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1、混凝土结构的耐久性与混凝土结构的耐久性与高性能混凝土配制技术高性能混凝土配制技术l混凝土是世上用量最大的人造材料混凝土是世上用量最大的人造材料l基础设施工程主要用混凝土结构建造基础设施工程主要用混凝土结构建造l混凝土结构的耐久性已成为世界性问题混凝土结构的耐久性已成为世界性问题 由于改进了桥梁耐久性设计方法并由于改进了桥梁耐久性设计方法并采用了许多新的防腐技术，美国新建桥采用了许多新的防腐技术，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足预期已能满足75年以上设计寿命年以上设计寿命 但是过去建成的桥梁已无法改变，但是过去建成的桥梁已无法改变，仍
2、将继续为其付出昂贵的维修费用直至仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建最后拆除重建 美国每年用于基础设施修复的费用约为这些美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的基础设施总资产的10%10%研究认为，对于桥梁等生命线工程，因修复、研究认为，对于桥梁等生命线工程，因修复、更换造成交通延误等间接损失更大，间接经济更换造成交通延误等间接损失更大，间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的损失是直接用于桥梁修复费用的1010倍。倍。在加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设在加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费施工程估计需耗费5000亿美元亿美元 在英国，据说有在英国，据说
3、有1/31/3的桥梁需要修复的桥梁需要修复 发达国家土建设施腐蚀造成的年损失发达国家土建设施腐蚀造成的年损失约占约占GDP的的1.52%，其中主要是混凝土结构腐蚀，其中主要是混凝土结构腐蚀l 较低的水泥用量、较多的矿物掺和料用量，较少较低的水泥用量、较多的矿物掺和料用量，较少的拌和水用量的拌和水用量l 混凝土有较高的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性混凝土有较高的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性和工作性和工作性l 能提高混凝土耐久性，又充分利用工业废料和减能提高混凝土耐久性，又充分利用工业废料和减少水泥生产的能源消耗与污染少水泥生产的能源消耗与污染l 这种混凝土有可能为基础设施工程提供这种混凝土有可能为
4、基础设施工程提供100年以上年以上的使用寿命的使用寿命北美（加拿大安大略省）北美（加拿大安大略省）公路桥面板耐久性设计要求公路桥面板耐久性设计要求中国美术馆全景美术馆梁钢筋锈蚀情况美术馆梁钢筋锈蚀情况 美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况 配筋混凝土配筋混凝土 我国我国 美国美国 英国英国最低强度最低强度 等级等级 C15 C25 C30（C25）碳化锈蚀碳化锈蚀 露天雨淋环露天雨淋环境下保护层境下保护层厚度板板2cm 梁梁3cm3.8cm（d16）C35,3.5cm干湿交替下干湿交替下C40，4cm 严重冻融严重冻融仅水工规范仅水工规范 要求引气要求引气要求引气要求引气
5、要求引气要求引气日本规范规定的更高（最低相当于日本规范规定的更高（最低相当于C35C35，100100年寿命为年寿命为C45C45）l钢筋锈蚀钢筋锈蚀 氯离子氯离子引起引起 水水 氧氧 近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入近海环境、除冰盐环境，氯离子从外表侵入 海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入海砂、防冻盐用于混凝土，氯离子拌入 碳化碳化引起引起 二氧化碳二氧化碳 水水 氧氧l冻融破坏冻融破坏 水饱和程度水饱和程度 冻融循环次数冻融循环次数 混凝土损伤剥落混凝土损伤剥落l硫酸盐、酸、软水侵蚀硫酸盐、酸、软水侵蚀l碱骨料反应碱骨料反应骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层骨料，水泥浆体，浆体与骨料界
