混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展_金伟良

文章编号:1000-6869(2007)01-0007-07

混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展

金伟良,吕清芳,赵羽习,干伟忠

(浙江大学结构工程研究所,浙江杭州310027)

摘要:由混凝土结构耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土结构耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合结构

全生命周期成本(SLCC )的理念;其次总结了结构耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,认为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映结构使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。关键词:混凝土结构;耐久性;结构全生命周期成本(SLCC );综述中图分类号:TU375 文献标识码:A

Research progress on the durability design and life prediction

of concrete structures

JI N W eiliang ,L Qingfang ,ZHAO Yuxi ,GAN Weizhong

(Department of Civil Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )

A bstract :This paper starts with the definition of concrete -str uctural durability .Then it pr esents that durability design method

should be combined with the theor y of Structural Life -Cycle Cost (SLCC )based on the surve y of the recent durability design theories .Moreover ,the current situation of evaluation and life prediction of durable concrete str uctures are summarized ,which makes it necessar y to determine a durability index reflecting service life and a dynamic life -assessment system .Last ,several basic problems in this domain ar e brought forth ,including definition of durability limit state for c oncrete structures under given environmental condition and usage r equirement ,deter mination of indexes and parameters representing the durability characters of materials as well as structures and establishment of theory for analysis of durability dynamic detection data .Keywords :concrete structure ;durability ;structural life -c ycle cost (SLC C );summar y

基金项目:国家自然科学基金重点项目“氯盐侵蚀环境的混凝

土结构耐久性设计与评估基础理论研究”(50538070)

资助。

作者简介:金伟良(1961—　),男,浙江大学结构工程研究所所

长,教授。

收稿日期:2006年8月

0　概述

混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点,使混凝土

结构不可避免地存在耐久性问题。自混凝土结构问世

以来,大量的混凝土结构提前失效大多源于混凝土结构耐久性的不足。当前欧美等发达国家每年用于已有

工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1/2以上。我国在役以混凝土为主体的结构在数量上居于绝对支配地位,混凝土结构耐久性问题更加突出,存在着“南锈北冻”的耐久性破坏特征。《中国腐蚀调查报告》[1]指出,建筑部门的腐蚀年损失约为1000亿人民币,其经济损失以及对社会安定性的冲击力之大不言而喻。

随着我国东部地区经济的持续增长和西部大开发发展战略的实施,我国正以前所未有的巨大投资进行

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第28卷第1期建　筑　结　构　学　报

Vol .28,No .12007年2月

Journal of Building Structures

Feb .2007

DOI :10.14006/j .jzjgxb .2007.01.002

着空前规模的基础设施建设,很多投资上亿的混凝土工程正在酝酿、设计或建设之中,这次建设高潮将持续一、二十年。然而,海洋气候等恶劣环境中重大混凝土结构的耐久性问题在理论上尚未完善解决,工程寿命能否达到设计要求,仍是相当严峻的现实问题。这个问题如果不给予足够重视,就会犯下难以弥补的过错,将会严重阻碍我国经济的持续高速发展,给国家和社会造成巨大的经济损失。

在我国大兴土木的同时,潜在的风险也必须被重视:一方面,兴建混凝土工程消耗着大量能源与资源;另一方面,大量的混凝土工程由于耐久性劣化而产生巨额维护费用,提前退出服役的混凝土结构则产生大量的难以回收和处理的建筑垃圾。这些情况都有悖于可持续发展的基本国策。因此,提高混凝土结构的耐久性,延长混凝土结构的寿命,是个不容回避、必须高度重视的问题。

正因为混凝土结构耐久性问题的重要性,近年来世界各国都越来越重视研究混凝土结构的耐久性,众多的研究者从环境、材料、构件和结构等不同层面展开了研究,取得了系列研究成果,其中以材料层面的成果最为显著[2-10],构件层面也积累了较多的试验、测试和理论研究的成果[11-31]。

