土木工程材料结课论文 1

土木工程材料结课论文

题目：混凝土耐久性与寿命预测

学院：力学与材料学院 专业：材料工程 姓名：庞东旭

学号：[1**********]0 任课老师：蒋林华

摘要

摘要：实现混凝土工程的高耐久和长寿命是效益巨大的节能减排和可持续发展之举措, 混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键技术已成为共识。混凝土结构的耐久性问题是一个十分复杂的工程问题， 不仅影响到结构的使用寿命， 更加影响到整个社会的经济效益。本文介绍了混凝土结构耐久性的研究现状， 详细阐述了混凝土结构耐久性的影响因素、研究方法以及耐久寿命的定义， 重点介绍了混凝土结构材料耐久寿命预测的研究方法， 最后提出了混凝土结构耐久性需进一步研究的问题。

关键词：混凝土；耐久性；研究现状；寿命预测

水泥混凝土以其原材料易得、易浇注成型、适应性强、性价比高、综合能耗低等优点而成为当今世界上应用最广泛、用量最大的建筑材料。尽管现代材料科学发展日新月异, 但仍然没有科学家能预言可替代水泥混凝土的建筑材料新品种。从20 世纪30 —40 年代开始,西方国家出于战后重建、工业化、城市化以及能源开发的需要, 用混凝土修建了大量的基础设施, 混凝土用量持续增长。之后, 发展中国家经济的强劲增长进一步助推了混凝土用量的迅猛增长 。1987 年, 美国国家材料顾问委员会提交的调查研究报告使混凝土结构的耐久性在美国乃至世界范围内引起轰动。该报告指出, 大约25.3 万座混凝土桥梁的桥面板, 其中部分仅使用不到20 年就已经发生不同程度地损坏, 使用年限远低于40 ～ 50 年的设计寿命 。大量混凝土结构过早出现严重劣化引起了世界范围内对混凝土耐久性的高度关注, 不仅是因为需要花费巨资修补加固甚至重建, 还在于当今世界人口膨胀、能源供应紧张、环境污染、温室效应导致的气候变暖和生态恶化对可持续发展的迫切需要。混凝土耐久性成为关注焦点促进了世界范围内混凝土理论和技术的快速发展和进步, “混凝土耐久性的整体论模型” 、“混凝土结构的寿命预测” 、“混凝土结构寿命周期评价(影响评价、成本分析)”等新认识、新方法的出现, 将会为克服混凝土结构在服役过程中的过早劣化问题、实现混凝土技术的可持续发展提供强有力支撑。

混凝土结构的耐久性是一个十分复杂的工程问题。目前的研究主要集中在混凝土腐蚀机理研究、在役结构的健康状况评价和剩余寿命预测、结构性能的

防护措施研究等方面，对在役建筑物如何评估其耐久性和剩余使用寿命，也尚无统一方法。事实表明，混凝土结构耐久性的研究滞后于工程实践的需要，因此，积极开展混凝土结构耐久性研究对国民经济建设具有重要意义。本文介绍了工程混凝土结构耐久性的研究现状、影响因素和研究方法，并对混凝土结构材料的寿命预测方法进行了总结和详述。

1 混凝土结构耐久性研究现状

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。混凝土结构的耐久性研究应考虑环境、材料和结构等方面的因素，这些因素可分为环境、材料、构件和结构四个层次，相对而言材料层次的研究是混凝土结构耐久性研究最基础的部分，也是研究得较为深入的部分，材料的耐久性研究包括对混凝土和钢筋两种材料的研究。

20世纪20年代初，伴随着混凝土结构的大规模应用，逐渐出现了许多新的耐久性损伤类型，这促使学者积极进行有针对性的研究。1925年，在Miller领导下，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验，其目的是为了获取25年、50年甚至更长时间的混凝土腐蚀数据1934~1964年间，卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的耐久性进行了实验研究，并提供了有关混凝土结构在自然条件下使用情况的可靠数据以及有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产因素对混凝土抗蚀性影响方面的见解。1945年，Powers 等人从混凝土亚微观入手，分析了孔隙水对孔壁的作用，提出了静水压假说和渗透压假说，开始了对混凝土冻融破坏的研究。我国对混凝土耐久性的研究始于20世纪60年代南京水利科学研究院对钢筋锈蚀的研究，当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。较大规模的研究在20世纪80年代，我国以中国建筑科学研究院和中冶集团建筑研究总院为首对混凝土构件的耐久性展开了广泛而深入的研究，取得了不少成果。

