混凝土耐久性关键技术讲座.ppt
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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10% 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，间接经济损失是直接用于桥梁修复费用的10倍。 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5000亿美元 在英国，据说有1/3的桥梁需要修复 发达国家土建设施腐蚀造成的年损失约占GDP的1.5~2%，其中主要是混凝土结构腐蚀
结构耐久性不足的主要原因 工程设计的耐久性标准过低 工程施工进度的不适当追求 缺乏正常检测与维修 构件强度设计的安全设置水准过低
工程设计的耐久性标准过低： 结构设计规范主要考虑荷载作用下的结构构安全性，环境作用下的耐久性设计被置于次要和从属地位 规范中没有结构设计寿命和耐久性设计的明确要求 耐久性设计要求，未能随着几十年来由于水泥性能、施工条件、环境条件的巨大转变而与时俱进
二、环境作用下混凝土结构 的劣化与混凝土的抗渗性
混凝土结构性能劣化
钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧 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 碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数 混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应
2
60 85
50 75
40 60
基础、桩基承台 ⑴基坑底面有垫层或侧面有模板 （受力钢筋） ⑵基坑底面无垫层或侧面无模板
1
Ⅲ、Ⅳ
Ⅱ
Ⅰ
环 境 条 件
构 件 类 别
序号
北美（加拿大安大略省） 公路桥面板耐久性设计要求
1.0.8 位处Ⅲ类或Ⅳ类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。 1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0.9的规定。
混凝土结构的耐久性是指结构对气候、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。 混凝土结构耐久性问题主要表现为：混凝土损伤（裂缝、破碎、磨损等）；钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀；钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面。 主要影响因素： 材料的自身特性、设计与施工质量、环境条件、使用条件和防护措施。
表1.0.7 结构混凝土耐久性的基本要求
3.0
0.10
C35
325
0.40
受侵蚀性物质影响的环境
Ⅳ
3.0
0.10
C35
300
0.45
海水环境
Ⅲ
3.0
0.15
C30
300பைடு நூலகம்
0.50
严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境；滨海环境
Ⅱ
3.0
0.30
C25
275
0.55
温暖或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性的水或土接触的环境
环境作用
安全性通过正常使用下的适用性加以保证 （将劣化程度控制在规定的容许值以内）
◆◆
耐久性 （防腐蚀） 设计
混凝土是世上用量最大的人造材料 基础设施工程主要用混凝土结构建造 混凝土结构的耐久性已成为世界性问题
一、混凝土结构的耐久性现状
美国联邦公路局资料 登记在册（政府管理）桥梁： 1992年 57.2万座，有缺陷21％ 1999年 58.6万座，有缺陷15％ 拆除老桥费用持续增加
1998年美国土木工程学会报告 美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化，有2100个水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态 又据资料报道 到20世纪末美国共有桥梁约100万座，超过1/4有缺陷
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，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足75年以上设计寿命 但是过去建成的桥梁已无法改变，仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建
混凝土结构性能劣化（环境因素）
钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧 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 碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数 混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应
Ⅰ
最大含碱量
最大氯离子含量(%）
最低混凝土强度等级
最小水泥用量
最大 水灰比
环境条件
环境 类别
25
20
15
收缩、温度、分布、防裂等表层钢筋
6
45
40
30
缘石、中央分隔带、护栏等行车道构件
5
30
25
20
箍筋
4
30
25
20
人行道构件、栏杆（受力主筋）
3
45
40
30
墩台身、挡土结构、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）