由于影响混凝土结构耐久性的因素众多,作用机理复杂,就目前所取得的研究成果而言,要真正运用于实际工程,实现混凝土结构全生命周期耐久性设计和寿命预测的要求,还有一定距离。下面将介绍混凝土结构层面耐久性研究的研究进展和发展趋势。

1　混凝土结构耐久性定义

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[43]。

这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素[32]:(1)环境:结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中,并受其侵蚀作用;(2)功能:结构的耐久性是一个结构多种功能(安全性、适用性等)与使用时间相关联的多维函数;(3)经济:结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用,根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验,可将混凝土结构的工作环境分成6大类[33]:①大气环境;②土壤环境;③海洋环境;④受环境水影响的环境;⑤化学物质侵蚀环境;⑥特殊工作环境。同时,结构耐久性是结构的综合性能,既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等,反映了结构性能随时间的变化,这样就不可简单地把耐久性归入为承载能力状态或正常使用状态[4-5,9]。而耐久性的经济性则体现在以较小的维修成本达到维持混凝土结构基本功能的要求,若业主要求延长结构使用寿命时则需适当的维修成本就可达到其目的。

混凝土结构产生耐久性失效,是指由于在环境作用下,混凝土或钢筋的材料物理、化学性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件外观变化,不能满足正常使用的要求,导致承载能力退化,最终影响整个结构的安全。因此,混凝土结构的耐久性失效应考虑以下几个方面[32]:(1)结构外观或表面破损已不能满足正常使用或美学要求;(2)钢筋锈蚀或结构破损已导致结构承载力下降到不能允许的程度;(3)对结构进一步维修在技术上或经济上已经不可行。

应当看到:混凝土结构耐久性的失效过程包含在混凝土结构的建造、使用和老化的结构全生命过程,以及与结构全生命过程相对应的结构设计、施工和维护的各个环节。

2　混凝土结构耐久性设计

在混凝土结构耐久性研究过程中,混凝土结构耐久性设计的思想也不断地被尝试引入结构设计和工程实践中,1989年欧洲出版了《CEB耐久混凝土结构设计指南》[34],1990年日本发布了《混凝土结构耐久性设计建议》[35],国际材料与结构研究实验联合会(RILE M)于1990年出版了《混凝土结构的耐久性设计》[36],欧盟在2000年出版了《混凝土结构耐久性设计指南》[37]等等。我国在总结国内外研究成果的基础上,2000年颁布了交通部行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)[38],2004年中国土木工程学会编制了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)[39],交通部行业标准《公路

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工程混凝土结构防腐蚀技术规范》也即将发布,《混凝土结构耐久性评定标准》和《混凝土结构耐久性设计规范》已完成了起草工作。它们的问世对改善我国混凝土结构耐久性研究及其工程应用状况将起到积极的作用,也为混凝土结构的耐久性设计和延长工作寿命明确了方向。然而,这些规定仍然局限于环境分类和材料方面的要求,在结构材料和结构构造方面间接地反映了结构设计对耐久性和使用年限的要求,并且无法实现对混凝土结构耐久性的设计目标的量化规定。对于某些重要基础工程,欲确保100年(或120年)的使用年限,尚缺乏普遍认可的基于可靠度分析并以混凝土耐久性作为设计指标的设计理论。

目前混凝土结构耐久性设计方法基本可分成两大类。第一类首先源于欧洲《CEB耐久混凝土结构设计指南》[34],如国内的《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)[38]、《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)[39]等。这类方法首先按业主的意愿和经济实力确定结构的设计使用年限;再按结构的工作环境确定腐蚀等级;进而建立在设计使用年限内结构抵抗环境作用能力大于环境对结构作用效应的耐久性极限方程(如日本土木工程学会提出的指数评分法、ISO因子法、验算法等);最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。耐久性设计的极限状态主要按适用性的要求确定,常以有害介质侵蚀到钢筋表面或混凝土保护层胀裂作为为耐久性极限状态。这些方法主要控制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度,具体为强度等级、水胶比、胶凝材用量、原材料选择、矿物掺和料、外加剂等。同时,要求在实验室条件下按照标准试验方法确定耐久性指标,如抗冻等级、扩散系数等。这类方法解决了耐久性构造要求和施工技术要求,细化了环境类别及其作用等级,提出了不同使用年限的不同要求。

