混凝土结构的耐久性评估与预测研究

混凝土结构的耐久性评估与预测研究

一、引言

混凝土结构是现代建筑中最常见的结构之一，但它们可能会因为时间、自然灾害和使用条件等因素而受到损坏。因此，对混凝土结构的耐久性评估和预测成为了建筑领域的研究热点之一。本文将介绍混凝土结构的耐久性评估与预测的研究现状和方法。

二、耐久性评估的概念与方法

1.耐久性评估的概念

混凝土结构的耐久性评估是指通过对结构材料、结构设计和使用条件等方面进行分析和评估，以确定混凝土结构在使用寿命内能否满足设计要求，并且预测结构在未来使用中可能出现的问题。

2.耐久性评估的方法

（1）实验法

利用实验方法可以对混凝土结构的耐久性进行评估。例如，对混凝土的抗压强度、渗透性、碱骨料反应等性能进行测试，从而评估混凝土结构的耐久性。

（2）模拟法

利用计算机模拟技术，对混凝土结构的受力、变形、温度等参数进行模拟，从而评估混凝土结构的耐久性。

（3）现场调查法 通过对混凝土结构进行现场调查，观察结构的表面状况、渗漏情况等，评估混凝土结构的耐久性。

三、耐久性评估的影响因素

1.材料因素

混凝土结构的材料是影响其耐久性的重要因素。例如，水泥的种类和品牌、骨料的种类和粒径、掺合料的种类和掺量等，都会影响混凝土的耐久性。

2.设计因素

混凝土结构的设计也是影响其耐久性的重要因素。例如，结构的形式、结构的尺寸、结构的荷载等，都会影响混凝土结构的耐久性。

3.使用条件因素

混凝土结构的使用条件也是影响其耐久性的重要因素。例如，结构所处环境的温度、湿度、酸碱度等，以及结构的使用方式和使用频率等，都会影响混凝土结构的耐久性。

四、预测混凝土结构寿命的方法

1.基于经验法

利用历史数据和经验公式，预测混凝土结构的寿命。例如，使用经验公式计算混凝土的耐久性指数，从而预测混凝土结构的寿命。

2.基于模型法

利用计算机模拟技术，建立混凝土结构的数学模型，预测结构的寿命。例如，使用有限元分析方法，对混凝土结构进行数值模拟，从而预测结构的寿命。

第11卷第1期中国水运Vol.11No.12011年1月ChinaWaterTransportJanury2011

收稿日期：5

作者简介：邢运峰（

），男，中铁十九局集团第五工程有限公司助理工程师。混凝土结构耐久性设计及寿命预测

邢运峰

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连116100）

摘要：目前，我国现行规范在考虑结构耐久性时，仅考虑耐久性的构造要求部分，并没有考虑抗力随时间变化的

规律。规范规定的设计基准期也是为了给定与时间有关的基本变量如荷载效应所取的基准时间，而并不等同于结构

使用寿命或耐久年限。所以，并不能从设计计算上保证结构在预定时间内的可靠性。混凝土结构的使用寿命受各种

环境条件和材料本身性能的影响，要给出非常详尽的计算在目前还有很多困难。惠云玲根据试验研究分析结果，提

出已有混凝土结构的使用寿命可以按以下方法进行预测。

关键词：结构耐久性概念；耐久性设计；状态评估；寿命预测

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）01-0246-03

一、结构耐久性定义

对于耐久性的定义直接关系到对耐久性研究范围及对象

的界定，是需要首先明确的问题。由于耐久性的影响因素众

多，例如，由于酸、碱、盐侵蚀和碱骨料反应等化学作用、磨损、冲蚀、机械作用、高温和火灾作用以及电化学反应引

起的钢筋锈蚀都会影响混凝土结构的耐久性。加之人们对于

结构耐久性的认识是多种多样的，因此很难给它一个公认准

确的定义。一般认为，混凝土结构耐久性是指混凝土结构及

其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下，在预

期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程，

而不需要花费大量资金维修，也能保持其安全性和适用性的

功能。

上述概念首先明确了耐久性能的核心是结构的寿命问

题，同时明确了耐久性能的优劣是建立在一定的成本考虑的

基础上的。它实际上包含了三个基本要素：①环境：结构处

于某一特定环境（包括自然环境、使用环境）中，并受其侵

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

・　１３２　・　材料导报：综述篇　２０１０年６月（上）第２４卷第６期　

混凝土结构耐久性预估研究进展　

黄煜镔　，钱觉时　，汪宏涛。　

（１重庆大学土木学院，重庆４０００４５；２重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００４５；　３中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系，重庆４０００４１）　、　

摘要　混凝土结构耐久性问题日益重要，在总结结构耐久性评估和剩余寿命预测方法基础上，提出了混凝土　

结构耐久性预估需要解决的一些基本问题，包括失效准则、专家数据库、耐久性指数和全寿命周期分析，认为混凝土　结构耐久性研究应充分考虑材料发展，并且混凝土材料的渗透模型或ｃｌ一扩散模型是关键问题，强调急需建立耐久　

性设计方法。　关键词　混凝土结构耐久性评估剩余寿命材料　

中图分类号：ＴＵ５２８；ＴＵ３７５　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｌｉｆｅ　

Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　

ＨＵＡＮＧ　Ｙｕｂｉｎ　，ＱＩＡＮ　Ｊｕｅｓｈｉ　，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇｔａｏ。　

（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４５；２　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４５；３　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｌｏｇｉｓｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