70年代起，混凝土耐久性问题开始在发达国家大量出现。 针对混凝土过早劣化，发达国家不断提高混凝土的强度要求与密实性，研究混凝土与钢筋的防腐蚀技术，并对路桥等工程要求按全寿命费用分析进行设计。 80年代中期起掀起了高性能混凝土的研究开发高潮。 90年代起，大力开展混凝土结构耐久性设计方法的研究。
1）一般作用 —— 一般荷载与强制变形 永久荷载---- 自重，土压力 可变荷载---- 使用荷载（人群、车辆）、风、雪 2）偶然作用 —— 地震、爆炸、撞击等 3）环境作用（或环境影响） —— 温度、湿度及其变化，降水，冰冻等大气作用； 土体、水体、空气中有害化学物质作用
C35, 3.5cm 干湿交替下 C40，4cm
严重冻融
仅水工规范 要求引气
要求引气
要求引气
日本规范规定的更高（最低相当于C35，100年寿命为C45 ）
由于水泥强度提高和施工进度加快,实际 耐久性质量大幅度下降 早强水泥配制的混凝土，内部微结构和后期强度发展 不良，易开裂，耐久性差 水泥细度增加—强度容易提高—掺入石灰等辅助材料且比例越来越高 为加快施工进度而掺入早强剂等—早期强度上去了而其他力学性能指标下降了，包括耐久性指标，化学污染也上去了 粉煤灰的应用
我国现行规范（80年代颁布）与国外比较
配筋混凝土
我国
美国
英国
最低强度 等级
C15
C25
C30（C25）
碳化锈蚀 露天雨淋环境下保护层厚度
板2cm 梁3cm
3.8cm （d<16） 5.1cm （d>16）
混凝土的内部结构
骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层 水泥浆体组成： 水化硅酸钙（C-S-H凝胶），水化铝硫酸钙（少量） 氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性）， 未水化水泥颗粒 C-S-H 凝胶孔隙（纳米级，与有害物质渗透关系不大）， 毛细孔隙（原为拌合水占据空间，0.01－5微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体40％） 气泡（裹入气泡和引气气泡）
工程施工进度的不适当追求
养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少 1天养护与7天养护，可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的1/4 抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减为原来的1/4 保护层厚度的5～10mm施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发生成倍差别 结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质量在快速施工中最不易保证。
提倡全寿命周期成本核算： 建筑结构能够安全长久地使用，这就是最大的节约。工程建设的投资不能只计算基建成本，还应该考虑建成后在设计使用年限中的检修、维护费用，实行全成本核算。为防止“政绩工程”、“形象工程”、“献礼工程”等短期行为造成更大的浪费，国家应从政策上作出规定，加以控制。同时应配套地建立起建筑物服役期内正常使用、定期检查、维护检修等制度，完善必要的法规、标准，并引入保险业来承担有关的风险。
混凝土结构耐久性设计的基本措施 1 采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身的抗破损能力 2 加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条件 3 改进桥梁结构设计，包括加大混凝土保护层厚度；加强构造钢筋，防止裂缝发展；采用具有防腐保护的钢筋
提高后张预应力钢筋管道压浆的质量（关键因素） 9.4.12 预应力钢筋管道压浆用的抗压强度不应低于30MPa。其水灰比宜为0.40～0.45。为减少收缩，可通过试验掺入适量膨胀剂。 加强桥面铺装层的防水设计和施工（重要因素）
1.0.8 位处Ⅲ类或Ⅳ类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。 1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0.9的规定。抗冻混凝土应掺入适量引气剂，其伴合物的含气量按现行的《公路桥涵施工技术规范》JTJ041规定的采用。 1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。
F150
F250
微冻地区（最冷月月平均气温在0～-4℃之间）
F200
F300
受冻地区（最冷月月平均气温在-4～-8℃之间）
F250
F350
严重受冻地区（最冷月月平均气温低于-8℃）
淡水环境
海水环境
桥梁所在地区
1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。
W12
＞20
我国目前水泥年产量如配置混凝土，年人均近3.3吨 混凝土用量过大，过度开采矿石和砂、石已在许多地方造成资源破坏，严重影响环境和景观。每生产1t水泥熟料消耗大量燃煤与电能，并排放约1t二氧化碳 混凝土过早劣化，处置废旧工程的混凝土垃圾将给环境带来威胁
结构设计需考虑的三类作用
作用
承载力极限状态下 安全性
正常使用下 适用性
设计的 主要内容
规定作用下构件承载力安全性
结构整体 牢固性
变形、裂缝、振动等控制
耐久性
一般作用
◆◆
◆
◆
疲劳 持久 荷载
强度设计 （力学计算）
偶然作用
◆
◆◆
整体牢固性设计
缺乏正常检测与维修
结构耐久性需要有正确使用和正常检测与维修相配合 重新建、轻维修，是土建建设管理工作中的重大缺陷 对于基础设施工程，应在设计中进行结构全寿命经济分析与评价 只有适当加大初始投资费用，强化结构耐久性，才是最经济有效的途径