然而,这类方法体现的主要是材料层面的研究成果,显然不能直接参与结构使用寿命的预测计算模型;且这种计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致,不易为广大设计人员所接受。

第二类方法主要通过理论或经验的计算模型进行使用寿命预测,认为混凝土结构耐久性设计应包括计算和验算部分,以及构造要求部分。基于这种观念,有学者[40]提出以下的设计理念

S≤ηR 其中,S为内力设计值,R为结构构件抗力设计值,η为耐久性设计系数,它是结构可靠指标的函数,η= f[β(t)]。这种设计方法形式简单,耐久性含义明确,且与我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)[41]采用的极限状态设计方法相一致,较能够为技术人员所接受与掌握。但耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要对实际结构抗力衰减规律进行实测统计,才能进一步找出抗力随机衰减过程分析模型。由于每个地区抗力衰减规律难以统计,并且即使是同一地区,由于使用环境不同,其抗力衰减规律也有所不同。因此,耐久性设计系数的计算不易实现。

我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)[41]也涉及了耐久性方面的规定,但混凝土结构设计仍以考虑荷载作用下的结构安全性为主,而对混凝土结构在长期使用过程中由于环境因素所引起的材料性能劣化的影响考虑很少;对于混凝土工程的经济性,主要考虑的是结构建设时期的初期投入费用,而未考虑由于耐久性不足出现劣化现象而产生大量的追加维护费用,以及提前退出服役的混凝土结构产生大量的建筑垃圾回收和处理的后续费用等。

因此,基于可持续发展的基本国策,本文认为应在混凝土结构设计中引入全生命周期成本的理念,综合考虑混凝土结构工程在全生命周期中各种外界和内部因素的影响,以及由此引起混凝土结构使用性能和维护成本的变化,研究基于结构全生命周期成本(Structural Life-Cycle Cost,简称SLCC)的混凝土结构耐久性设计基础理论,并提出相应的设计方法。这对于完善混凝土结构耐久性理论体系及其工程应用,都有着重要意义,也是混凝土结构耐久性设计的必然发展趋势。

3　混凝土结构耐久性评估与寿命预测方法

在环境腐蚀介质的作用下,由于混凝土结构的性能不断劣化,结构的实际使用寿命往往要短于设计使用寿命。如何根据结构检测或监测结果对在役混凝土结构进行性能评估,并据此推测其剩余使用寿命,一直是土木工程学科非常关注的热点问题。

就混凝土结构耐久性评估方法而言,国内外学者

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已开展了大量的工作。王晓刚[42]提出用于混凝土结构耐久性评估的模糊综合评估法,这一方法充分反映了各种因素关联性和随机性的特点,所得结果较为可信。卢木等[43]还提供了一套钢筋混凝土结构耐久性的评估方法,能够客观地分析和处理现场检测数据,有助于评估者选择合适的评估指标,从而得到结构的性能状况及剩余寿命评价。日本清水株式会社研究所给出了一种对建筑物综合评价的方法,该方法通过三次调查进行综合评价,最大程度地降低了人为因素的影响,结构严密,条理清楚,已在日本得到广泛采用[44]。1993年ACI committee364的《修复前混凝土结构的评估指南》[45],详细阐述了混凝土结构评估的细节步骤。Sabnis等[46]结合工程实际建立了一种结构分级评估系统,该系统采用标准化表格形式,应用方便。王铁成[47]讨论了开裂特征值与混凝土强度、裂缝宽度的关系,为钢筋混凝土结构损伤几何形态及耐久性的定量评价提供了新的解析手段。邸小坛等[33]依据混凝土裂缝宽度对钢筋混凝土结构耐久性影响的模糊特性,建立了裂缝宽度隶属耐久性失效的隶属函数,提出了结构耐久性失效的模糊概率计算方法,并建议了结构耐久性状态的划分标准。除裂缝外,有研究综合考虑了钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反应等因素长时间作用使结构呈劣化的趋势,并引入可靠度理论进行综合性评估[48]。也有不少学者利用模糊理论对混凝土结构进行综合的耐久性评估[49-51]。