6、面层水泥浆体组成：水泥浆体组成：水化硅酸钙（水化硅酸钙（C-S-H凝胶）凝胶）,水化铝硫酸钙（少量）水化铝硫酸钙（少量）氢氧化钙氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性）（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性），未水化水泥颗粒未水化水泥颗粒C-S-H 凝胶孔隙（凝胶孔隙（纳米级，与有害物质渗透关系不大纳米级，与有害物质渗透关系不大）毛细孔隙（毛细孔隙（原为拌合水占据空间原为拌合水占据空间，0.015微米；高水灰微米；高水灰比混凝土可到比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体微米，早期体积可占浆体40）气泡气泡（裹入气泡和引气气泡）（裹入气泡和引气气泡）相对湿度相对湿度RH碳化引起锈蚀碳化引起锈
7、蚀氯离子锈蚀氯离子锈蚀50097003680161901298955012299233传统设计方法传统设计方法Deem-to-satisfy Method针对不同环境条件，针对不同环境条件，对混凝土材料和结构构造规定不同要求对混凝土材料和结构构造规定不同要求（回避使用寿命要求）回避使用寿命要求）混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、）混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、）混凝土配合比（最大水胶比、最低胶凝材料用量）混凝土配合比（最大水胶比、最低胶凝材料用量）混凝土最低强度等级，抗冻等级，混凝土最低强度等级，抗冻等级，结构构造（保护层最小厚度，）结构构造（保护层最小厚度，）改进趋向改进趋向1、按不
8、同劣化机理，细化环境类别及不同温、湿度作用按不同劣化机理，细化环境类别及不同温、湿度作用2、提出不同使用年限的不同要求、提出不同使用年限的不同要求 混凝土结构耐久性设计混凝土结构耐久性设计 与施工指南与施工指南中国土木工程学会标准中国土木工程学会标准 CCES 012004 耐久性设计的极限状态耐久性设计的极限状态钢筋锈蚀钢筋锈蚀 预应力钢筋预应力钢筋 开始锈蚀开始锈蚀 普通钢筋普通钢筋 顺筋开裂；或裂宽到顺筋开裂；或裂宽到 0.1mm 碳化锈蚀与氯盐锈蚀可取不同状态碳化锈蚀与氯盐锈蚀可取不同状态混凝土腐蚀混凝土腐蚀 轻微，不影响混凝土对钢筋的保护轻微，不影响混凝土对钢筋的保护l1980年西柏
9、林议会大厅预应力混凝土壳体屋顶年西柏林议会大厅预应力混凝土壳体屋顶 部分塌部分塌 毁毁l1985年英国威尔士一座节段拼装式预应力混凝年英国威尔士一座节段拼装式预应力混凝 土桥倒塌土桥倒塌l1992年比利时一座后张预应力混凝土桥倒塌年比利时一座后张预应力混凝土桥倒塌l1992年英国运输部发布暂时停止设计后张预应年英国运输部发布暂时停止设计后张预应 力混凝土桥的禁令；过了力混凝土桥的禁令；过了4年以后才恢复年以后才恢复l我国近年因拉索锈蚀造成工程事故接连发生我国近年因拉索锈蚀造成工程事故接连发生l广东海印大桥（斜拉桥）的拉索锈断广东海印大桥（斜拉桥）的拉索锈断l四川宜宾小南门拱桥四川宜宾小南门拱桥
10、 二座桥的使用年限不到二座桥的使用年限不到10年年1 一般环境一般环境（无冻融，盐、酸等作用）（无冻融，盐、酸等作用）l 室内干燥环境室内干燥环境 Al 非干湿交替的室内潮湿环境或非干湿交替的室内潮湿环境或 露天环境，长期湿润环境露天环境，长期湿润环境 Bl 干湿交替环境干湿交替环境 C2 一般冻融环境一般冻融环境 (无盐、酸等作用无盐、酸等作用)l 微冻地区，混凝土中度饱水微冻地区，混凝土中度饱水 Bl 微冻地区，混凝土高度饱水微冻地区，混凝土高度饱水 Cl 严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水 Cl 严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水 D3
11、 近海或海洋环境近海或海洋环境l 水下区水下区 Dl 大气区大气区 轻度盐雾区轻度盐雾区 D 离平均水位离平均水位15m以上的海上大气区，以上的海上大气区，离涨潮岸线离涨潮岸线50m外至外至200m内的陆上室外环境内的陆上室外环境 重度盐雾区重度盐雾区 E 离平均水位上方离平均水位上方15m以内的海上大气区，以内的海上大气区，离涨潮岸线离涨潮岸线50m内的陆上室外环境内的陆上室外环境l 水位变化区和浪溅区，非炎热地区水位变化区和浪溅区，非炎热地区 El 水位变化区和浪溅区，南方炎热地区水位变化区和浪溅区，南方炎热地区 F4 除冰盐冻融环境除冰盐冻融环境 混凝土中度饱水混凝土中度饱水 E 混凝土
