混凝土结构耐久性的研究综述

・２９４‘材料导报

２０１３年５月第２７卷专辑２１

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混凝土结构耐久性的研究综述＋

张亮，严建军，李响（长江科学院；水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉４３００１０）摘要混凝土是当今重要的结构工程材料，混凝土结构的耐久性问题日益突出。介绍了国内外混凝土结构耐

久性研究概况以及主要研究内容，简述了混凝土结构耐久性的影响因素及相应的提高措施，同时提出了关于混凝土结构耐久性的未来发展趋势，为目前我国混凝土结构耐久性设计、施工和管理提供参考。关键词混凝土结构耐久性

中图分类号：ＴＵ３７５文献标识码：Ａ

ＡＲｅｖｉｅｗｏｎｔｈｅＤｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ，ＹＡＮＪｉａｎｊｕｎ，ＬＩＸｉａｎｇ

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ＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ４３００１０）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ

混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界上应用最为广泛的结构形式。然而，从混凝土应用于土木工程至今，大量的混凝土结构由于各种原因导致提前失效，达不到预定服役年限。这其中有的是结构设计的抗力不足造成的，有的是使用荷载的不利变化引起的，但更多的是结构耐久性不足造成的，特别是海洋环境对沿海及近海地区的混凝土结构造成的钢筋锈蚀，导致结构发生早期损坏，丧失耐久性。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因之一。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安全、使用功能和外观要求的能力。可以理解为，混凝土结构的耐久性是指在正常设计、施工、使用和维护条件下，在规定的时间内，虽然构件性能随时间逐渐劣化，但结构仍能满足预定功能的能力［１］。虽然许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性与耐久性，但工程结构设计中普遍存在重强度设计而轻耐久性设计的现象。同时，不合格的施工也会影响混凝土结构的耐久性。另外，在混凝土结构使用过程中，缺乏合理的维护也会导致结构耐久性降低。国内外统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性病害而导致的经济损失非常巨大，而且耐久性问题也会越来越严重，因此，加强混凝土结构耐久性研究，提高设计质量，延长结构使用寿命是一个非常重要的现实课题。

１混凝土结构耐久性研究进展

１．１混凝土耐久性研究内容混凝土结构的耐久性研究可分为环境、材料、构件和结构４个层次，其中材料和构件的研究较为深入。图１［２］可以更直观地说明混凝土结构耐久性的研究内容。一般大气环境是民用混凝土结构所处的环境状态，而海洋环境是混凝土结构所处的特殊环境，是混凝土结构耐久性研究的重点对象。材料层次的研究是混凝土结构耐久性最基础的部分，包括混凝土和钢筋两部分，其中混凝土碳化、氯盐腐蚀、冻融破坏和碱集料反应属于混凝土的耐久性问题，而钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降最主要和最直接的因素，目前对影响钢筋锈蚀的因素、修饰钢筋材料性能的变化、钢筋锈蚀的防护和检测等各方面均已有较多研究［３．４３。混凝土构件耐久性的研究是研究混凝土结构耐久性的前提和基础，钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀加速，大大影响钢筋混凝土构件的耐久性能。结构层次的研究包括对未建混凝土结构进行耐久性设计和对服役混凝土结构进行耐久性评估。目前国内外针对混凝土耐久性设计提出的极限状态方程均有各自的观点，都是从耐

＊中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（ＣＫＳＦ２０１２０１８／ＣＬ）张亮：男，１９８０年生，工程师，研究方向为水泥混凝土Ｅ－ｍａｉｌ：ｂａｌｄｃａｔ＠１６３．ｃｏｒｎ

万方数据混凝土结构耐久性的研究综述／张亮等・２９５・久性计算或构造措施人手来进行耐久性设计的［５３。长期以来，对服役结构耐久性的评估一直依赖有经验的技术人员做出的评价和处理，即传统经验法。随着现代科技的发展，混凝土结构耐久性评估方法和手段有很大进展［６－８ｊ，但迄今为止，尚未有理想的混凝土耐久性评估模式，在实际工程应用中还是以经验判断为基础，运用层次分析法来进行混凝土结构的耐久性评估居多，对混凝土结构的耐久性还有待进一步深入研究。

混凝土结构耐久性分析，大气环境环境层次｛霎囊姜萎

Ｌ工业环境，混凝土碳化

ｌ氯盐腐蚀材料层次＜冻融破坏

Ｉ碱集料反应Ｌ钢筋锈蚀ｒ混凝土锈胀开裂模型构件层次｛粘结性能衰退模型Ｌ构件承载力的变化结构层次ｆ耐久性设计Ｌ耐久性评估

图１混凝土结构耐久性研究内容框架Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ１．２国内外研究现状早期，波特兰水泥主要应用于大量的海洋工程，这些构