综上所述,目前混凝土结构耐久性评估方法主要可以分为三类:(1)根据结构检测和监测结果,由有经验的技术人员作出评估,这就是所谓的传统经验法;

(2)随着基础科学和计算机学科的发展,借助于模糊数学、神经网络等人工智能手段的综合评估方法;(3)基于可靠度理论的混凝土结构耐久性评估法。

关于混凝土结构耐久性寿命预测的研究,目前的主要理论包括三大类:(1)钢筋脱钝寿命理论[52-54],这种理论以侵蚀介质侵入到钢筋表面引起钢筋脱钝作为混凝土结构耐久性失效的极限状态,以此来预测结构构件的寿命;(2)混凝土开裂寿命理论[55-57],这种理论以钢筋锈蚀引起钢筋表面混凝土出现裂缝作为失效准则,预测结构构件的寿命;(3)抗力寿命理论[58-61],这种理论将抗力作为时变随机变量,将荷载视为随机变量或随机过程,分析抗力衰减的结构可靠度,通过可靠度指标变化函数来预测结构构件的寿命。

由于工程实际问题的复杂性,混凝土结构耐久性评估和寿命预测中会遇到大量随机的、模糊的以及不完善的信息,而且许多信息是不定性的,难以将其定量化,这种信息不确定性的分析还处于初级阶段,尚无较为合理的混凝土结构耐久性评估模式。因而在实际工程应用中,仍然是以经验判断为基础,以运用层次分析法来进行混凝土结构的耐久性评估为多。目前这些寿命预测方法基本停留在单环境因素作用下混凝土构件的评估与寿命预测,并不能真正实现混凝土结构耐久性全过程的性能评估与寿命预测。随着混凝土结构耐久性理论的深入研究,有学者[32,62]在总结前人工作的基础上,提出了基于全生命周期的混凝土结构耐久性评估的概念。

为了能尽量准确地对在役混凝土结构进行寿命预测,本文认为完善以下两方面研究工作至关重要:(1)结构的使用寿命是材料本质特征的反映,必须寻找耐久性指标,建立其与混凝土的密实度、孔结构等表征混凝土内部结构的特征参量以及钢筋锈蚀速度、锈蚀量等之间的关系。(2)对已存在耐久性问题的在役混凝土结构,须建立混凝土结构动态评估体系,实现根据不断积累的检/监测耐久性指标数据,对混凝土结构进行动态评估,建立寿命预测模型。根据现行行业标准,目前我国对在役混凝土结构耐久性的评估,主要依据试验室快速试验获取的参数以及现场同条件构件破损试验结果,并依赖有经验的技术人员对结构进行现场检测,综合作出评价提出处理意见,同时间接推测结构的剩余使用寿命。由于该评估方法的数据有限、间断,且无动态反馈,因此依据这些不完备信息对混凝土结构进行评估是不准确的,在此基础上建立的基于各种数学模型的结构剩余寿命预报精度更是难以期望。因此,对于在役混凝土结构,提出基于不断积累的检/监测数据的动态评估方法,并据此建立混凝土结构耐久性寿命评估体系,是一项非常重要和有意义的工作。

同时,由于实际预测混凝土结构使用寿命较现行的结构耐久性评估方法复杂得多,现有的标准不足以给出结构使用寿命的合适信息。因此需要建立新的标准体系,新的评估标准应具有通用性,且应包括环境特性的描述、耐久性指标的确定、耐久性检/监测方法、耐久性动态评估方法、材料寿命预测及结构寿命预测结果的报告等。

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4　混凝土耐久性结构层面研究的关键问题

根据上述混凝土结构耐久性层面研究内容的总结,认为混凝土结构层面尚缺乏以下几方面的基础理论研究:(1)界定一定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;(2)确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;(3)建立耐久性动态检测数据分析理论。

