结构的耐久性第一节：概述第二节：钢筋混凝土构件裂缝宽度验算 第三节：钢筋混凝土受弯构件的挠度验算 第四节：混凝土结构的耐久性 91 概述 安全性适用性耐久性结构功能承载力极限状态正常使用极限状态本章主要讲述的是正常使用极限状态安全性 是结构在设计使用期限内，应能承受正常施工、正常使用时可能出现的各种作用。在作用（如地震）或偶然事件（如爆炸）发生时及发生后，结构能保持整体稳定，不致发生连续倒塌。 安全性是通过承载力的计算和构造措施来保证的，前面几章对拉、压、弯、剪、扭及其复合受力状态的承载力计算公式和相应的构造措施做了系统介绍。 拉弯压剪扭简单受力状态偏心受拉偏心受压复合受力状态剪扭弯扭弯剪扭压弯剪扭适用性 结构的适用性是通过正常使用极限状态的验算来满足的，包括裂缝和变形的验算。通过计算使裂缝宽度和变形不超过规范规定的限值。 是结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能，如不产生影响使用的过大挠度或振幅，不产生让使用者感到不安的裂缝等。结构构件不满足正常使用极限状态的危害性要小，其相应的可靠指标值相对要求较小，故裂缝宽度及变形的计算时采用荷载标准值和材料强度的标准值。为了方便，验算裂缝宽度及变形时，只按荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响进行计算。 构件的变形及裂缝宽度都随时间而增大，对于正常使用极限状态，应按荷载效应的标准组合及准永久组合分别加以验算。 耐久性 结构在所处的工作环境中，在设计使用年限内，在正常维护条件下不需要进行大修就能完成预定功能的能力。如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。耐久性是通过满足耐久性规定与规范限值(如混凝土保护层最小厚度、最低混凝土强度等级等)实现的。混凝土结构应根据使用环境类别和设计使用年限进行耐久性设计。 92 钢筋混凝土构件裂缝宽度验算 裂缝裂缝微观裂缝宏观裂缝变形引起的裂缝荷载引起的裂缝裂缝宽度验算主要指的是荷载引起的裂缝裂缝宽度 是指受拉钢筋重心水平处构件侧表面上的混凝土的裂缝宽度。试验量测表明，沿裂缝深度，裂缝宽度是不相等的，由于受到钢筋的约束，近钢筋处回缩变形小，构件表面处回缩大 裂缝特点 1在使用荷载作用下，对于工作在正常使用阶段的受弯构件来讲，处于受弯全过程的第阶段，此时:裂缝基本“出齐”，即裂缝的分布处于稳定状态。由于材料的不均匀性以及截面尺寸的偏差等因素的影响，裂缝的出现具有某种程度的偶然性，因而裂缝出现的间距和宽度是不均匀的。平均裂缝间距和平均裂缝宽度是有规律性的，平均裂缝宽度与最大裂缝宽度之间也具有一定的规律性。 2当荷载长期作用 由于混凝土的滑移徐变和拉应力的松驰，将导致裂缝间受拉混凝土不断退出工作，使裂缝开展宽度增大；混凝土的收缩使裂缝间混凝土的长度缩短，这也会引起裂缝的进一步开展。 裂缝控制等级 结构构件正截面的裂缝控制分为三级。裂缝控制等级的划分应符合下列规定：一级 严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；二级 一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜产生拉应力；三级 允许出现裂缝的构件，按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度不应超过表4-3规定的最大裂缝宽度限值。 对于预应力混凝土结构构件，处于一类环境时，可允许开裂，应进行最大裂缝宽度的验算；处于二、三类环境时，不允许出现裂缝，应分别以二级及一级裂缝控制等级验算； 钢筋混凝土构件的裂缝控制等级均为三级，即钢筋混凝土构件均需进行裂缝宽度验算予以保证。 平均裂缝间距 裂缝出现后，开裂截面混凝土向裂缝两侧回缩，在回缩的那一段长度l中，混凝土与钢筋之间有相对滑移，产生粘结应力。通过粘结应力的作用，随着离裂缝截面距离的增大，钢筋拉应力逐渐减小；混凝土拉应力由零逐渐增大，距离裂缝l处，粘结应力消失图(9-2(c)，混凝土和钢筋又具有相同的拉伸应变，各自的应力又趋于均匀分布。 平均裂缝间距 令乘以乘以1.51.5 混凝土和钢筋间的u、 cr、 ，均与混凝土抗拉强度基本成正比例关系，故可取ft/ m为常数。 平均裂缝间距与混凝土保护层有一定关系。应适当考虑混凝土保护层厚度的影响。 钢筋表面特征同样影响平均裂缝间距，对此可用钢筋的等效直径deq代替d。 当混凝土保护层厚度c不大于65mm时，对配置带肋钢筋混凝土构件的平均裂缝间距可按下列公式计算 平均裂缝宽度 裂缝宽度为裂缝出现后钢筋与外围混凝土在裂缝间距之间的相对滑移总和。故wm等于平均裂缝间距内钢筋与相应水平处构件侧表面混凝土伸长的差值 设裂缝间纵向受拉钢筋的拉应变不均匀系数为，在荷载效应的标准组合下，钢筋并未达到屈服，采用其弹性模量。令 分析表明，c与配筋率te、混凝土保护层厚度c等有关，但变化幅度不大。为简化计算，对轴心受拉、受弯及偏心受力构件，可统一取c=0.85。 