混凝土结构耐久性的研究现状与展望

西安建大科技/总第63期/2006第1期

* 作者简介：刘彩玲，女（1983-），西安建筑科技大学士木学院硕研究生。

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●科研论文

混凝土结构耐久性的研究现状与展望

刘彩玲

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曹国旭 吴军利

（西安建筑科技大学 陕西西安 710055）

【摘要】混凝土结构是土建工程中广泛采用的结构形式，但由于在其使用过程中经常会受到各种各样的腐蚀和损伤，经常达不到预定的使用年限，由此造成了巨大的经济损失，因此对混凝土结构的耐久性进行深入的研究意义重大。本文从目前我国混凝土结构耐久性设计研究的方法、混凝土结构耐久性损伤的影响因素及混凝土结构耐久性损伤机理和成因研究、混凝土结构耐久性需要继续深入研究的问题等方面进行了总结阐述。 关键词：混凝土结构 耐久性 损伤机理

混凝土结构（concrete structure）是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等结构形式。这种结构广泛应用于建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、港口等工程。我国每年混凝土用量约9X108m3，钢筋用量约2000X104t，用于混凝土结构的资金达2000亿元以上。

钢筋混凝土结构（reinforced concrete structure）结合了钢筋与混凝土两种不同材料各自的优点，充分发挥了钢筋的抗拉强度高和混凝土的抗压强度高的特点，造价较低，取材广泛，同时，钢筋混凝土结构（框架结构、框筒结构、筒体结构等结构形式）整体性能良好，具有较好的刚度和稳定性，延性和抗震性能良好。另外，新拌和的混凝土为可塑状，可根据需要制成任意形状和尺寸的结构，有利于建筑造型，因此，是土木工程结构设计中的首选形式，其应用范围相当广

泛。虽然，随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式，但可以肯定的是，钢筋混凝土结构仍然是未来相当长一段时间内最常用的结构形式之一。

但是，钢筋混凝土结构并不是十全十美的。事实上，从混凝土应用于土木工程至今的150年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限；这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化引起的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的；特别是一些处于特殊使用环境中的建（构）筑物，如沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能，这已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大

经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的主要原因之一。鉴于我国是目前世界上混凝土建筑建设大国，所以混凝土结构的耐久性研究越来越受到工程界的重视，混凝土结构耐久性研究是建设部八五、九五及十五科技攻关课题，是国家攀登B项目中唯一的土建课题。

1 混凝土结构耐久性概述

所谓混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。虽然在很多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性和耐久性，但是这一宗旨并没有充分体现在具体的设计条文中，使得以往的乃至现在的工程结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象。随着科技的发展、改革开放的深入，近年来甲方(房屋建设单位和投资商)对新建项目的耐久性设计、以及改建和扩建项目的耐久性评估要求逐渐严格，这就使得结构的耐久性设计势在必行。

目前我国混凝土结构耐久性设计方法的研究可分成两种：第一种方法来源于欧洲CEB 耐久性设计规范，仅解决了耐久性设计的构造要求部分。欧洲CEB耐久性设计规范对口到我国现行规范体系应是施工及验收规范和建筑设计规范，如其中的水灰比控制、防水节点大样等。欧洲CEB耐久性设计规范中有些条文也不适合我国国情，如为了防止钢筋锈蚀，提高混凝土结构的耐久性，CEB采用加大混凝土结构保护层厚度的办法，而我国除了在《混凝土结构设计规范》中规定了各类构件的最小保护层厚度外，还在混凝土配合比设计中采用控制最大水灰比和最小水泥用量的办法以及在实际工程中采用在混凝土构件表面涂刷环氧改性材料，来保证混凝土构件在设计使用期内具有足够的耐久性。第二种方法认为混凝土结构耐久性设计应包括两部分：计算和验算部分，以及构造要求部分。而其中的计算和验算部分是混凝土耐久性设计的关键，它要分析出抗力与荷载随时间变化的规律，使新设计的结构有明确的目标使用期，使改建扩建结构同原有结构有相同的有效使用寿命，达到安全、适用、经济和耐久的建设目的。

