混凝土结构耐久性研究的新进展.pdf

2 0 1 1年 第 8期 总 第 2 6 2 期 Nu mb 8i n 2 0 1 1 T o t a l No ． 2 6 2 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ．0 1 7 混凝土结构耐久性研究的新进展 左江波，綦春明 南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 摘要 从混凝 土结构 耐久性设 计 、 评估和寿命预测等方面总结 了国内外 混凝土结构耐 久性的研究现状 ， 展望 了混凝土结构 耐久性研 究的发展趋势 ， 并 提出当前 混凝土结构耐久性研究亟待解决的几个问题 ， 以期为更深入研究混凝土结构耐久性提供参考和借鉴 。 关键词 混凝土结构；耐久性设计；评估；寿命预测 中图分类号 T U5 2 8 ． O l 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 0 5 1 - 0 4 L a t es t r e s ea r c h pr ogr e s s i n t he dur a bi l i t y of c onc r e t e s t r u c t u r e s z UoJ i a n g - b o ． Q I C h u n - m／ n g C o l l e g e o f Ci t yC o n s t r u c t i o n ， U n i v e r s i t y o f S o u t hC h i n a ， H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a ct T h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l o n t h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s t h a t i n c l u d e s t r u c tur a l d u r a b i l i t y d e s i g n ， e v a l u a t i o n a n d l i f e p r e d i c t i o n we r e s u mma ri z e d ．Mo r e o v e r ， t h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t ure s r e s e a r c h t ren d s we r e l o o k e d f o r wa r d a n d s e v e r a l p r o b l e ms s h o u l d b e s ol v e d u r g e n t l y t o p r o v i d e r e f e r e nc e f o r a mo re i n d e p t h s t u d y of t h e d ur a b i l i t y o fc o n c r e t e s t r u c t u r e s ． Ke y w o r ds c o n c r e t e s t r u c tur e； d ura bi l i t y d e s i gn ； e v a l u a t i o n； l i f e p r e di c t i o n 0 引言 1 研 究混凝 土结构耐久性的意义 从现代混凝土开始应用于建筑工程至今的 1 5 0年时间内， 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 到设计寿命。 分析其原因有的是由于结构设计的抗力不足引起 的， 有的是由于使用荷载的不利变化造成的， 但更多的是由于 结构耐久性不足导致的。 事实上， 混凝土结构的耐久性失效问题 己成为当前困扰土木工程的一个世界性问题【 1 ] 。 