混凝土结构耐久性及防护技术研究

第１５卷第３期　石家庄铁道学院学报　

２００２年９月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　ＶＯ１．１５　ＮＯ．３　

Ｓｅｐ．２００２　

钢筋混凝土结构耐久性及裂缝问题研究的现状　

刘庆宽”王楠　王海龙。　

（石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所”　国防交通研究所”　石家庄０５００４３　

石家庄铁路工程职业技术学院土木系”石家庄０５００４１）　

【摘要】阐述了钢筋混凝土结构耐久性研究的现状；从开裂理论、有限元计算和修复等方面　

论述了对裂缝问题的研究，指出了特种混凝土抗裂性能的研究现状。　

【关键词】钢筋混凝土　耐久性　裂缝　，　

【中图分类号】ＴＵ５２８．１　【文献标识码】Ａ　【文章编号］１００６—３２２６（２００２）０３—０００９—０５　

１　引言　

由于混凝土结构是一种抗压强度高而抗拉强度很低的材料，因此在普通钢筋混凝土结构尤其是钢筋　

混凝土梁结构中，结构本身通常是带裂缝工作的。在一般大气情况下，当混凝土结构的裂缝宽度小于规范　

限值时，对结构的承载力和耐久性影响不大；当裂缝扩展到一定程度，将会引起钢筋锈蚀、裂缝处混凝土碳　

化、剥落等一系列的病害，降低结构的承载力和耐久性，对结构的安全构成威胁。由于裂缝的存在，长期荷　

载下的损伤积累曾使铁路桥梁失效［１］、海洋钻井台倒塌倾覆［２］。因此，对既有钢筋混凝土结构耐久性的评　

定与预测的重要性逐渐被人们所认识。在经济上，美国学者用“五倍定律”来说明结构耐久性的重要性：设　

计时，对新建结构在钢筋防护方面每节省１美元，就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施多追加维修费５美　

元，顺筋开裂时多追加维修费２５美元，严重破坏时则多追加维修费１２５美元。这一可怕的放大效应，使得　

各国政府投人大量的资金用于钢筋混凝土结构的耐久性问题的研究［３］。　

对混凝土结构的开裂问题的研究可以追溯到２Ｏ世纪三四十年代，最近几十年受到更广泛的重视。美　

国ＡＣＩ　１４３７委员会于１９９１年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，提出了检测试验的详细方　

提高混凝土结构耐久性的技术措施

混凝土结构的设计寿命要求一般为40~50年，有的要求上百年。而现实中，处于腐蚀环境中的混凝土远远达不到设计寿命要求，有的在15~20年就出现了钢筋锈蚀破坏，甚至不足五年就开始修复。此方面的花费是惊人的，已经是一个重大经济问题。因此，提高混凝土结构耐久性的意义是不言而喻的。

提高混凝土结构耐久性措施主要包括两大类：基本措施和补充措施。基本措施的基本内容是：通过仔细设计与施工，最大限度地提高混凝土本身的耐久性，在使用中保持低渗透性，以限制环境侵蚀介质渗透混凝土，从而预防钢筋锈蚀。

①最大限度地改善混凝土本身性能，是提高混凝土结构耐久性的许多措施中最经济合理的。

（1）结构采用耐久性设计。

（2）提高混凝土保护层厚度和质量。

（3）采用高性能混凝土。

②补充措施是指：环境侵蚀作用特别严重时，或设计、施工不当，单靠上述基本措施还不能保护混凝土结构必要的耐久性时，需要另外增加的其他防护措施。有以下几方面：

（1）采用耐腐蚀钢筋。

（2）对混凝土进行表面处理。

（3）混凝土中掺加阻锈剂。

（4）电化学保护 结构设计

1、结构选型和细部设计

频繁地干温交替会加剧钢筋锈蚀，所以在结构选型和细部设计时，应昼限制混凝土表面、接缝和密封处积水，加强排水，尽量减少受潮和溅湿的表面积。

由于环境侵蚀介质在构件棱角或突出部分可以同时从多方面侵入混凝土，而凹入部分易积存侵蚀介质、应力异常，因此从提高混凝土结构耐久性角度出发，混凝土构件选型应力戒单薄、复杂和多棱角。预计腐蚀破坏严重的构件应便于检测、维护和更换。

2、控制裂缝

不可控制的裂缝包括混凝土塑性收缩、沉降或过载造成的裂缝，常为较宽的裂缝，应针对成因采取措施预防开裂，即使难以预料也应加以引导，使其发生于次要部位或便于处理的位置。

