混凝土结构耐久性研究浅谈

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题 目：混凝土结构耐久性研究浅谈

学习中心： 西 安 奥 鹏 层 次： 高中起点专科 专 业： 土 木 工 程 年 级： 2008年 秋 季 学 号： 200808105163 学 生： 毛 建 军 指导教师： 胡 细 伟 完成日期： 2010 年 7 月 12 日

混凝土结构耐久性研究浅谈

内容摘要

混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其结构自身和使用环境的特点，使得混凝土存在严重的耐久性问题。混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响结构耐久性的因素很多，砼质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素，不同的原因会造成不同的后果。首先通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的介绍，讨论了混凝土耐久性的概念，接着分析了影响混凝土耐久性的因素﹑混凝土缺陷检测﹑提高混凝土耐久性的措施，最后对现有混凝土结构设计施工的思考。

关键词：混凝土 混凝土耐久性 混凝土冻融 混凝土缺陷检测 结构耐久性措施

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混凝土结构耐久性研究浅谈

目 录

内容摘要 ........................................................................................................................... I 引 言 .......................................................................................................................... 1 1概论 ............................................................................................................................... 2 2混凝土耐久性概念及影响因素 ................................................................................... 2

2.1 混凝土耐久性的概念 ..................................................................................... 2 2.2 混凝土耐久性的影响因素 ............................................................................. 3

2.2.1 混凝土的抗渗性 .................................................................................. 3

2.2.2 混凝土的冻融破坏 .............................................................................. 3 2.2.3 混凝土的碳化 ...................................................................................... 3 2.2.4 混凝土侵蚀性 ...................................................................................... 4 2.2.5 混凝土的碱集反应 .............................................................................. 4 2.2.6 钢筋的锈蚀 .......................................................................................... 4

3 混凝土缺陷检测 ........................................................................................................ 5

3.1 声发射法 ......................................................................................................... 5 3.2 雷达法 ............................................................................................................. 5 3.3 红外线热谱法 ................................................................................................. 5 4 提高混凝土耐久性措施及设计施工思考 ................................................................ 5

4.1 提高混凝土耐久性的措施 ............................................................................. 5 4.2 对现有混凝土结构设计施工的思考 ............................................................. 7 参考文献 .......................................................................................................................... 8

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引 言

长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。

当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约30~50 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。因此，如何提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。本文着重分析了混凝土耐久性的影响因素和混凝土缺陷检测的方法、提出了提高混凝土耐久性的措施并对现有混凝土结构设计施工的思考。

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1概论

长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20~30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。

我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50 年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30~40年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。 当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约30~50 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20 年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。

2混凝土耐久性概念及影响因素

2.1 混凝土耐久性的概念

混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行设计规范只划分成两个极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限状态之中。且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保

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持正常功能的能力，这一正常功能不仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。

2.2 混凝土耐久性的影响因素

2.2.1 混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性，指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好，混凝土的抗渗性越好。混凝土的耐久性与水和其它有害化学液体流入其内部的数量、范围等有关，因此抗渗性能高的混凝土，其耐久性就高。 2.2.2 混凝土的冻融破坏

当结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内空隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的气孔结构和气泡含量多少密切相关。气孔越少越小，破坏作用就越小，封闭气泡越多，抗冻性就越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了气孔结构和含气量外，还与混凝土的饱和度、水灰比、混凝土的龄期、集料的空隙率及其间的含水率有关。 2.2.3 混凝土的碳化

混凝土的碳化，是指混凝土中的Ca(OH)2与空气中的CO2起化学反应，生成中性的碳酸盐CaCO3。未碳化的混凝土呈碱性，混凝土中钢筋保持钝化最低（临界）碱度是PH值为11.5，碳化后的混凝土PH值为8.5～9.5。碳化使混凝土的碳度降低，同时，增加混凝土孔隙溶液中氢离子数量，使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内，从而加速了碳化和钢筋的锈蚀。

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2.2.4 混凝土侵蚀性

当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学-物理和物理-化学变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使用使水泥石孔隙增加，密实度降低，造成对水泥石的破坏，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；当不中溶有一些酸类时，水泥石就会受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂；碳酸在溶淅水泥石的同时，，破坏混凝土内的碱性环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的密度、造成对混凝土的侵蚀；硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成破坏；镁盐使硬化水泥石的结构组分分解造成混凝土的侵蚀。 2.2.5 混凝土的碱集反应

很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的，只能就地取材，采用活性氧化硅成份较高的石料，如果又使用碱总含量大于0.6%的水泥，则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀，导致混凝土胀裂、甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部，其危害作用往往是不能根治的，是混凝土工程的一大隐患。

2.2.6 钢筋的锈蚀

钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体渗入混凝土内与氢氧化钙作用；其二，氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用；其三，钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂；其四，钢筋的氢脆现象，即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂，钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气，当钢筋内部存在缺陷，会产生很大压力，出现鼓泡现象，使钢筋脆化。

