·综述·混凝土耐久性研究现状和研究方向卢 木(清华大学土木工程系 100084)
摘 要: 阐述了混凝土耐久性研究的背景、意义和动态,从材料、构件和结构三个层次总结归纳了国
内外混凝土耐久性研究的成果,并提出了今后的研究方向。关键词: 混凝土耐久性 碳化 钢筋锈蚀 冻融 寿命预测
RECENTSTUDYANDRESEARCHDIRECTIONSOFCONCRETEDURABILITY
LuMu(Dept.ofCivilEngrg.,TsinghuaUniv. 100084)
Abstract: Presentedinthispaperisadiscriptionofthebackground,significanceandpresentdevelopmentof
concretedurabilitystudies.Recentaccomplishmentsaresummarizedonthreelevels-material,componentandstructure.Directionsoffutureresearcharealsoproposed.Keywords: concretedurabilitycarbonationreinforcingsteelcorrosionfreeze-thawservicelifeprediction
1 引 言随着我国现代化进程的加快,各类社会基础设施的建设方兴未艾。这些构筑物大都为钢筋混凝土结构,其设计方法除了传统的强度、刚度等力学性能指标设计,还要考虑耐久性、经济性进行寿命设计。跨世纪的建筑不仅要求具有安全性、功能性,而且要求具有足够的耐久性[1]。到本世纪末,我国现有房屋将有50%进入老化阶段,也就是说将有23.4亿m2的建筑面临耐久性问题[2]。如何对这些建筑进行科学的耐久性、经济性评定以及剩余寿命的预测,是当今土木工程领域的研究热点。如何找到一种简便易行的钢筋混凝土结构剩余寿命的预测方法,该方法综合地考虑了结构的耐久性、安全性和经济性,并将其有机地结合起来,从而为在役结构的维修决策和新建结构的寿命设计提供依据,已成为当今混凝土研究的迫切任务。
2 混凝土耐久性研究的背景所谓混凝土的耐久性,是指在使用过程中,在内部的或外部的,人为的或自然的因素作用下,混凝土保持自身工作能力的一种性
收稿日期: 1996-11-25IndustrialConstruction1997,Vol.27,No.5 工业建筑 1997年第27卷第5期 1
DOI:10.13204/j.gyjz1997.05.001能[3]。或者说结构在设计使用年限内抵抗外界环境或内部本身所产生的侵蚀破坏作用的能力[4]。由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国1975年由于腐蚀引起的损失达700亿美元,1985年则达1680亿美元;目前,整个混凝土工程的价值约为6万亿美元,而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3000亿美元[5]。美国1991年仅修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用就达200亿英镑。而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上。日本引以为自豪的新干线使用不到10年,就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。我国现有建筑物的老化现象也是很严重的。据统计,我国现有建筑面积50亿m2,其中约23亿m2需分期分批进行鉴定加固,近10亿m2急需维修加固才能使用[6,7]。1989年,建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查,其结果表明,建国初期的建筑均已达到必须大修的状态;现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求,一般使用25～30年就需大修加固[6]。钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们关注。美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性,特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时,对新建项目在钢筋防护方面每节省一美元,就意味着,发现钢筋锈蚀时采取措施多追加维修费5美元,顺筋开裂时多追加维修费25美元,严重破坏时则多追加维修费125美元。这一可怕的放大效应,使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性问题的研究。3 混凝土耐久性研究的意义对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测,不仅可以揭示潜在危险,及时做出维修或拆除决策,避免重大事故的发生,而且研究成果可直接用于结构设计。通过对结构的耐久性预评估,修改设计方案,使所建结构具有足够的耐久性,从而做到防患于未然。对已有建筑进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测,以选择对其正确的处理方法,可以说是混凝土耐久性研究最主要的背景。世界发达国家在经过了大规模的新建之后,重点已转向对旧建筑的维修改造上。英国1978年用于投资改造的费用为1965年的3.76倍。瑞典建筑业的首要任务是对已有建筑物进行更新改造。在我国,国情决定了基建投资不能一味追求新建项目,应将眼光转向危旧房屋的扩建、改建上。我国现有房屋20%～30%具有改造条件,改建比新建可以较快地收回投资[8]。