裂缝处的钢筋应力 轴心受拉构件 矩形、T形、倒T形和I形截面偏心受拉构件 大小偏心受拉构件的sk计算可统一由下式表达 受弯构件 为了简化计算，对矩形、T形和I形截面受弯构件 对受压区合力点取矩，得 矩形、T形、倒T形和I形截面偏心受压构件 对于偏心受压构件，的计算较为复杂，为简便起见，近似地取 f受压翼缘增强系数，等于受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值 对受压区合力点取矩，得 e轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离 偏心构件的的l0/h14时，还需考虑侧向挠度的影响，引入偏心距增大系数s，可近似地取： 最大裂缝宽度及其验算 确定最大裂缝宽度的方法 裂缝间距和裂缝宽度的分散性比较大，在构件中的最大裂缝宽度要比平均裂缝宽度大得多。wmax,s可由平均裂缝宽度乘以s求得。 长期荷载作用下，受拉区混凝土将产生收缩、滑移徐变，受压区混凝土也将产生徐变，因此，裂缝宽度亦将不断增大。wmax可由wmax,s乘以l求得，l=1.5。 最大裂缝宽度在概率下的含义是具有95%保证率的相对最大裂缝宽度。 最大裂缝宽度的计算 综合参数c、s、l、的影响，引入构件受力特征系数cr=csl表示。规范规定对矩形、T形、倒T形和I形截面的受拉、受弯和偏心受压构件，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度可按下列公式计算 te按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向钢筋配筋率；当te0.01，取te=0.01 矩形截面及T形截面 倒T形截面 此处应特别注意，T形截面和倒T形截面的受拉区是不同的。 最大裂缝宽度限值 (1)外观要求:从外观要求考虑，裂缝过宽将给人以不安全感，同时也影响对结构质量的评价。 (2)耐久性要求:裂缝对结构的耐久性是非常不利的。直接受雨淋的构件，无围护结构的房屋中经常受雨淋的构件，经常受蒸汽或凝结水作用的室内构件(如浴室等)，以及与土壤直接接触的构件(如基础等)，都具备钢筋锈蚀的必要和充分条件，因而都应严格限制裂缝宽度。 处于室内正常环境，因缺少锈蚀的充分条件，不至锈蚀或虽有轻微锈蚀但不会影响承载力，因此裂缝宽度限值可放宽些。不过，这时还应按构件的工作条件加以区分。例如，屋架、托架等主要屋面承重结构构件，以及需作疲劳验算的吊车梁等构件，均应从严控制裂缝宽度(见表9-1)。最大裂缝宽度验算 应满足： 对于直接承受吊车荷载但不需作疲劳验算的吊车梁,可将计算出的最大裂缝宽度乘以系数0.85。 对于由荷载以外诸因素引起的裂缝，都不包括在内。 对e0/h00.55的偏心受压构件 ，均能符合wlim的要求，规定不必验算。对于斜裂缝宽度，当配置受剪承载力所需的腹筋后，使用阶段的裂缝宽度一般小于0.2mm，故不必验算。最大裂缝宽度均系指受拉钢筋截面重心水平处的构件侧表面裂缝宽度。93钢筋混凝土受弯构件的挠度验算 截面抗弯刚度的概念 由材料力学知，匀质弹性材料梁的跨中挠度可以表示为 或在材料力学中，当梁的截面形状、尺寸和材料已知时，梁的截面抗弯刚度EI是常数。在钢筋混凝土受弯构件中，由于混凝土的裂缝和塑性变形影响，其刚度是变化的。由EI=M/知，截面抗弯刚度就是使截面产生单位曲率需要施加的弯矩值。混凝土受弯构件的刚度等于弯矩M和曲率的比值。 在使用荷载作用下，处于带裂缝工作状态。由于钢筋混凝土是不匀质的非弹性材料，从图9-8中可以看出，该阶段,M与间为非线性关系，即曲率比M增加的快。故刚度随M增大而降低。而且沿构件的截面抗弯刚度也是不均匀分布的。此时，构件截面短期刚度与用材料力学弹性体公式表达的抗弯刚度EI已大不相同。 荷载长期作用时，由于受压混凝土的徐变和收缩，使混凝土的压应变随时间的增长而增大；裂缝间受拉区混凝土的应力松弛，受拉区混凝土与钢筋之间的粘结滑移徐变，裂缝向上延伸，导致受拉混凝土随时间不断退出工作，钢筋拉应变随时间增大，构件的挠度也就不断地增长，也就是说，截面的刚度将随荷载的长期作用而降低。验算变形时，应按荷载效应的标准组合并考虑长期作用的影响计算。用长期刚度B代替，可得钢筋混凝土简支梁跨中挠度验算公式 荷载效应的标准组合作用下受弯构件的截面抗弯刚度，简称为短期刚度，记作Bs。 短期刚度 混凝土结构设计中，用到截面抗弯刚度的有两种情况。是指预应力混凝土受弯构件，它包括要求不出现裂缝的构件(可近似地把混凝土开裂前的M-曲线视为直线， 是指带裂缝工作的钢筋混凝土受弯构件。此处主要讲述钢筋混凝土受弯构件的截面抗弯刚度。 构件出现裂缝后，沿构件轴长，其受拉钢筋及受压混凝土的应变分布是不均匀的，在裂缝截面处最大，裂缝间为曲线变化(图)。钢筋混凝土受弯构件Bs计算公式的建立 截面刚度则是裂缝截面处最小，裂缝中间截面处最大。这种各截面刚度的不均匀分布给挠度计算带来了困难。此中的关键是得出平均曲率的表达式 由于构件的挠度是反映沿构件跨长变形的综合效应，因此，可以通过平均刚度加以表征。截面抗弯刚度是使截面产生单位曲率需要施加的弯矩值，利用平均曲率有 几何关系在平均裂缝间距内，各水平纤维的平均应变沿梁截面高度的变化符合平截面假定 OABCDE： 平均曲率的表达式！的表达式？物理关系工作在第阶段的受弯构件，钢筋采用钢筋的弹性模量，而混凝土采用其变形模量。 钢筋应变：裂缝处的表达式！