所谓结构的耐久性是指结构在正常设计 ， 正常施工， 正常 使用和正常维护条件下 ， 在规定的时间内， 由于结构构件能随 时间的劣化 ， 但仍能满足预定功能的能力 ； 结构耐久性还可以 定义为结构在化学的， 生物的或其他不利因素的作用下， 在预 定的时间内， 其材料性能的恶化不致结构出现不可接受的失效 概率 ； 或指结构在要求的目标使用期内， 不需要花大量资金加 固处理而能保证其安全性和适用性的能力 。 混凝 土结构 的耐久性研 究己越来 越引起人 们的高度关注 ， 迄今为止 ， 已经形成 了混凝土结构耐久性研究框架 ， 见 图 1 。 混凝土结构耐久性 f 大气环境 环 境 层 次 { 鬟 l 工业环境 f 混凝土碳化 氯盐腐蚀 材料层次{ 冻融破坏 I 碱 一 集料反应 【 钢筋锈蚀 f 混凝土锈胀开裂模型 构件层次{ 黏结性能衰退模型 【 构件承载力的变化 结 构 层 次 { 搿 灸 桂 替 藕 圈 1 混凝土结构耐久性研究框架 收稿 日期 2 0 1 1 _ J 0 2 _ o 2 世界上一般国家的基本建设分为三个阶段 第一阶段为大 规模新建， 第二阶段为新建与维修改造并重 ， 第三阶段为转向 旧建筑的维修改造。 目前， 我国正处于第二阶段， 据有关部门统 计， 我国既有的近 7 0 x 1 0 iT 1 的城镇建筑有 5 0 ％进入老化阶段， 其中约有 1 0 2 0 x l O s I l l 需维修加固才能使用， 同时最近每年 用于基础设施工程的投资额度高达 2 0 0 0 0亿元人民币以上， 而 且 以惊人 的速度增长 ， 那 么大约在 3 O ～ 5 0年后 ， 这些工 程也将 进入维修期， 所需的维修费或改造费用， 将更为巨大。 美国学者 用“ 五倍定律” 形象地说明了混凝土结构耐久性设计的重要性 ， 特别是设计耐久性方面的重要性。 它的意思是说对新建项 目在 钢筋防护方面节省 1 美元， 就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施 需多追加维修费 5美元， 钢筋开裂时需多追加维修费 2 5美元 ， 严重破坏时将需多追加 1 2 5美元【] ] 。 对在役混凝土结构进行耐久性评定与剩余使用寿命预测， 不仅可 以揭示潜在危 险 ， 及时作 出维 修或拆除 的决 策 ， 避免重 大事故的发生， 而且研究成果可以直接用于指导结构设计州 。 因 此， 混凝土结构耐久性问题是一项具有重大实际意义和社会经 济效益的研究。 2 多学科联合研究混凝土结构耐久性 在对混凝土结构耐久性研究的初期， 国内外的学者往往局 限于材料的研究， 研究的成果主要包括混凝土的抗渗性， 抗冻 性 ， 抗碳化能力 ， 抗钢筋锈蚀， 抗侵蚀 包括大气和水 ， 抗碱骨 料反应， 我国从 2 0 世纪 5 0 年代开始在水利水电设计规范， 试验 规程和施工规范中列入了耐久性的有关指标 ， 如抗冻强度等级 、 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 抗 渗强度等级等 。 2 O世纪 8 0年代后期美 国国家标准局 和美 国 混凝土耐久性委员会体 AC I 一 2 0 1 共同研制建立了建筑材料的 第一个专家系统一 D U R C O N D u r a b i l i ty c o n c r e t e 系统 ， 专门用 于为提高混凝土耐久性而进行混凝土设计选择方案决策的标 准系统， 主要包括提供控制混凝土钢筋锈蚀、 冰冻和盐冻 、 抗硫 酸盐侵蚀和碱骨料反应等方面的参数『5 ] 。 而到 2 0世 纪末 2 1 世纪初 ， 混凝土耐久性 的研究 又 出现 了 新的概念 ， 即混凝土耐久性的“ 整体论” 。 大量的研究l6 初步说 明混凝土材料尤其是混凝土结构， 其耐久性是一个综合因素的 损伤破坏过程， 必须整体来研究和考虑。 混凝土结构耐久性研究是一个多学科、 多目标的系统工程， 涉及材料 、 结构、 力学 、 化学、 数学等多个领域， 随着耐久性研究 的发展， 科研人员对混凝土结构耐久性认识程度的不断加深， 逐 步认识到材料与结构二者是分不开的。 材料影响结构， 结构的状 态和变化又影响材料。 因此， 耐久性的研究必须实现结构和材料 的联合 。 除此之外 ， 环境状态又与耐久性 问题 息息 相关 ， 因为在 不同的环境条件下， 混凝土材料以及结构产生的老化损伤规律 是不同的。 在根据耐久性设计混凝土结构使用寿命方面， 尤其要 注重从材料到结构， 从结构到环境以及运行状态等多方面的联 合研究 ， 仅有如此才能得到符合实际工程应用的成果。 