除了对已有建筑进行耐久性评定之外,对新建项目进行耐久性预评估和寿命设计,可以揭示影响结构寿命的内部和外部因素,对于提高工程的设计水平和施工质量也有一定的意义。
4 混凝土耐久性的研究动态对混凝土结构耐久性问题的研究可追溯到三四十年代,但最近十几年才受到广泛重视。美国ACI437委员会于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测试验的详细方法和步骤[9]。美国联
邦公路管理局制定计划,研究了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究,并于1985年提交了研究成果概要报告,1986年开始陆续出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。日本建筑学会(AIJ)1988年推出了《建筑物使用指南》,1992年又推出了《建筑物现状调查、诊断、维修指南》;同年,欧洲混凝土委员会颁布的《耐久性混凝土结构设计指南》反映了当今欧洲
2工业建筑 1997年第27卷第5期混凝土结构耐久性研究的水平。有关混凝土耐久性国际会议已召开多次,反映了各国研究的最新成果。1987年,国际桥梁与结构学会(IABSE)在巴黎召开“混凝土的未来”国际会议;1988年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议;1989年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议;1991年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议;1993年IABSE在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议;由欧洲RILEM等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议[10],自1976年以来,每三年举行一次。钢筋混凝土结构的耐久性问题在我国也日益受到重视。1990年4月,建设部组织成立全国建筑物鉴定与加固委员会,至今已召开三届学术交流会。全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学组于1991年成立,中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段。建设部在“七五”和“八五”期间都专门设立课题研究混凝土的耐久性问题。“七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结构耐久性及其使用年限”,包括结构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温湿度对碳化的影响等;“八五”攻关课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”,包括拟建混凝土结构耐久性设计方法,在用混凝土结构的耐久性检测和评估方法,在一定条件下诸因素对混凝土结构耐久性的综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库等,目前已取得一些成果。5 混凝土耐久性研究的现状和评述钢筋混凝土结构的耐久性研究,分为材料的耐久性研究、构件的耐久性研究和结构耐久性研究三个层次,其中前两个层次已经研究得较为深入。5.1材料耐久性研究材料耐久性的研究已经比较深入,成果主要集中在混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融循环等方面,并考虑了大气、海洋、化学侵蚀等不同的工作环境对材料耐久性的影响。5.1.1混凝土碳化研究一般认为,混凝土碳化是由于大气中的CO2
与混凝土中的碱性物质发生反应,使混
凝土表面碱性降低[11]。在建立理论模型时,
国内、国外大都假设:(1)CO2在混凝土中的扩散遵循Fick第一定律;(2)CO2的浓度呈线性分布,锋面处浓度为0。Meyer、Nishi、阿列克谢耶夫等都得到了混凝土碳化的理论公式[12,13],但其中的一些参数一般很难测定,工程上一般采用下述碳化模式:X=Kt 这一公式已为1990CEB-FIP模式规范所采用,式中碳化系数K体现了混凝土的抗碳化能力,与水灰比、水泥品种和用量、环境因素、养护方法等有关,对于其取值,Kishitani[13]、山东建研所[14]、上海建材学
院[15]、中国建研院结构所[16]、清华大学[17,18]、
西安建筑科技大学[19]等都各自提出了经验计算公式。5.1.2 钢筋锈蚀研究混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学过程。国外这方面研究得比较早,且许多成果已被国内所引用。国内主要是在国外成果的基础上,进行修正和补充研究。因此,国内的成果基本反映了当今世界的研究现状。文献[2]基于O2在混凝土中的扩散服从Fick第一定律的假设,利用Farady定律建立了大气环境中钢筋锈蚀模型[2],但公式需测定电量,工程应用比较困难。中国建研院考虑水泥品种、混凝土养护条件、环境作用等多种因素建立了钢筋锈蚀的一般规律[20]。
3混凝土耐久性研究现状和研究方向——卢木