混凝土应变：平均裂缝间距内钢筋：混凝土：引入应变不均匀系数平衡关系对受压区合力点取矩，得 裂缝处受拉钢筋的重心取矩，得受压面积为bx0=0bh0 ，平均压应力ck 为了简化计算，令 短期刚度Bs的一般表达式 取取 参数的讨论 裂缝截面处内力臂系数 h0是纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离，是内力臂系数。 式中，Mk、Es、h0、As为已知值，sk可根据变形量测求得，因此，值即可算出。前面讲过，为了简化计算，对矩形、T形和I形截面受弯构件 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 系数=sm/sk。随着荷载的增大，sm与sk间的差距逐渐减小，亦即值逐渐变大，而此时混凝土参与工作的程度越小。反之值越小，混凝土参与工作的程度越大；如果=1，裂缝间受拉混凝土全部退出工作。系数的物理意义就是反映裂缝间受拉混凝土对纵向受拉钢筋应变的影响程度。 系数反映了裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀的程度，值越小，应变越不均匀；反之，值越大，应变越均匀；当=1时，应变完全均匀；当然值不可能大于1。 的大小还与te有关。当te较小时，说明参与受拉的混凝土相对面积大些，对纵向受拉钢筋应变的影响程度也相应大些，因而就小些。从受力角度看，所受弯矩越大，构件开裂越严重，刚度Bs越低，其影响实际隐含在中，若其他条件相同，Mk增大时sk亦增大，因而增大，Bs则相应的减小。 值还受到截面尺寸的影响，即随截面高度的增加而增大。采用一个综合的系数以代替多个分离的系数，便于通过试验直接验证。 受压区边缘混凝土综合影响系数 如果是T形截面， 还与受压翼缘面积有关，其影响用受压翼缘加强系数 f表示 受弯构件刚度B 计算挠度时必须采用按荷载效应的标准组合并考虑荷载效应的长期作用影响的长期刚度B。 对翼缘位于受拉区的倒T形截面，规范建议应增大20%。 最小刚度原则 “最小刚度原则”就是在简支梁全跨长范围内，按最小的截面抗弯刚度，计算挠度。当构件上存在正、负弯矩时，可分别取同号弯矩区段内Mmax处截面的最小刚度计算挠度。 挠度验算 采用最小刚度作为本段刚度，使结果偏大；材料力学的挠度公式，未计剪跨段的剪切变形，和斜裂缝的不利影响，使挠度计算值偏小。一个偏大，一个偏小，大致可以相互抵消，误差不大。 (1) 保证建筑的使用功能要求 混凝土构件的变形限值 (2) 防止对非结构构件产生不良影响 (3) 保证人们的感觉在可接受的程度之内 吊车梁的挠度过大会妨碍吊车的正常运行；楼板挠度过大会影响精密仪表的使用；屋面构件和挑檐的挠度过大会造成积水和渗漏等。 防止结构构件变形过大会使门窗等活动部件不能正常开关，防止非结构构件如隔墙及天花板的开裂、压碎或其它形式的损坏等。 防止厚度较小或跨度太大的单块板站上人后产生过大的颤动或明显下垂引起的不安全感。防止在可变引起的振动对人的不良感觉等。 表中l0为构件的计算跨度 ,计算悬臂构件的挠度限值时，其计算跨度l0按实际悬臂长度的2倍取用。 表中括号内数值适用于使用上对挠度有较高要求的构件 对于简支梁，跨间为同号弯矩，可采用材料力学公式计算。对于连续梁或框架梁，其跨间弯矩变号，可按弹性结构力学方法计算 Bs对挠度的影响 如果挠度验算不符合要求，可增大截面高度或减小构件跨度，选择合适的配筋率。同时选择合适的水灰比和水泥用量等因素 配筋率的影响 选择合适的配筋率 截面形状的影响 受拉翼缘 受压翼缘都会使B s有所增大。 混凝土强度等级的影响 提高Bs的作用不大。 截面有效高度h0的影响 提高Bs的作用不大。 B对挠度的影响 跨度l0对挠度的影响 凡是影响混凝土徐变和收缩的因素都将导致刚度的降低，挠度将增大。 l0越大，f越大。选定足够的截面高度或较小的跨高比l0/h 11. 混凝土结构的耐久性93混凝土结构的耐久性混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的足在规定的设计工作寿命设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减小、内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。耐久性耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功下，不需要进行大修和加固满足，而满足正常使用和安全功能要求的能力。能要求的能力。对于一般建筑结构，设计工作寿命为对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年年，重要的建筑物可，重要的建筑物可取取100年年。近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。年以上。混凝土结构使用寿命混凝土结构使用寿命 无损伤无损伤劣化开始，可修补毁坏毁坏,废弃废弃11. 混凝土结构的耐久性碳化一、影响混凝土结构耐久性的因素内部因素：内部因素： 混凝土强度混凝土强度 渗透性渗透性 保护层厚度保护层厚度 水泥品种水泥品种 标号和用量标号和用量 外加济等外加济等外部因素：外部因素： 环境温度环境温度 湿度湿度 CO2含量含量 侵蚀性介质等侵蚀性介质等11. 