2 影响结构材料耐久性的因素

Taylor HFW 根据实验室试验结果和现场试验明确表明：水泥基材料的耐久性在大多数情况下是由它们作为坚实的屏障而有效阻止或至少是降低离子迁移进程决定的。劣化机理一般包括外界离子通过渗透进入材料的孔结构中，以及含水相和不含水相的化学物质的分解。混凝土结构在他们的寿命期内暴露于各种不同的环境中，因此有可能发生严重影响结构寿命的劣化。破坏因素有内部因素与外部因素之分。外部因素常常通过内部因素或进入混凝土内部而起作用；外部因素之间也常常相互影响和几个因素先后或同时造成破坏作用。这些都增加了混凝土耐久性问题的复杂性。混凝土结构常见的破坏因素有：冻融破坏、钢筋锈蚀、混凝土碳化、氯盐腐蚀、碱-集料反应等。其中氯化物的侵蚀是混凝土结构破坏因素之一。氯离子对混凝土的侵蚀通常发生在海边的混凝土结构，北方地区冬天撒除冰盐的混凝土结构，氯离子对混凝土结构的危害程度远远大于二氧化碳。目前氯离子对混凝土及其内部钢筋的腐蚀机理已有较多的研究，而氯离子对混凝土的侵入却尚未有一个统一的模型。混凝土的冻融破坏主要发生在北方寒冷地区， 虽然目前还无公认的、完全反应混凝土冻害的机理理论，但是对于混凝土抗冻措施已经有了较好的建议。碱-集料反应也是影响混凝土耐久性最主要的因素之一，它不同于其他混凝土病害， 其开裂破坏是整体性的，且碱-集料造成的混凝土开裂破坏难以被阻止，目前其判定方法、影响因素和抑制方法都已有一定的研究。

3 混凝土耐久性研究方法

混凝土构件耐久性的研究是混凝土结构耐久性研究的前提和基础，混凝土结构的耐久性是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统，研究单一因素作用下的结构耐久性是没有实际意义的。目前材料劣化机理的研究比较深入，取得不少研究成果，且已应用于实际工程， 研究材料劣化的目的，在于分析其劣化破坏的机理，对耐久性影响的作用，还要考虑到各种损伤之间的

相互影响和作用，建立多因素的损伤模型。1994 年，Mecha依据“最简单也是最有效的解决方案，是回到缺乏耐久性的根源，即混凝土渗透性和服务期影响渗透性增大的因素上”， 提出了混凝土受外界环境影响而劣化的整体模型。材料性能劣化的计算模型就是描述劣化过程的一种算式，这些模型几乎都是经验的，并且主要是描述碳化或氯离子从混凝土表面侵入混凝土内部致使钢筋表面脱钝并开始锈蚀的过程，以及钢筋脱钝后的锈蚀发展过程与锈蚀后果，至于描述冻融、盐冻、硫酸盐、碱骨料反应对混凝土腐蚀的计算模型则极少。耐久性计算模型有着非常大的不确定性和不确知性，而且无法进行直接验证，不像构件承载力的强度计算模型， 能较为容易地通过承载力试验获得其精度和不确定性。在耐久性研究中，一般都不考虑持久荷载作用下的应力状态对环境作用的影响。但在高应力下，不论受拉或受压，都会加剧环境的腐蚀作用。试验室条件下进行单一和多种作用的快速腐蚀试验时，所采用的腐蚀作用程度远比实际情况严酷得多，所以给出的损害后果很有可能被过分夸大。

4 结构材料耐久寿命的定义

混凝土的耐久寿命是一个与时间有关的过程。Tuutti认为，混凝土结构的劣化过程为两个阶段：初始阶段和扩展阶段。初始阶段为侵蚀性物质进入混凝土保护层到侵蚀性物质到达钢筋处且钢筋开始去钝化；扩展阶段为钢筋开始腐蚀到材料性能达到极限状态。屈文俊等人认为，一般将混凝土中钢筋的因锈胀裂定义为混凝土结构的耐久性极限状态 这样，位于侵蚀性环境条件下的混凝土结构耐久寿命就为自结构投入使用至混凝土结构出现锈胀裂缝的时间跨。这个时间跨一般分为两个时间段，第一阶段为诱发期，也即钝化期；第二阶段为发展期。Geiker等人将使用寿命定义为三部分时间之和，即t=t1+t2+t3，其中：t1为达到稳定状态所经过的湿度迁移时间； t2为暴露于空气一侧的混凝土中钢筋处Cl-达到临界浓度所经过的时间；t3为达到必须修补状态所经过的时间。M.T. Liang 等人认为混凝土使用寿命的定义是：从施工开始至加筋处的Cl-浓

度达到使混凝土初始劣化出现这一段的时间。无论混凝土结构寿命如何定义，使用寿命必须包含如下因素：特定的环境、一定的破坏准则、以概率术语表达等。

5 结构材料耐久寿命的预测

对在役混凝土结构进行耐久性评定和寿命预测，可以揭示潜在危险 及时作出维修、加固或拆除决策，从而避免重大事故的发生，因此对结构材料的耐久性研究以及其耐久寿命预测的研究尤为重要。对混凝土结构耐久性问题的研究可大致追溯到上世纪30～40年代，不同研究者提出了不同预测混凝土使用寿命的方法，包括根据经验预测、基于同类材料性能比较的预测、快速试验、应用可靠性与随机过程概念在材料的物理和化学性能基础上建立劣化过程数学模型。以下介绍三种预测混凝土耐久寿命的预测方法。