3混凝土结构 的耐久性设 计 1 9 8 9年欧洲 出版 了{ C E B耐 久混凝 土结 构设计指南 嘞 ， 解 决了耐久性构造和施 技术方面的要求 ， 并对环境类别及其作 用等级作了细化 ， 提出了不同使用年限的不同要求 ， 考虑了材 料常规指标及组成和保护层厚度等因素的影响， 体现了将混凝 土耐久性作为设计指标的设计理念。 同年 日本首次提出以定量 的方法评价混凝土结构的耐久性， 并在“ 混凝土结构物耐久性 设计指针” 中引人耐久性指数的概念。 我国在借鉴国内外科研 成果的基础上 ， 于 2 0 0 4年编制了 C C E S 0 l 2 0 0 4 混凝土结构 耐久性设计与施工指南 ， 于 2 0 0 9年住房和城乡建设部颁布了 G B ／ T 5 0 4 7 6 --2 0 0 8 ,凝土结构耐久性设计规范 。 然而世界各 国颁布的这些规定仍然局限于环境分类 、 材料方面、 结构的形 式和构造 、 施工方法等方面的要求， 从宏观上控制和保证结构 的耐久性， 并没有实现对混凝土结构耐久性的设计 目标的量化 规定。 如何完善混凝土结构耐久性设计是国内外科研丁作者的 迫切任务。 当前 ， 混凝土耐久 性设计 的理论研 究主要有两种 [9 , 1 1 ] 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。 这种方法主要按适 用性的要求确定， 常以有害介质侵蚀到钢筋表面或混凝土保护 层胀裂作为为耐久性极限状态， 体现是材料层面的研究成果， 不 能直接参与结构使用寿命的预测计算模型， 且现行规范采用的 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计算和验 算部分， 构造要求部分。 基于这种理论 ， 李田、 刘西拉[ J o l等学者引 入耐久性设计概念 ， 提出了 S r l R， 式中 S为内力设计值 ， R为 构件抗力设计值， “为耐久性设计系数， 它是构件经 t 时间后的 可靠指标B t 的函数 ， n f [ 1 3 t 1 。 这种方法的计算和验算部分 不仅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 52 扩建结构同原结构有相 同的有效使用寿命 ， 达到安全 、 经 济 、 实 用的 目的， 并且与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调 ， 被 广大设计者所采用。 但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， 故这一领域的研究有待深人。 4 混凝 土结构 的耐 久性评估 混凝 土结构 的耐久性 与寿命 预测是 同际结构工 程学科 研 究的热点问题 ， 受到工程界的普遍关注与重视。 结构耐久性评估 包括结构耐久性评定 、 结构构件及结构的寿命预测。 目前关于混凝土耐久性评估理论的研究可分为三类【 1 1 - 2 ] 一 是混凝土结构耐久性专家系统评估法； 二是基于可靠性理论 的混凝土结构耐久性评估 ； 三是运用现代不确定性数学T具 ， 建 立各种评估模型， 包括基于灰色理论的多层次综合评定方法、 基 于模糊数学理论 的评定 方法 、 利用神经 网络建立评 定模 型 以及 联 合运用模糊推理 、 神经 网络 、 遗传算法等理论建立评估模 型。 4 ． 1 专 家 系统评估 法 壬永平 3 1等在对十位桥梁专家的咨询以及大量调查研究基 础之上， 收集整理了桥梁评估专家知识 ， 提出用损伤度来度量结 构或构件的损伤程度 ， 并探索了桥梁评估的专家系统； 文献[ 1 4 1 用专家系统来分析水电工程钢筋混凝土结构破损状况 ， 试图模 仿人类专家决策的机理， 发展一种决策方法对建筑物的破损状 态进行评估 。 4 ． 2 基于可靠性理论的混凝土结构耐久性评估 姜海波_ 】5 ] 等采用可靠度理论对一座既有铁路混凝土桥梁在 单元时段内的失效概率进行了估计， 并根据剩余使用期内的失 效概率与单元时段内失效概率的简单比例关系， 对该梁剩余使 用期内的失效概率进行了估计 ； 文献【 1 6 ] 考虑了结构抗力随时 间衰减的时变性对结构可靠性的影响， 给出了基于可靠度的钢 筋混凝土结构耐久性分 析方法 ； 彭可可等 基于时变可靠度理 论， 将随机有限元、 神经网络和蒙特卡罗法结合 ， 提出评估在役 桥梁结构可靠度的 F NM 法， 并对 1座建成 8年 、 主跨为 8 O m 钢筋混凝土拱桥进行时变可靠度分析 ， 得 该桥主拱在第 8年 需要维修加固的结论。 