可控制裂缝是靠传统的结构设计知识，按结构几何尺寸与荷载可以合理预防和控制的裂缝。

第３２卷第１７期　２　０　０　６年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣｒＵＲＥ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．１７　Ｓｅｐ．２００６　・５１・　文章编号：１００９—６８２５（２００６　Ｊ１７—００５１—０２　混凝土结构耐久性研究现状与展望　陈大鹏　摘要：从混凝土碳化、氯离子扩散、钢筋锈蚀、混凝土冻融破坏等方面论述了材料层面上混凝土耐久性研究，并从构件和　结构方面综述了相关研究成果，针对目前研究存在的不足进行了展望。　关键词：混凝土，耐久性，碳化，钢筋锈蚀　中图分类号：ＴＵ３７　文献标识码：Ａ　随着城市建设的发展，混凝土结构耐久性问题的日益突出，文　中以材料层次、构件层次、结构层次三方面研究为主线，从混凝土　碳化、氯离子扩散、钢筋锈蚀、混凝土冻融破坏、温湿度变化的影　响、碱骨料反应、锈蚀后的混凝土构件力学性能试验、耐久性评估　理论以及结构寿命预测等多方面综述国内外研究现状。　１材料层次上的耐久性研究　１．１混凝土碳化机理及影响因素的研究　混凝土碳化的研究内容包括碳化机理、影响因素和碳化深度　预测模型等。Ｐａｐａｄａ　等Ｌｌ　Ｊ从分子层次上阐述了碳化机理。　碳化深度预测模型大致可分为两类：一类是基于试验数据或　实际结构的碳化深度实测值，采用数学统计或神经网络等方法拟　合得到的经验模型，如牛荻涛等Ｌ２　Ｊ提出的混凝土碳化的概率模型　以及双系数碳化深度平均值预测模型和碳化深度标准差的预测模　型，袁群等Ｌ３　Ｊ提出的基于随机时间序列法的碳化深度ＡＲＩＭＡ（１，１，　０）预报模型，金伟良等Ｌ４　Ｊ基于函数型神经网络建立的混凝土碳化　深度的预测模型；另一类为基于碳化反应过程的定量分析建立的　理论模型，如阿列克谢耶夫模型、Ｐａｐａｄａｋｉｓ模型、张誉［　ｊ等提出的　混凝土碳化深度实用数学模型。　影响混凝土碳化深度的因素已基本清楚，针对各因素之间的　关系，国内外学者进行了考虑各种因素的数值计算方法研究，并引　入一些非线性建模方法。王恒栋，赵国藩等Ｌ６ｊ利用神经网络方法　建立了混凝土碳化深度与各影响因素的关系，在考虑多因素非线　性影响方面，神经网络方法具有独特的优势，郭院成等［　］运用模糊　数学方法对碳化深度进行观测。屈文俊，车惠民［引，袁群，赵国　藩Ｌ９　Ｊ考虑碳化深度的随机性建立了碳化深度的预测模型，屈文俊，　张誉Ｌｌ　０＿通过有限元方法计算混凝土碳化深度的分布。　Ｂａｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｆａｂｒｉｃａｔｏｒ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００２，Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ．　［３］Ｔｕｍｉａｌａｎ　Ｊ　Ｇ，Ｎａｎｎｉ　Ａ，Ｉｎ—Ｐｌａｎｅ　ａｎｄ　Ｏｕｔ—ｏｆ—Ｐｌａｎｅ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｍａｓｏｎｒｙ　Ｗａｌｌｓ　Ｓｔｒｅｎｇ－ｔｈｅｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＦＲＰ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｒｅｐｏｒｔ　ＣＩＥＳ　０１—２４．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｓｓｏｕｒｉ　Ｒｏｌｌａ，　１．２氯离子（（２１一）扩散机理及影响因素的研究　在众多的钢筋混凝土结构耐久性损失中，ａ一扩散所导致的损　失可以说是居第一位的。Ｙ．Ｍａｓｕｄａ研究了ａ对混凝土的渗透机　理，并考虑了混凝土表面ａ一的随机性，Ｈ＿Ｋ．Ｃｏｏｋ，Ｗ．Ｊ．ＭｃＣｏｙ，　Ｐ．Ｃ．ＬＰｅｔｅｒｓｏｎ等研究化冰盐对桥面的渗透破坏，一般说来，ａ一扩　散符合ＦＩＣＫ第二定律，ａ一在混凝土中的积聚量沿深度方向呈双　曲线分布，影响ａ一扩散速度的因素几乎与混凝土碳化是一样的，　根据暴露试验的结果，ａ浓度随水灰比的降低而明显减少，此外，　混凝土的碳化会使已固定的ａ一水化物发生分解反应，从而增加孔　隙溶液中的游离态ａ。已出现过因混凝土碳化而使混凝土表面　受海水侵蚀的事例。与混凝土碳化速度相比，ａ一的扩散速度比混　凝土的碳化快得多，在ａ的渗透影响单一因素已基本研究清楚的　基础上，也进行了多因素共同作用的研究。　１．３钢筋锈蚀机理及影响因素的研究　钢筋锈蚀是结构耐久性退化的首要原因，钢筋的锈蚀是一电　化学过程，该过程由阳极过程、阴极过程和电子（离子）传导过程　三者组成。混凝土中钢筋的锈蚀控制过程比直接暴露的钢筋复　杂得多，原因是混凝土的包裹使钢筋得以保护或控制锈蚀介质的　直接侵蚀，混凝土是高碱材料，在这种环境下，钢筋表面形成钝化　膜，就象在钢筋表面穿了一层保护外衣，即使有氧和水出现，钢筋　也不会锈蚀，但当这种保护受到破坏时，钢筋便可能腐蚀了。　１．４混凝土冻融破坏的研究　混凝土抗冻性是指混凝土抵抗冻融循环的能力，它是评价严　寒地区混凝土耐久性的重要指标之一。对于混凝土冻融破坏的　研究，现已形成较为完整的基础理论。Ｐｏｗｅｒｓ等人从混凝土的亚　微观人手，分析孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压　［４］Ｔｉｎａｚｚｉ　Ｄ，Ａｒｄｕｉｎｉ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｍａｓｏｎｒｙ　Ｗａｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ＦＲＰ　Ｒｏｄｓ　ａｎｄ　Ｌ　ｎａｔｅｓ．Ｔｈｉｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎＢｒｉｄｇｅｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｏｔ—　ｔａｗａ，Ｃａｎａｄａ，２０００．　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｍａｓｏｎｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｂｙ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　ＸＩＯＮＧ　Ｙｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍａｓｏｎｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｂｙ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｍａｊｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ＆ｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｍａｄｅ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒ—　ｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｓｏｎｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＦＲＰ，ｂｉｎｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　收稿日期：２００６—０３—０６　作者简介：陈大鹏（１９７３一），男，工程师，秦皇岛市第二建筑工程有限公司，河北秦皇岛