混凝土结构耐久性设计一般包括的内容： 1 概念设计-结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境因素对结构的作用； 2 混凝土材料和钢筋的选用-材料的耐久性质量要求； 3 确定耐久性所需的混凝土保护层厚度； 4 防排水等构造措施； 5 混凝土裂缝的控制要求； 6 在严重环境作用下可能需要采取的多重防护措施和防腐蚀附加措施； 7 基于结构耐久性要求的施工工艺与质量验收标准； 8 结构使用阶段的维护与检测要求。
W10
16～20
W8
11～15
W6
5～10
W4
＜5
抗渗等级
最大作用水头与混凝土壁厚之比
规范强调了加强水平防收缩钢筋和箍筋的作用： 9.3.8 T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹板两侧，应设置直径为6～8mm的纵向钢筋，每腹板内钢筋截面面积宜为（0.001～0.002）bh，其间距在受拉区不应大于腹板宽度，且不应大于200mm，在受压区不应大于300mm。在支点附近剪力较大区段和预应力混凝土梁锚固区段，腹板两侧纵向钢筋截面面积应予增加，纵向钢筋间距宜为100_150mm。 9.4.2 预应力混凝土T形、I形截面梁和箱形截面梁腹板内应分别设置直径不小于10mm和12mm的箍筋，且应采用带肋钢筋，间距不应大于250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不应大于100mm。
结构耐久性不足的主要原因 工程设计的耐久性标准过低 工程施工进度的不适当追求 缺乏正常检测与维修 构件强度设计的安全设置水准过低
工程设计的耐久性标准过低： 结构设计规范主要考虑荷载作用下的结构构安全性，环境作用下的耐久性设计被置于次要和从属地位 规范中没有结构设计寿命和耐久性设计的明确要求 耐久性设计要求，未能随着几十年来由于水泥性能、施工条件、环境条件的巨大转变而与时俱进
二、环境作用下混凝土结构 的劣化与混凝土的抗渗性
混凝土结构性能劣化
钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧 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 碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数 混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应
2
60 85
50 75
40 60
基础、桩基承台 ⑴基坑底面有垫层或侧面有模板 （受力钢筋） ⑵基坑底面无垫层或侧面无模板
1
Ⅲ、Ⅳ
Ⅱ
Ⅰ
环 境 条 件
构 件 类 别
序号
北美（加拿大安大略省） 公路桥面板耐久性设计要求
1.0.8 位处Ⅲ类或Ⅳ类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。 1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0.9的规定。
混凝土结构的耐久性是指结构对气候、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。 混凝土结构耐久性问题主要表现为：混凝土损伤（裂缝、破碎、磨损等）；钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀；钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面。 主要影响因素： 材料的自身特性、设计与施工质量、环境条件、使用条件和防护措施。
表1.0.7 结构混凝土耐久性的基本要求
3.0
0.10
C35
325
0.40
受侵蚀性物质影响的环境
Ⅳ
3.0
0.10
C35
300
0.45
海水环境
Ⅲ
3.0
0.15
C30
300பைடு நூலகம்
0.50
严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境；滨海环境
Ⅱ
3.0
0.30
C25
275
0.55
温暖或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性的水或土接触的环境
环境作用
安全性通过正常使用下的适用性加以保证 （将劣化程度控制在规定的容许值以内）
◆◆
耐久性 （防腐蚀） 设计
混凝土是世上用量最大的人造材料 基础设施工程主要用混凝土结构建造 混凝土结构的耐久性已成为世界性问题
一、混凝土结构的耐久性现状
美国联邦公路局资料 登记在册（政府管理）桥梁： 1992年 57.2万座，有缺陷21％ 1999年 58.6万座，有缺陷15％ 拆除老桥费用持续增加
1998年美国土木工程学会报告 美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化，有2100个水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态 又据资料报道 到20世纪末美国共有桥梁约100万座，超过1/4有缺陷
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，美国新建桥梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，预期已能满足75年以上设计寿命 但是过去建成的桥梁已无法改变，仍将继续为其付出昂贵的维修费用直至最后拆除重建
混凝土结构性能劣化（环境因素）
钢筋锈蚀 氯离子引起 水 氧 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 碳化引起 二氧化碳 水 氧 冻融破坏 水饱和程度 冻融循环次数 混凝土损伤剥落 硫酸盐、酸、软水侵蚀 碱骨料反应