筑物长期经受外部介质的强烈影响而发生迅速破坏，因此，早期混凝土耐久性的研究主要集中在海上构筑物中混凝土的腐蚀研究。１９世纪４０年代，法国工程师Ｂｕｋａ对水硬性石灰及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究，并著有《水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究》一书，这是研究海水对水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第一部科研著作。２０世纪２０年代初，随着结构计算理论和施工技术的相对成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，因此许多新的耐久性问题逐渐出现。１９２５年，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内对钢筋混凝土进行长期实验；２０世纪４０年代，美国学者Ｔ．Ｅ．Ｓｔａｎｔｏｎ首先发现并定义了碱一骨料反应，此后混凝土结构的耐久性问题在许多国家受到了重视；１９４５年，Ｐｏｗｅｒｓ等提出了静水压假说和渗透压假说，开始了混凝土冻融破坏的研究。２０世纪６０年代，混凝土结构耐久性的研究进入了一个高潮，并开始朝系统化、国际化方向发展。国际材料与结构研究所联合会（ＲＩＬＥＭ）于１９６０年成立了“混凝土中钢筋腐蚀”技术委员会，旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展，混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国际学术机构和国际性学术会议讨论的重要课题之一。之后，召开了多次国际混凝土耐久性学术会议，部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工、维护等的标准性技术文件。我国从２０世纪６０年代开始混凝土结构的耐久性研究，主要研究混凝土的碳化和钢筋的锈蚀的影响。２０世纪８０年代初，我国对混凝土结构的耐久性进行了一些研究，取得了很多成果。中国土木工程学会于１９８２年、１９８３年连续两年召开了全国耐久性学术会议，为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础。铁道部、交通部和中国土木工程学会等有关部门结合工程的需要对混凝土结构的腐蚀组织进行了实验研究，收集了大量的实验数据。各高等院校也为混凝土耐久性研究做了很多工作［９－１５］。１９９１年１２月全国混凝土耐久性学组在天津成立，使我国混凝土结构耐久性的研究朝系统化、规范化方向迈进了一步。２００１年１１月众多相关专家学眷在北京举行的工程科技论坛上，就土建工程的安全性和耐久性问题进行了热烈讨论，混凝土结构的耐久性问题受到了前所未有的重视［１６。。目前，混凝土结构的耐久性研究在我国已广泛展开，并取得了一些实践成果，为制定符合我国国情的行之有效的混凝土结构耐久性评估标准和耐久性设计规范奠定了基础。１．３混凝土结构耐久性研究的发展混凝土结构的耐久性是一个十分复杂的结构工程基础问题，虽然目前已有一些研究成果，但仍有许多问题有待解决。由于混凝土结构耐久性的研究多依赖于大量、长期的观测和调研数据，因此在实验室加速试验与实际环境中进行材料耐久性能的对比是研究钢筋混凝土耐久性的基本前提。目前我国已制定有关结构材料耐久性实验的标准，如《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》（ＧＢ．／Ｔ５００８２—２００９），但实际环境与实验室中标准实验有一定差别，如自然环境中温度、湿度时刻都在发生变化，具有难以预测的随机性，导致实际环境中混凝土结构耐久性与实验室试验结构有一定差异，在结构耐久性分析和设计中如何考虑这种差异值得深入研究。在自然环境、使用环境中，由于腐蚀介质的侵蚀和材料的老化，结构的性能不断劣化，导致结构的使用寿命缩短。从可靠度方面看，结构的使用寿命评估是一个概率问题，目前对结构使用寿命的预测已有较多研究，但这些预测或者没有考虑实际结构的性能随时间的变化，或者根据假定的结构性能退化规律推断结构的使用寿命，从实际应用的角度讲，这些研究缺乏一定准确性。因此，结构使用寿命的评估应从实际出发，以结构或构件本身的性能随时间的变化规律为依据，进行深入研究。此外，如何简单有效地提高工程结构的耐久性是目前国内外研究的焦点问题，从长远看，混凝土结构耐久性不足会降低结构的可靠度，成为发生事故的隐患。因此，切实提高混凝土结构耐久性，延长结构使用年限，将是未来混凝土结构耐久性研究的主要发展趋势。２混凝土结构耐久性的影响因素混凝土是一种非均质多相材料，外界腐蚀介质浸入混凝土内部，通过一系列物理化学反应，使混凝土耐久性降低。

万方数据