混凝土结构的耐久性1、混凝土的冻融破坏、混凝土的冻融破坏 混混凝凝土土水水化化结结硬硬后后，内内部部有有很很多多毛毛细细孔孔。在在浇浇筑筑混混凝凝土土时时，为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。为得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多些。 多多余余的的水水份份滞滞留留在在混混凝凝土土毛毛细细孔孔中中。低低温温时时水水份份因因结结冰冰产产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。 反反复复冻冻融融多多次次，就就会会使使混混凝凝土土的的损损伤伤累累积积达达到到一一定定程程度度而而引起结构破坏。引起结构破坏。 防防止止混混凝凝土土冻冻融融破破坏坏的的主主要要措措施施是是降降低低水水灰灰比比，减减少少混混凝凝土中多余的水份土中多余的水份。 冬冬季季施施工工时时，应应加加强强养养护护，防防止止早早期期受受冻冻，并并掺掺入入防防冻冻剂剂等。等。11. 混凝土结构的耐久性2、混凝土的碱集料反应、混凝土的碱集料反应 混混凝凝土土集集料料中中的的某某些些活活性性矿矿物物与与混混凝凝土土微微孔孔中中的的碱碱性性溶溶液液产生化学反应称为碱集料反应。产生化学反应称为碱集料反应。 碱碱集集料料反反应应产产生生的的碱碱-硅硅酸酸盐盐凝凝胶胶，吸吸水水后后会会产产生生膨膨胀胀，体体积积可可增增大大34倍倍，从从而而混混凝凝土土的的剥剥落落、开开裂裂、强强度度降降低低，甚甚至导致破坏。至导致破坏。 引起碱集料反应有三个条件引起碱集料反应有三个条件：混混凝凝土土的的凝凝胶胶中中有有碱碱性性物物质质。这这种种碱碱性性物物质质主主要要来来自自于于水水泥泥，若若水水泥泥中中的的含含碱碱量量（Na2O，K2O）大大于于0.6%以以上上时时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨骨料料中中有有活活性性骨骨料料，如如蛋蛋白白石石、黑黑硅硅石石、燧燧石石、玻玻璃璃质质火火山石、安山石等含山石、安山石等含SiO2的骨料；的骨料；水水分分。碱碱骨骨料料反反应应的的充充分分条条件件是是有有水水分分，在在干干燥燥环环境境下下很很难发生碱骨料反应。难发生碱骨料反应。11. 混凝土结构的耐久性3、侵蚀性介质的腐蚀、侵蚀性介质的腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙氢氧化钙及水化铝酸及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。中也存在。当硫酸盐的浓度（以当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到的含量表示）达到2时，时，就会产生严重的腐蚀。就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀酸腐蚀：混凝土是碱性材料，：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质遇到酸性物质会产生化学反应，会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。作用。海水腐蚀海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，等成分，尤其是尤其是Cl- -和和硫酸镁硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于受到干湿的物理作用，也有利于Cl- -和和SO4的渗入，极易造成钢的渗入，极易造成钢筋锈蚀。筋锈蚀。11. 混凝土结构的耐久性4、混凝土的碳化、混凝土的碳化 混凝土中碱性物质混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。 但由于大气中的二氧化碳（但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发）与混凝土中的碱性物质发生反应，生反应，使混凝土的使混凝土的Ph值降低值降低。其他物质，如。其他物质，如SO2、H2S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。值降低，这就是混凝土的碳化。 当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。收缩，可导致混凝土的开裂。 因此，因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。 混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与化，所需要的时间与碳化速度碳化速度、混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度、混凝混凝土密实性土密实性以及以及覆盖层情况覆盖层情况等因素有关。等因素有关。