5.1 概率方法

马亚丽提出了基于规定可靠指标的混凝土结构耐久寿命预测，这种预测结构材料耐久寿命的模型主要是针对氯离子侵蚀的，模型认为：在氯离子的实际侵蚀过程中，由于混凝土本身质量的离散性和环境条件的变异性（影响氯离子侵蚀的因素都具有随机性），随着时间推移的混凝土侵蚀深度应该是一个随机过程，氯离子侵蚀到钢筋表面的时间则应该是一个具有一定概率分布特征的随机变量。一方面， 通过对氯离子侵蚀影响因素的概率特性进行分析，得出氯离子扩散系数、氯离子临界浓度、混凝土表面氯离子浓度、混凝土保护层厚度的概率分布特征；之后， 依据Fick 定律，计算氯离子侵蚀耐久寿命（氯离子侵蚀到钢筋表面并达到一定浓度的时间） 的概率值。另一方面，利用氯离子侵蚀影响因素的分布特征，计算混凝土结构在不同时间点上的耐久可靠性指标，从而得到氯离子侵蚀耐久可靠性随时间变化的曲线。当某一时间点上耐久可靠性低于规定的指标时，结构的耐久寿命失效，将这个时间点作为氯离子侵蚀的耐久寿命。

Seung Jun Kwon 等人认为氯化物的侵蚀存在着很多的不确定性，如不同的混凝土材料的性能、不同的混凝土保护层厚度、不同的表面氯离子浓度、氯离子极限含量水平的不确定性，因此在预测混凝土寿命时应引入概率的方法。耐

久性失效的概率Pdurability、耐久寿命Tser由下式确定：Pdurability=Pf（t）=P［Ct≥

Ccr］Tser=［Pf（t）≥Pfmax］式中Pfmax为耐久失效的最大概率；Ct和Ccr分

别为进入混凝土的氯化物含量和极限氯化物含量（kg/m3）。

5.2 通过钢筋腐蚀预测混凝土寿命的方法

这种方法通过测定三种不同情况下钢筋的锈蚀状态来预测陆地混凝土的剩余寿命，三种情况为：

（1） 通过碳化作用预测混凝土的剩余寿命。如果没有除冰盐或天灾，设计和施工都很好的结构在定期维修下结构的寿命都很长，其剩余寿命取决于混凝土覆盖层有效深度的碳化。

（2） 通过海砂预测混凝土的剩余寿命。试验中根据统计分析软件SAS利用多元回归分析将腐

蚀率表达成和钢筋损失量相关的一个表达式。这个表达式涉及到三个参数：相对湿度、氯离子和混凝土保护层厚度。

（3） 通过除冰盐预测混凝土的剩余寿命。除了海砂，如果陆地混凝土受到氯离子的侵蚀，最有可能的原因就是使用除冰盐。由于除冰盐使用时间的不确定性使得很难归纳除冰盐的影响。

5.3 试验方法预测混凝土的耐久寿命

Ahmad等人提出用基于累计损伤理论的实验方法来预测混凝土的寿命：如果钢筋混凝土试件从开始去钝化的时间tp开始以它的自然腐蚀率Icorr腐蚀一定的时间Lc，然后给试件通外加电流Ia直到混凝土保护层开裂，这段时间为tcor，那么根据累加损伤理论可以得到方程如下：

L Lc/Lt + La/Ll =1

式中， Lc/Lt为自然损伤部分；La/Ll为外部施加电流导致的损伤部分；La为自然侵蚀发生后到外加电流导致试件完全损伤的时间；Ll为排除自然侵蚀，仅由外加电流对试件导致完全损伤的时间；Lc为钢筋自去钝化到施加电流时发生自然损伤的持续时间；Lt为试件侵蚀导致混凝土保护层开裂的总时间。

6 结语

随着科学技术和生产的发展，混凝土技术也在不断进步，但由于人类的过度开发以及工业发展导致的全球环境恶化，使得混凝土结构面临着新的挑战，高耐久长寿命的混凝土材料成为研究的热点。混凝土结构耐久性研究中涉及到很多不确定性的因素，而且这些不确定性随着人们对混凝土耐久性问题认识的不断深入而日显突出，因此目前研究的重点是如何在当前的大量不完善信息和不确定信息的基础上建立结构的耐久性分析和寿命预测模型。混凝土结构的耐久性是一个十分复杂的问题，目前国内外虽然已在这方面进行了许多工作，但仍有许多不完善的地方。目前的研究主要集中在混凝土腐蚀机理研究、在役结构的健康状况评价和剩余寿命预测、结构性能的防护措施研究等方面。混凝土耐久性影响因素对结构性能的综合作用研究、材料层次的耐久性研究对寿命预测的影响、混凝土结构的耐久性设计和优化维护策略等还有待进一步研究。随着科技的进步， 基于耐久性设计的混凝土结构将得到更进一步的完善。