2 混凝土结构耐久性的研究现状

混凝土结构的耐久性是由混凝土本身的特性和所处使用环境的侵蚀性两方面决定的。耐久性损伤的外观表现形式有：出现裂缝、断面缺损和变质等。除了内部缺陷和荷载作用引起的损伤外，引起混凝土结构耐久性损伤的原因可以归纳为五类：1）电化学等作用引起的钢筋锈蚀；2）酸、碱、盐等化学侵蚀及碱骨料反应等内部化学作用；3）冻融循环、霜冻及干摍、徐变、风化等物理作用；4）磨损、冲蚀及机械作用；5）高温及火灾作用。实际上，混凝土结构的破坏很少是由于单一因素造成的，引起破坏的几种化学和物理作用常常紧密交叉、同时作用，这体现了混凝土耐久性问题的复杂性。

由混凝土结构耐久性损伤的影响因素可以看出，要对混凝土结构耐久性损伤机理和成因进行研究，必须从以下几个方面进行综合研究。

2.1 从材料层次对耐久性的研究

从材料角度上对结构耐久性进行研究，是混凝土结构耐久性研究的基本手段。引起混凝土结构材料性能劣化的原因不同，研究的内容和方法也不同。从已有的研究文献来

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看，研究最多的是大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。

一般认为混凝土的碳化对混凝土本身没有太大伤害，相反会使混凝土自身强度提高。但混凝土碳化会使混凝土中的钢筋失去碱性环境的保护，而引起钢筋的锈蚀。另外，混凝土碳化使混凝土变脆，延性变差。混凝土碳化的经典理论是基于FICK第一扩散定律的碳化模型，这一模型认为混凝土的碳化深度与时间的1/2次方成正比，目前已被大量室内试验和工程现场调查资料所证实。对于混凝土材料本身，影响混凝土碳化的因素有水泥品种、水泥用量、水灰比及掺和料的掺量等。一般认为，混凝土的碳化速度与水灰比成正比，而与混凝土的抗压强度成反比。另外，混凝土的碳化速度还与混凝土的施工、早期养护及使用中的维护等因素有关。加载快速碳化试验也表明，结构的应力状态对混凝土的碳化速度有明显的影响。结构构件不同位置的混凝土，其碳化速度也不相同，如由于双向渗透，梁边角混凝土的碳化速度要高于梁底面混凝土的碳化速度。另外，一些工程实际调查资料也表明，大气环境中混凝土的碳化与实验室碳化试验有着较大的差别，环境条件的变化是造成这种偏差的最主要因素，从而引起混凝土碳化深度呈现较大的不稳定性，利用人工神经网络技术来分析、模拟混凝土的碳化过程和规律，也是混凝土耐久性研究的一个手段和方法。

混凝土原本对于钢筋具有良好的防锈能力，但各种不利因素（如混凝土表面微裂，雨水和空气中的水分，二氧化碳的侵蚀等）的作用导致钢筋表面钝化膜遭到破坏，当有氧和水存在时，钢筋开始锈蚀，其力学性能有较大变化。同时，钢筋锈蚀到一定程度后，锈蚀产物产生的膨胀压力将会使混凝土保护层发生顺筋开裂，从而使钢筋的锈蚀速度进一步加大，握裹力降低，从而导致构件因承载能力的不足引起构件耐久使用年限的降低。钢筋的承载能力与钢筋的腐蚀量关系最为密切，关于钢筋锈蚀量的计算，有两种模型，一种是基于电化学原理的理论模型，另一种是通过对试验资料拟合得到的经验公式。一般而言，理论模型原理上较为合理，而经验公式应用上更为方便。钢筋锈蚀试验表明，混凝土中钢筋的锈蚀速度与结构所处的环境、混凝土保护层厚度、混凝土强度及钢筋直径有关，目前钢筋腐蚀的电化学快速测定方法以及红外检测技术都有了较大的发展；关于混凝土顺筋开裂的钢筋临界锈蚀量的确定方法有弹性力学法、断裂力学法、有限元法和试验统计法。一般认为，混凝土顺筋开裂的临界锈蚀量与混凝土抗拉强度、混凝土保护层厚度及钢筋直径有关。在混凝土结构中钢筋锈蚀可分为自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀。钢筋是否锈蚀，很大程度上依赖于混凝土的密实性。

钢筋生锈的内部条件是钝化膜遭到破坏，产生活化点，构件内部存在电位差，可以产生局部腐蚀电池；钢筋锈蚀的外部条件是必须有水分和氧的存在。当这几个条件同时存在时，钢筋就会产生锈蚀。

研究表明，使钢筋的钝化膜遭到破坏的主要因素有四点：1）当无其它有害杂质时由于碳化作用破坏钢筋的钝化膜；2）由CL—的作用破坏钢筋的钝化膜；3）由于SO42—离子或其它酸性介质侵蚀而使混凝土碱度及PH值降低导致钝化膜破坏；4）混凝土中掺加大量活性混合材料或采用低碱度水泥，导致钝化膜破坏或根本不生成钝化膜。