11. 混凝土结构的耐久性1 环境因素环境因素 碳化速度主要取决于空气中的碳化速度主要取决于空气中的CO2浓度浓度和向混凝土中的和向混凝土中的扩散扩散速度速度。空气中的。空气中的CO2浓度大，混凝土内外浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈浓度梯度也愈大，因而大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。 空气湿度空气湿度和和温度温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反应要产生水份向外扩散，应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢湿度越大，水份扩散越慢。当空。当空气相对湿度大于气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。扩散，使碳化反应大大降低。 而在极干燥环境下而在极干燥环境下，空气中的，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。水中，碳化反应也无法进行。 试验表明，当混凝土周围介质的试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为相对湿度为50%75%时时，混凝土碳化速度最快混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。向混凝土内的扩散速度也越快。11. 混凝土结构的耐久性2 材料因素材料因素 水水泥泥是是混混凝凝土土中中最最活活跃跃的的成成分分，其其品品种种和和用用量量决决定定了了单单位位体体积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。积中可碳化物质的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。 单单位位体体积积中中水水泥泥的的用用量量越越多多，会会提提高高混混凝凝土土的的强强度度，又又会会提提高混凝土的抗碳化性能。高混凝土的抗碳化性能。 水水灰灰比比也也是是影影响响碳碳化化的的主主要要因因素素。在在水水泥泥用用量量不不变变的的条条件件下下，水水灰灰比比越越大大，混混凝凝土土内内部部的的孔孔隙隙率率也也越越大大，密密实实性性就就越越差差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。 水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。水灰比大会使混凝土孔隙中游离水增多，有利于碳化反应。 混凝土中混凝土中外加掺合料和骨料品种外加掺合料和骨料品种对碳化也有一定的影响。对碳化也有一定的影响。11. 混凝土结构的耐久性3 施工养护条件施工养护条件混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性密实性，因而对碳，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度水泥的水化程度有影有影响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高响，进而影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。混凝土的抗碳化性能十分重要。4 覆盖层覆盖层不同饰面材料的碳化深度比11. 混凝土结构的耐久性5、钢筋锈蚀、钢筋锈蚀钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。11. 混凝土结构的耐久性 当混凝土未碳化时当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。 当混凝土被碳化当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。 钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加），体积比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。加快发展。 氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能锈蚀提供了可能。 当构件使用环境很干燥（湿度当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。 而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。凝土的碳化形成立体发展。11. 混凝土结构的耐久性 但近年来的研究发现，但近年来的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。，也只是在裂缝处产生锈点。 这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度密实度。 裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。 因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的的密实性密实性和混凝土的和混凝土的保护层厚度保护层厚度。11. 混凝土结构的耐久性钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时向裂，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护，甚至导致混凝土保护层脱落，习称层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。引起结构破坏。11. 混凝土结构的耐久性钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时向裂，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护，甚至导致混凝土保护层脱落，习称层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。引起结构破坏。面积减小屈服强度降低粘结力降低11. 混凝土结构的耐久性钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的大处发生个别点的“坑蚀坑蚀”，继而逐渐形成，继而逐渐形成“环蚀环蚀”，同时向裂，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护，甚至导致混凝土保护层脱落，习称层脱落，习称“暴筋暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。引起结构破坏。除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面涂面层层、钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂、涂层钢筋涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈等措施来防止钢筋的锈蚀。蚀。11. 混凝土结构的耐久性二、结构工作环境类别混凝土结构的耐久性与结构工作的混凝土结构的耐久性与结构工作的环境环境有密切关系。有密切关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。对于不同环境对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。如在恶劣环境如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。不一定好。可在构件表面采用防护涂层。11. 混凝土结构的耐久性三、耐久性极限状态与耐久性设计 混凝土结构的耐久性极限状态混凝土结构的耐久性极限状态，是指经过一定使用年限后，是指经过一定使用年限后，结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构结构或结构某一部分达到或超过某种特定状态，以致结构不能满足预定功能的要求。不能满足预定功能的要求。 但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情但经过简单修补、维修，费用不大，可恢复使用要求的情况，可以认为没有达到耐久性极限状态。况，可以认为没有达到耐久性极限状态。 只有当严重超出正常维修费允许范围时，结构的使用寿命只有当严重超出正常维修费允许范围时，结构的使用寿命才终止。才终止。11. 混凝土结构的耐久性三、耐久性极限状态与耐久性设计1 对于不允许钢筋锈蚀的构件和环境，混凝土保护层完全碳对于不允许钢筋锈蚀的构件和环境，混凝土保护层完全碳化，即化，即钢筋脱钝的时间钢筋脱钝的时间T1。不允许钢筋锈蚀的构件和环境有：预应力混凝土构件；低温不允许钢筋锈蚀的构件和环境有：预应力混凝土构件；低温环境；反复荷载作用；塑性铰区；采用钢丝作主要受力钢筋环境；反复荷载作用；塑性铰区；采用钢丝作主要受力钢筋的构件；重要的、有纪念性的建筑物。的构件；重要的、有纪念性的建筑物。2 钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值钢筋锈蚀后截面损失率达到某一值T2 ，如，如15%，可依耐，可依耐久性等级而定。久性等级而定。该极限状态可为一般混凝土结构采用，因为钢筋从脱钝到丧该极限状态可为一般混凝土结构采用，因为钢筋从脱钝到丧失承载力还有相当长的时间，钢筋截面损失失承载力还有相当长的时间，钢筋截面损失15%对结构承载对结构承载力的影响还不是很严重。力的影响还不是很严重。11. 混凝土结构的耐久性3 结构或构件的可靠指标降低到某一允许值结构或构件的可靠指标降低到某一允许值T3。随着时间的推移，因荷载的作用、环境变化引起的材料老化、随着时间的推移，因荷载的作用、环境变化引起的材料老化、损伤，结构材料的性能逐渐下降，结构可靠度随时间逐渐降损伤，结构材料的性能逐渐下降，结构可靠度随时间逐渐降低，失效概率逐渐增大。