图1　混凝土结构耐久性特征时间与结构可靠指标的关系

Fig .1　The relation of the concrete -structural durabilit y

eigen -time and structural reliabilit y index

确定耐久性极限状态是混凝土结构耐久性设计和寿命预测的关键问题,目前尚无定论。按照混凝土材料和构件的劣化过程,依次可以选择不同的劣化状态作为耐久性极限状态,如图1中所示的特征时间t 0,t 1,t 2和t 3等。特征时间的确定不仅与结构的耐久性性能指标有关,而且与结构的安全适用可靠指标有关。已有研究成果[33,37,39-40,42,52-59]表明:各个特征时间的确定并不是绝对的。与此相应的耐久性失效极限状态既可能是正常使用和外观美学的要求,也有可能是结构安全性的要求。从混凝土结构安全储备的角度出

发,很多学术观点推荐将t 0和t 1对应的极限状态作为耐久性失效极限状态;也有学者提出结构寿命极限可以取其可靠指标β值下降到某一水平时所需要的时间,对应于时间t 2和t 3。为了建立基于性能的混凝土结构全生命耐久性设计理论和寿命预测体系,必须首先确定不同环境和使用条件下耐久性失效极限状态。混凝土结构耐久性设计和寿命预测必须要通过混凝土结构耐久性参数的表达来实现。目前通常是将混凝土保护层厚度和氯离子渗透系数作为表征混凝土结构耐久能力的参数,事实上,这两个参数仅能表征0～t 0阶段(钢筋锈蚀诱导阶段)混凝土结构的耐久性;由于钢筋锈蚀而导致结构劣化阶段(钢筋锈蚀发展阶段t 0～t 3)的耐久性参数目前尚未见诸报道。而结构劣化阶段耐久参数的确定与合理表征对混凝土结构耐久性设计和寿命预测至关重要,必须要重点研究和明确表达。

寿命预测的准确性还依赖于合理的耐久性检测与评估方法。科学的检测与评估应该在混凝土结构中埋入耐久性传感器,动态地、长期地获取混凝土结构的耐久性发展情况和混凝土结构原体耐久性关键参数的信息反馈;根据在时间轴上不断积累的监测和检测数据,对混凝土结构进行动态评估,并在此基础上建立结构寿命预测模型。要实现这个目标,首先必须建立混凝土结构耐久性健康监测与检测完善的理论与实用的方法,这样科研和工程技术人员不但可以在某一时刻对混凝土结构耐久性状况进行检测与分析,还同时可以通过健康监测体系实现对混凝土结构耐久性参数的实时观测与分析。健康监测是一个近年来兴起的新兴研究领域,混凝土结构耐久性监测的理论和方法并不成熟。目前,在德国、丹麦和日本等发达国家已经开始研究和应用混凝土耐久性监测理论和技术[63]

,而我国尚无研究全面监测混凝土结构耐久性能的报道。因此,为了达到在役混凝土结构的耐久性动态评估和剩余寿命预测的目标,建立混凝土结构耐久性健康监测与检测理论与实用方法非常必要。

5　结束语

我国目前已处于土建工程新建和维修并存的时期,面临的耐久性问题是发达国家20～30年前曾经遇

到过的问题,发达国家为此已经付出了巨大代价。为

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了避免重蹈覆辙,对混凝土结构耐久性进行深入系统的研究,解决混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测中的关键问题,完善混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测方法是我国科研工作者的迫切任务。

本文分析了混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测的研究现状,并就该研究领域的发展方向提出了一些观点。同时,提出了在混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测中尚存在的一些基本问题,包括:(1)如何界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;(2)如何确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;(3)如何建立耐久性动态检测数据分析理论。这些问题亟待广大从事混凝土结构耐久性研究的学者和科技人员共同研究,以早日建立基于SLCC理念的耐久性设计理论体系和混凝土结构的耐久性动态评估与寿命预测体系。这对于完善混凝土结构耐久性研究体系,以及将混凝土结构耐久性研究成果运用到实际工程都有重大意义。

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