降低混凝土中钢筋锈蚀的措施包括：通过适当降低水灰比、选用矿渣硅酸盐水泥、采用不是海砂的细骨料、掺用不含氯盐的外加剂、提高混凝土保护层厚度、适当增加混

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凝土的搅拌时间和振捣力度等方法以保证混凝土的密实性，使混凝土中的钢筋处于碱性环境中。施工时应重视钢筋的除锈，还可使用环氧涂层钢筋。通过混凝土的表面处理，如涂抹防水涂料等形成保护层活作表面装饰层等使混凝土结构不长期裸露于空气中或水中。采用阴极保护法（包括牺牲阳极法和外加电流法），其中外加电流法应注意防止钢筋的氢锈破坏、防止加剧混凝土的碱骨料反应、防止过大的保护电流对混凝土与钢筋之间的粘结强度可能产生的不利影响。

2.2从构件层次对耐久性的研究

在腐蚀环境中，当混凝土结构的材料发生劣化后，结构构件的承载力和适用性也随之降低，从而影响结构的安全和正常使用。

试验表明，受腐蚀钢筋混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土之间粘结性能的变化3中因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀后其截面面积的减小，当钢筋的锈蚀量较小时（5％），钢筋强度变化不大，承载力评估中可不考虑钢筋强度的变化。锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的变化比较复杂，在锈蚀量较小时（1％），粘结强度随钢筋锈蚀量的增加有所提高，但随钢筋锈蚀量的进一步加大，粘结强度将明显下降，这一变化过程与钢筋锈蚀产物的膨胀及混凝土保护层的胀裂有关。试验也表明，在使用荷载下，受腐蚀钢筋混凝土受弯构件的截面应变宏观上仍符合平截面假定，而对于大偏心受压和小偏心受压构件，在钢筋锈蚀量较大时，截面应变与平截面假定有出入。另外，受腐蚀钢筋混凝土构件的延性随钢筋锈蚀量的增大而降低，构件的破坏形态也将有延性破坏转化为脆性破坏。试验同时也表明，当钢筋锈蚀混凝土构件的钢筋锈蚀后，构件刚度有所降低，变形增大；横向裂缝表现为裂缝间距增大，宽度变宽，从而影响混凝土结构的正常使用性能。

目前，对受腐蚀钢筋混凝土构件的力学性能的研究大都集中在静态方面，对动态性能和疲劳性能的研究尚不多见，这是一个需要加强研究的方面。

2.3从结构层次对耐久性的研究

混凝土结构耐久性研究的目的就是要解决拟建混凝土结构的耐久性设计和现役结构的耐久性评估，钢筋混凝土结构是由多种构件组成的结构体系，在钢筋遭受腐蚀后，构件性能的劣化，最终会影响整个结构的安全。

对拟建混凝土结构进行耐久性设计，提高结构的安全性和耐久性已成为全世界关注的重大课题。目前，我国混凝土耐久性设计的研究有两种理论。第一种理论认为，在进行混凝土结构耐久性设计之前，首先要进行结构的工作环境分类，然后确定结构的设计使用寿命，最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。针对这部分的研究比较多。但基于这种理论的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。第二种理论认为，混凝土结构耐久性设计应包括两部分：计算和验算部分以及构造要求部分。基于这种理论，李田、刘西拉等学者提出：S≤ηR

其中，S为内力设计值，R为结构构件的抗力设计值，η为耐久性系数，是结构可靠度指标的函数。这种设计方法形式简单，耐久性含义明确，且与现行规范采用的极限状态设计方法相一致。但由于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，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，耐久性系数的计算