低，失效概率逐渐增大。当可靠指标降低到不可接受的程度时，则认为达到了耐久性当可靠指标降低到不可接受的程度时，则认为达到了耐久性极限状态。极限状态。但结构经过维修，其可靠度将提高。但结构经过维修，其可靠度将提高。4 徐变位移达到某一限值徐变位移达到某一限值。徐变是混凝土的一项性质，有些结构甚至是重大结构因徐变徐变是混凝土的一项性质，有些结构甚至是重大结构因徐变过大而发生破坏，这也可认为是一种耐久性破坏。过大而发生破坏，这也可认为是一种耐久性破坏。11. 混凝土结构的耐久性 对结构寿命的计算还是一个很困难的问题，目前主要对基对结构寿命的计算还是一个很困难的问题，目前主要对基于混凝土碳化和钢筋锈蚀所需要时间的计算。于混凝土碳化和钢筋锈蚀所需要时间的计算。 T1为混凝土保护层完全碳化所需要的时间，为混凝土保护层完全碳化所需要的时间，若不容许钢筋若不容许钢筋锈蚀锈蚀，则，则T1即为结构寿命即为结构寿命； 若允许钢筋有一定量的锈蚀若允许钢筋有一定量的锈蚀，则可取开始出现沿钢筋产生，则可取开始出现沿钢筋产生纵向裂缝的时间纵向裂缝的时间T1+T2作为结构寿命作为结构寿命； 若允许结构承载力开始下降若允许结构承载力开始下降，则可取结构寿命则可取结构寿命T1+T2+T3。11. 混凝土结构的耐久性四、保证耐久性的措施1 最小保护层厚度最小保护层厚度： 为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命建筑结构（设计工作寿命50年），年），规范规范规定了最小混规定了最小混凝土保护层厚度。凝土保护层厚度。 对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。 当对结构设计工作寿命有更高要求时（当对结构设计工作寿命有更高要求时（100年），混凝土保年），混凝土保护层厚度应将表护层厚度应将表5-1的数值乘以的数值乘以1.4或采用表面防护，定期维或采用表面防护，定期维修等措施。修等措施。2 混凝土的要求混凝土的要求： 耐久性的另一个重要方面是耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性混凝土密实性，因为密实性好，因为密实性好对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。 提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。 若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。若混凝土种氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。11. 混凝土结构的耐久性11. 混凝土结构的耐久性3 裂缝控制裂缝控制：裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开：裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂缝始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂缝进行控制。进行控制。规范规范根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对腐蚀的敏感性，以及荷载作用时间，将裂缝控制分为三个等级：腐蚀的敏感性，以及荷载作用时间，将裂缝控制分为三个等级：一级：一级：严格要求不出现裂缝的构件严格要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。二级：二级：一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件；按荷载标准组合计算时，；按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，有可靠经验时可适当放松；有可靠经验时可适当放松；三级：三级：允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件；按荷载标准组合并考虑长期作用；按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足表影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足表11-6规定的限值。规定的限值。11. 混凝土结构的耐久性4 其他措施其他措施 对于结构中使用环境较差的构件，对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更宜设计成可更换或易更换的构件。换的构件。 对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧环氧涂层钢筋涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。，预应力钢筋应有防护措施。 采用有利提高耐久性的采用有利提高耐久性的高强混凝土高强混凝土。