4 ． 3 人 工智能手段的综合评估方法 天津大学张玉敏等_I 8 1 采用基于神经网络与响应面法相结合 的结构可靠度分析方法 ， 通过得出的可靠指标对受海水腐 蚀的 混凝土结构进行 了耐久性评价 ， 该方法建立的神经 网络模 型可 以很好地拟合真实 的极 限状 态函数 ， 在混凝土耐久性 预测中具 有较广阔的应用前景等 ； 薛鹏飞等的基于灰色关联和模糊识别 方法 ， 利用信息熵和复合权重的概念， 综合考虑了专家经验和 检测数据固有信息对混凝土结构耐久性进行评估 ， 并结合T程 算例验证了其有效性 ； 胡志坚I 2 o } 在评估系统巾嵌入专家知识， 采用多层神经网络和模糊理论实现结构状态评估 ， 以J - 程实例 验证 了 C B C S AS的可行 性与有效性 ； 大连理 J 大学海岸与近海工 程国家重点实验室， 将模糊推理、 神经网络、 遗传算法二 t 种技术有 机融合在一起， 建立了基于自 适应神经一 模糊推理系统 AN FI S 和 遗传算法 G AS 的桥梁耐久性评估专家系统。 该系统将 专家的 模糊推理过程蕴含于神经网络结构中， 使神经网络的节点和权 值具有明确的物理意义 ， 避免了传统神经网络1 作过程的“ 黑 盒” 性。 同时该系统又具有神经网络的自适应性和学习能力， 克 服了传统模糊推理系统学习能力差的缺点。 并以实测数据对其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 进行训练和测试， 系统输出与期望输出吻合较好_2 1 】。 5 混凝土结构耐久性寿命预测 1 9 6 1 年 D a v e y 首次提出了建筑结构服役寿命的概念。 1 9 8 6 英 国S o me r v i l l e [ ]从使用寿命的角度出发， 将使用寿命分为 3类 技术服役寿命 、 经济服役寿命、 功能服役寿命。 1 9 9 3年 C l i ft o n [2 3 总结预测建筑结构材料的服役寿命的方法， 主要有从相似的材 料性能进行推测的方法、 基于经验的估计方法、 加速试验方法、 基于化学或物理劣化过程的数学模型方法以及应用可靠度与 随机概念的方法。 5 ． 1 寿命 准 则 结构寿命预测的关键是在进行结构寿命预测之前， 首先要 明确结构 的预定功 能是什 么以及 如何判 断结构 的功能失效 ， 目 前主要有 以下几种寿命准则 ①碳化寿命准则 ； ②锈胀开裂寿 命准则 ； ⑨裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则； ④承载力寿 命准则。 5 ．2 寿命预测 关于混凝土结构耐久性寿命预测的研究， 浙江大学金伟良 教授[ 1 】] 认为目前的理论主要包括 3大类 、 即侵蚀介质引起钢筋 脱钝寿命理论 、 钢筋锈蚀引起混凝土开裂寿命理论 、 基于结构 可靠度指标的抗力寿命理论。 刘海等 以混凝土保护层开裂作为耐久性寿命的终结标准 ， 将混凝土立方体抗压强度与保护层厚度作为耐久性评定参数 ， 结合混凝土结构服役期间的碳化深度与钢筋锈蚀深度的实测 数据， 通过计算锈胀开裂时间得到一般大气环境下混凝土结构 的剩余寿命。 蒋金洋 、 孙伟、 金祖权等【2 5 ] 从材料层次分析了疲劳载荷与 碳化作用对混凝土的耦合效应， 根据混凝土承受 的疲劳载荷 和大气环境 ， 建立了疲劳载荷与大气环境复合作用下的混凝 土碳化寿命预测模型， 计算结果表明 疲劳载荷对混凝土损伤 程度越大 ， 其服役寿命降低就越显著； 混凝土抗疲劳载荷能力 越强， 且运营过程中承受的疲劳载荷应力水平越小， 其服役寿 命 就越大 。 文献[ 2 6 ] 选取钢筋锈胀开裂作为寿命准则 ， 在试验基础上 提出合理的钢筋锈蚀轨迹假设模型并分析确定其参数 ， 接着运 用 损伤力学 理论对 因钢筋锈蚀膨 胀而对混凝 土产生 的作用效 应进行数值模拟， 并结合对钢筋锈蚀前的保护层被侵蚀时间的 分析， 可最终对结构的耐久ll生使用寿命进行评价和预测。 