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不易实现，所以这种方法还需深入研究。

能够对现役混凝土结构进行耐久性评估一直是工程界和学术界研究人员很感兴趣的问题，也是迄今为止国际上尚未解决的重大问题。混凝土结构耐久性评估的目的，是评价混凝土结构现在的工作性能是否能满足设计要求，以及对其今后的耐久性变化进行预测，即包括对现役混凝土结构耐久性的评定和耐久寿命预测两个方面。对于混凝土结构耐久性的评定，目前的研究主要有：1）综合考虑耐久性的各种影响因素，对耐久性损伤指标进行加权处理的耐久性评定；2）借助于模糊数学的手段提出的模糊综合评定法；3)基于可靠度的耐久性评定法等。对于寿命预测的研究，目前主要的理论有：1)碳化寿命理论，这种理论假设碳化深度和钢筋混凝土保护层的变动规律服从正态分布，建立了钢筋锈蚀率与龄期的关系，得到构件寿命预测模型，在大气环境下，混凝土结构达到使用寿命的标志一般认为是混凝土碳化到钢筋表面或钢筋锈蚀后构件出现顺筋裂缝。国外有的研究者认为，由于结构使用寿命预测较现行的结构耐久性评定方法复杂，现有的标准不足以给出结构使用寿命的合适信息，需要代之以新的标准体系，新的标准方法应具有通用性，包括环境特征的描述，材料的特征，材料退化机制的识别，退化数学模型的建立，使用寿命预测及预测结果的报告等；2)开裂寿命理论，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）应用统计可靠度理论，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，结构耐久性评估中有时会遇到大量随机的、模糊的不完整的信息，而且许多信息是定性的，难以将其定量化，并且这一部分工作尚处于起步阶段，所以，迄今为止尚未有较为理想的混凝土结构耐久性评估模式，在实际的工程结构中，仍然是以经验判断为基础，这一领域的研究有待深入。

3 混凝土结构耐久性研究方向

混凝土结构耐久性研究，应从以下方面深入研究。

3.1材料破坏细观机理与宏观力学性能相关的研究

众所周知，不论是何种非力学破坏因素（如冻融作用、钢筋锈蚀等），混凝土耐久性破坏的内在机理都可归结为非力学作用引起的混凝土内部微裂缝的产生和扩展导致混凝土基体破坏，直至发展到混凝土结构的破坏。不难想象，混凝土耐久性劣化必然是由相应的破坏应力引起，所以可以用力学方法对非力学因素引起的耐久性劣化进行研究。而力学方法的最大特点就在于可以实现量化的处理问题。基于混凝土微裂缝的产生、扩展是一个典型的损伤发育和演化过程，现代损伤力学是研究这个过程的强有力的手段。因此，以现代材料测试手段为基础，通过试验测量及理论分析，获得在非力学破坏因素作用下混凝土细观结构的状态改变量及相对应的宏观性能指标的变化量，结合损伤力学的理论，建立混凝土耐久性衰减过程的损伤力学模型，以此来研究混凝土的耐久性破坏过程，进而可以此模型对混凝土结构的耐久性进行评估。

3.2结合工程建立耐久性衰减或预测的多因素模型

由于目前国内外对混凝土结构耐久性的研究主要是在实验室中针对某一具体影响因素展开的研究，而实际环境中混凝土结构遭

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受着冻融、碳化、钢筋锈蚀等多种破坏因素的影响，其影响因素涉及材料、环境、受力状况等诸多方面。因此，应该发展结构全生命周期内的耐久性研究技术，结合实际存在的多种因素影响模式建立基于工程实际条件的耐久性衰减或预测多因素模型，这应该是混凝土结构耐久性研究的主要方向之一。

3.3混凝土结构耐久性设计方法的研究

欲真正实现混凝土结构耐久性设计，必须确定出类似结构强度设计那样的设计参数。该设计参数是混凝土结构性能的特征参数。为此，需事先确定衡量混凝土结构耐久性的评定指标以及由此指标的损失率表示的混凝土结构耐久性完全失效的判定标准，还需确定混凝土结构性能退化规律即耐久性衰减规律或衰减模型。知道了混凝土结构耐久性失效标准和耐久性衰减规律，即可根据结构设计使用寿命确定混凝土结构的性能参数。该性能参数对于混凝土材料而言，可以用以确定混凝土的配合比，确定出的配合比参数与强度设计的配合比参数比较，取两者的较严格的参数。混凝土材料的该性能参数可能是混凝土的孔结构参数或其它细观结构参数，总之，其可以反映混凝土的本质特征。

3.4混凝土结构耐久性检测与评估方法的研究

目前有关混凝土结构耐久性评估都存在着效率较低，成本高、准确率较差、主观经验性的内容较多等不足之处，主要原因之一就是混凝土结构耐久性检测技术尚不发达，评估方法还不很科学。所以，研究开发新的结构耐久性检测技术尤其是高效准确的无损检测技术，将是混凝土结构耐久性研究领域很有应用前景的发展方向。

总之，混凝土结构耐久性的研究具有巨大的现实意义和应用价值。

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