cheng

cheng 混凝土结构耐久性研究现状

由于钢筋混凝土结构结合了钢筋抗拉与混凝土抗压的优点，表现出良好的受力性能，成为应用最普遍最广泛的结构形式，近年对水工结构、港工结构、桥梁结构、建筑结构的大量工程调查显示，钢筋混凝土结构表现出了严重的耐久性问题，许多既有钢筋混凝土结构工程往往达不到设计使用年限就需要进行加固修复，其中耐久性的降低是一大影响因素。钢筋混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视。

耐久性是指在确定的环境和维修、使用条件下，构件在设计使用年限内保持适用性、安全性的能力。钢筋混凝土结构在其使用过程中经常会受到各种各样的腐蚀和损伤，降低了构件的耐久性和结构的可靠度，导致工程的实际使用寿命往往短于设计使用年限。

影响耐久性的因素，混凝土的碳化，钢筋锈蚀，混凝土的冻融，碱－骨料反应等。

我国在钢筋混凝土耐久性问题上尚缺少全国性的系统资料,但从一些调查资料和发表的有关文献来看,钢筋混凝土耐久性问题也是极其严重的。中国建筑科学研究院的调查表明,我国现役工业建筑物损坏严重,其结构的使用寿命一般不能保证50年,多数在25-30年左右就必须进行大修或加固。1994年铁路部门的统计表明,我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥2675座,其中的722座发生裂损；仅使用20年的北京西直门立交桥,由于长期在冬季使用化冰盐,部分梁柱锈蚀严重,现己拆除重建。从发达国家所取得的经验来看,钢筋混凝土耐久性问题造成的损失己是惊人的。美国标准局(NBS)1975年的调查表明,美国每年因腐蚀造成的各种损失为700多亿美元,蚀破坏的修复费,1998年度就需要2500亿美元。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀与防护问题和修复已损伤的钢筋混凝土结构,每年耗资将近200亿英镑,而日本引以为自豪的新干线,在运行10年后也出现大面积的混凝土开裂、剥蚀现象,日本运输省曾检查了其103座混凝土港口码头,发现使用20年以上的都有大量的顺筋裂缝,目前日本每年用于房屋结构维修的费用就达400亿日元。