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3 混凝土缺陷检测

3.1 声发射法

声发射法是利用材料或结构受力时发出瞬态振动现象的原理，在混凝土构件表面的不同部位上放置声传感器，并将传感器与信号放大器、信号调节器和磁带记录仪等组成测量系统。当混凝土构件受力产生的应变超过其弹性极限点时就会产生小振幅弹性波，波向构件表面传播，会被放置在构件表面上的传感器探测到，根据不同探测位置上的应力波到达时间差可以确定变形点的位置，即混凝土构件由于受力而发生损伤的位置。用声发射法可以检测结构遭受损伤的程度。但是，该方法只能在结构变形和应力增加时才能应用，在静荷载下不能单独测量混凝土的损伤或破坏。

3.2 雷达法

雷达法是利用频率为100～1200MHz的电磁波扫描混凝土构件表面，当混凝土构件存在孔洞、裂缝、分层等缺陷时，雷达扫描波形图会发生改变，根据雷达扫描波形图，即可分析混凝土的缺陷。

3.3 红外线热谱法

红外线热谱法又称红外扫描，是通过测量和记录混凝土结构热发射来分析判断混凝土构件缺陷的方法。当混凝土中存在裂缝或不连续时，扫描仪上将显示完好和有缺陷混凝土热发射的差异。

4 提高混凝土耐久性措施及设计施工思考

4.1 提高混凝土耐久性的措施

1) 原材料的选择。水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结，硬化形成的，水泥石一旦受损，混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性，抗水性，抗腐蚀性，抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。

2) 预防钢筋的锈蚀。常用的方法有环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。此外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，但涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土

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的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。还可研究新技术，开发新产品，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。

3) 避免或减轻碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，一旦发生很难修复。当混凝土使用有碱活性反应的骨料时，必须从配合比出发，严格控制混凝土中的总碱含量以保证混凝土的耐久性。此外，外加剂特别是早强剂带来高含量的碱，为预防碱集料反应，在设计上应对外掺剂的使用提出要求。

4) 加强施工管理。严格控制施工配合比，搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土构件的侵蚀病害都是从表面开始的，在混凝土终凝前做好原浆抹面压光，增强表面密实度，也可采用表面浸渍和表面涂覆的手段来降低混凝土表面渗透性。

5) 防止混凝土的冻融破坏。混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力，目前只有加气混凝土才能有效提高混凝土的抗冻性。引气是提高混凝土抗冻性的主要参数。一般引气量4％-8％，同时，应避免采用吸水率较高的集料，加强排水以免混凝土结构被水饱和。在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂，既能获得大量均匀分布的微小气泡，显著提高抗冻性，又能大幅度减小W／C，从而保证混凝土强度不降低，甚至有所提高。

6) 拌合及养护用水。混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。

7) 针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境)，设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定：混凝土保护层厚度应按规范的规定增加40％；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。

8) 结构的日常维护。结构在使用阶段，应注意检测，维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此，建立检测和评估体系，及时发现，及时修理，确保混凝土结构的正常使用。在使用中，应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质，并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查，在

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结构破坏超过一定的界限后，就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。

4.2 对现有混凝土结构设计施工的思考

“工程质量、百年大计”混凝土耐久性是影响工程使用寿命的主要问题，应针对影响混凝土耐久性的主要因素：抗渗性、冻融破坏、碳化、侵蚀性介质、碱集料反应等，结合工程具体情况采取具体措施。同时，应采用新技术、新成果，改进和提高混凝土的耐久性，延长混凝土结构的使用寿命。我国的结构设计规范长期没有设计使用年限的要求，在近几年修订颁布的《建筑结构设计规范》中才明确规定将建筑结构的设计年限分为四类，但这对提高混凝土结构的耐久性起不到太大的作用，虽然结构的使用年限可以通过维修延长，但结构中的个别部件不一定能够达到设计使用年限，这在桥梁等结构中尤为明显。例如设计使用30年的拉索往往不到20年就要更换，这无疑会大大缩短结构的使用寿命，应该在设计时加以考虑。混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题，要解决好这个问题需要进行多方面的工作。钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证，同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样，才能保证和提高混凝土结构的耐久性，才能保证我国建筑事业的可持续发展 。

另外，由于我国的国情，我国的混凝土结构往往达不到发达国家的设计与施工水平。随着改革开放的进行，我国的结构设计水平已经逐渐与国际接轨，但不可否认的是，我国的科技水平仍然无法与发达国家相比，在设计中也就难免有这样那样的问题。我国的劳动力素质普遍低下，建筑施工大多还是粗放型的建造方式，施工质量难以保证。同时，我国的建筑材料与国外也有不小的差距，例如我国的水泥质量一般要比欧洲差，随着龄期的发展其后期性能提高可能相对较少，因此在龄期系数的取值上宜偏低取用。而这些也就使我国的混凝土结构耐久性低于国外水平。

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参考文献

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