12、高度饱水混凝土高度饱水 F5 盐碱结晶环境盐碱结晶环境 轻度盐碱结晶轻度盐碱结晶 E 重度盐类结晶重度盐类结晶 F6 大气污染环境大气污染环境 汽车或机车废气汽车或机车废气 C 酸雨酸雨 D（pH小于小于4时按时按E级）级）盐碱地区含盐大气和雨水盐碱地区含盐大气和雨水 D，E，C按按 环境类别，环境作用等级，设计年限环境类别，环境作用等级，设计年限确定：确定：1 混凝土材料混凝土材料 2 结构构造和裂缝控制结构构造和裂缝控制 3 施工要求施工要求 4 使用阶段检测和维修使用阶段检测和维修 5 防腐蚀附加措施防腐蚀附加措施氯离子环境下的重要工程，按劣化模型计算复核氯离子环境下的重要工程，按劣化模
13、型计算复核1 1 混凝土材料选择混凝土材料选择1)1)选用低水化热、低选用低水化热、低C C3 3A A含量、偏低含碱量水泥含量、偏低含碱量水泥2)2)选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及 粒形粒形3)3)矿物掺和料作为一般情况下的必需组份矿物掺和料作为一般情况下的必需组份4)4)将适量引气作为常规手段将适量引气作为常规手段5)5)采用偏低的用水量采用偏低的用水量6)6)限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量 7)7)尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量强度与耐久性的矛盾强度与
14、耐久性的矛盾 粉煤灰粉煤灰 引气剂引气剂低水胶比与抗裂性的矛盾低水胶比与抗裂性的矛盾 2 2 构造措施和裂缝宽度限制构造措施和裂缝宽度限制1)1)隔绝或减轻环境对混凝土的作用隔绝或减轻环境对混凝土的作用 结构形状，防、排水，表面涂层或防腐层结构形状，防、排水，表面涂层或防腐层 2)2)为钢筋提供足够的混凝土保护层厚度为钢筋提供足够的混凝土保护层厚度 3)3)混凝土裂缝控制混凝土裂缝控制 混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾 增加保护层厚度，表面裂宽将增大，但对防止钢筋增加保护层厚度，表面裂宽将增大，但对防止钢筋锈蚀仍然非常有利。锈蚀仍然非常有利。3
15、3 施工要求与施工质量验收施工要求与施工质量验收必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容 表层混凝土质量混凝土养护质量表层混凝土质量混凝土养护质量 保护层厚度的施工允许误差保护层厚度的施工允许误差 质量检验质量检验 保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性 （现场回弹、抗拔、抗渗）（现场回弹、抗拔、抗渗）混凝土养护质量要在合同中规定奖惩办法混凝土养护质量要在合同中规定奖惩办法 抽样检测钢筋保护层厚度抽样检测钢筋保护层厚度 对表层混凝土渗透性作现场实测或钻芯测试对表层混凝土渗透性作现场实测或钻芯测试钢筋位置的
16、误差，钢筋位置的误差，5mm的施工误差，可使的施工误差，可使20mm保护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的保护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的年限缩短近一半年限缩短近一半 养护不良影响更大养护不良影响更大 DuraCrete指南中，指南中，7天的养护系数为天的养护系数为1天的天的2倍（氯离子作用）和倍（氯离子作用）和4倍（碳化作用）可使倍（碳化作用）可使工作寿命工作寿命 从从50年分别降到约年分别降到约25年和年和12.5年年 施工质量对结构耐久性的重要性施工质量对结构耐久性的重要性 4 4 使用期内的维修和定期检测使用期内的维修和定期检测 使用年限与使用阶段维修紧密联系使用年限与使用阶段维修紧密联系 环境严重作用下的结构物必须定期检测环境严重作用下的结构物必须定期检测 设计文件中必须向业主与运营单位提出设计文件中必须向业主与运营单位提出使用过程中的定期检测和维修要求使用过程中的定期检测和维修要求 5 防腐蚀附加措施防腐蚀附加措施环氧涂层钢筋环氧涂层钢筋混凝土表面防腐涂层、面层混凝土表面防腐涂层、面层钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂渗透模板渗透模板阴极保护阴极保护二、以耐久性为主的高性能二、以耐久性为主的高