李卓莹等 分析钢筋混凝土结构钢筋表面氯离子浓度随 服役年限关系的基础上， 用 Mo n t e C a r l o方法对钢筋脱钝的随机 可靠度进行分析， 分析表明 浪溅区和水位变动区的耐久性低 于水 下区 ， 现有普 通硅酸盐海 工混凝土 的耐久性较低 ， 难 以满 足设计使用寿命要求 。 然而以上这些寿命预测方法基本停留在单一环境因素作用 下混凝土构件的评估与寿命预测， 并不能真正实现混凝土结构耐 久性全过程的性能评估与寿命预测， 随着研究的不断加深 ， 有学 者提出了基于全生命周期的混凝土结构耐久性评估的概念[2 8 1 。 6结语 当今我国重大基础工程建设的迅猛发展和城市化高速推 进已引起混凝土科学与工程界的倍加关注 ， 大量水泥和混凝土 材料的耗用不仅给我国的环境保护和资源紧张带来了挑战， 同 时也是混凝土结构耐久性研究的巨大推动力。 如不提高混凝土 结构的耐久性 ， 延长工程的服役寿命 ， 必将给国家造成巨大的 经济损失 ， 影响到社会可持续发展 ， 并将为工程的安全服役带 来威胁。 本文系统分析并总结了国内外混凝土结构耐久性设计、 评 估和寿命预测的研究现状 ， 在此基础上就该研究领域的发展方 向提 出当前亟待解决 的问题 1 材料本身的劣化是使结构耐久性变差的内在因素， 需 从材料退化的机理出发研究结构的性能退化。 2 中国幅员辽阔， 气候差异悬殊， 混凝土耐久性的要求也 不相同， 故需协调 、 联合相关单位或研究机构建立混凝土耐久 性数 据库 。 3 混凝土结构耐久性 问题成 因复杂 ， 影响 因素众多 ， 且各 因素间有耦合效应 ， 应加强基于多因素交叉影响下的混凝土结 构耐久性试验研究。 4 有待进一步研究和发展基于全生命周期理念 S L C C 的耐久性设计理论和混凝土结构耐久性的动态评估与寿命预 测体系。 参考文献 [ 1 ] 陈肇元， 徐有邻， 钱稼茹． 土建结构工程的安全性与耐久性『 J ] ． 建筑技 术 ， 2 0 0 2 ， 3 3 4 2 4 8 2 5 3 ． [ 2 ] 牛荻涛． 混凝土结构而 寸 久性与寿命预I U [ M ] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 3 ． [ 3 】 户木． 混凝土耐久性研究现状和研究方向[ J J _工业建筑 ， 1 9 9 7 ， 2 7 5 1 6． 【 4 】 张誉， 等． 混凝土结构耐 l 概论【 M 】 ．上海 上海科学技术出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 ]G u i d e t o D u r a b l e c o n c e r t e [ J ] ． AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 5 ． [6 ] 覃维祖． 混凝土结构耐久性的整体论} J 1． 建筑技术， 2 0 0 3 ， 3 4 1 1 9 2 2 ． [ 7 ] 朱剑泉， 李惠强， 帅小根基于整体论的钢筋混凝土利久性评估研究田 ． 华中科技大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 2 S 1 1 7 1 9 ． [ 8 ]C E B ／ F I P D u r a b l e c o n c r e t e s t r u c t u r e d e s i g n g u i d e [ S ] ．S w i t z e d a n d T h o ma s T e ffo r d， 1 9 9 2． [ 9 】刘彩玲 ， 曹国旭， 吴军利． 混凝土结构耐久性的研究现状与展望【J ] ． 西 安建大科技 ， 2 0 0 6 1 2 3 2 8 ． 【 1 0 ] 李田， 刘西拉． 混凝土结构耐久性分析与设计【 M ] ． ] E 京 科学出版社， 1 9 9 9． ， [ 1 1 ] 金伟良， 吕清芳， 赵羽习 ， 等． 混凝土结构耐久性设计方法与寿命预 测研究进展f J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 7 ， 2 8 1 7 - 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