Ⅰ
最大含碱量
最大氯离子含量(%）
最低混凝土强度等级
最小水泥用量
最大 水灰比
环境条件
环境 类别
25
20
15
收缩、温度、分布、防裂等表层钢筋
6
45
40
30
缘石、中央分隔带、护栏等行车道构件
5
30
25
20
箍筋
4
30
25
20
人行道构件、栏杆（受力主筋）
3
45
40
30
墩台身、挡土结构、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）
70年代起，混凝土耐久性问题开始在发达国家大量出现。 针对混凝土过早劣化，发达国家不断提高混凝土的强度要求与密实性，研究混凝土与钢筋的防腐蚀技术，并对路桥等工程要求按全寿命费用分析进行设计。 80年代中期起掀起了高性能混凝土的研究开发高潮。 90年代起，大力开展混凝土结构耐久性设计方法的研究。
1）一般作用 —— 一般荷载与强制变形 永久荷载---- 自重，土压力 可变荷载---- 使用荷载（人群、车辆）、风、雪 2）偶然作用 —— 地震、爆炸、撞击等 3）环境作用（或环境影响） —— 温度、湿度及其变化，降水，冰冻等大气作用； 土体、水体、空气中有害化学物质作用
C35, 3.5cm 干湿交替下 C40，4cm
严重冻融
仅水工规范 要求引气
要求引气
要求引气
日本规范规定的更高（最低相当于C35，100年寿命为C45 ）
由于水泥强度提高和施工进度加快,实际 耐久性质量大幅度下降 早强水泥配制的混凝土，内部微结构和后期强度发展 不良，易开裂，耐久性差 水泥细度增加—强度容易提高—掺入石灰等辅助材料且比例越来越高 为加快施工进度而掺入早强剂等—早期强度上去了而其他力学性能指标下降了，包括耐久性指标，化学污染也上去了 粉煤灰的应用
我国现行规范（80年代颁布）与国外比较
配筋混凝土
我国
美国
英国
最低强度 等级
C15
C25
C30（C25）
碳化锈蚀 露天雨淋环境下保护层厚度
板2cm 梁3cm
3.8cm （d<16） 5.1cm （d>16）
混凝土的内部结构
骨料，水泥浆体，浆体与骨料界面层 水泥浆体组成： 水化硅酸钙（C-S-H凝胶），水化铝硫酸钙（少量） 氢氧化钙（强度差，易析出和遭盐、酸侵蚀，碱性）， 未水化水泥颗粒 C-S-H 凝胶孔隙（纳米级，与有害物质渗透关系不大）， 毛细孔隙（原为拌合水占据空间，0.01－5微米；高水灰比混凝土可到50微米，早期体积可占浆体40％） 气泡（裹入气泡和引气气泡）
工程施工进度的不适当追求
养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少 1天养护与7天养护，可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的1/4 抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减为原来的1/4 保护层厚度的5～10mm施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发生成倍差别 结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质量在快速施工中最不易保证。
提倡全寿命周期成本核算： 建筑结构能够安全长久地使用，这就是最大的节约。工程建设的投资不能只计算基建成本，还应该考虑建成后在设计使用年限中的检修、维护费用，实行全成本核算。为防止“政绩工程”、“形象工程”、“献礼工程”等短期行为造成更大的浪费，国家应从政策上作出规定，加以控制。同时应配套地建立起建筑物服役期内正常使用、定期检查、维护检修等制度，完善必要的法规、标准，并引入保险业来承担有关的风险。
混凝土结构耐久性设计的基本措施 1 采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身的抗破损能力 2 加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条件 3 改进桥梁结构设计，包括加大混凝土保护层厚度；加强构造钢筋，防止裂缝发展；采用具有防腐保护的钢筋
提高后张预应力钢筋管道压浆的质量（关键因素） 9.4.12 预应力钢筋管道压浆用的抗压强度不应低于30MPa。其水灰比宜为0.40～0.45。为减少收缩，可通过试验掺入适量膨胀剂。 加强桥面铺装层的防水设计和施工（重要因素）
1.0.8 位处Ⅲ类或Ⅳ类环境的桥梁，当耐久性确实需要时，其主要受拉钢筋宜采用环氧树脂涂层钢筋；预应力钢筋、锚具及连接器应采取专门防护措施。 1.0.9 水位变动区有抗冻要求的结构混凝土，其抗冻等级不应低于表1.0.9的规定。抗冻混凝土应掺入适量引气剂，其伴合物的含气量按现行的《公路桥涵施工技术规范》JTJ041规定的采用。 1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。
F150
F250
微冻地区（最冷月月平均气温在0～-4℃之间）
F200
F300
受冻地区（最冷月月平均气温在-4～-8℃之间）
F250
F350
严重受冻地区（最冷月月平均气温低于-8℃）
淡水环境
海水环境
桥梁所在地区
1.0.10 有抗渗要求的结构混凝土，其抗渗等级应符合表1.0.10的规定。
W12
＞20
我国目前水泥年产量如配置混凝土，年人均近3.3吨 混凝土用量过大，过度开采矿石和砂、石已在许多地方造成资源破坏，严重影响环境和景观。每生产1t水泥熟料消耗大量燃煤与电能，并排放约1t二氧化碳 混凝土过早劣化，处置废旧工程的混凝土垃圾将给环境带来威胁
结构设计需考虑的三类作用
作用
承载力极限状态下 安全性
正常使用下 适用性
设计的 主要内容
规定作用下构件承载力安全性
结构整体 牢固性
变形、裂缝、振动等控制
耐久性
一般作用
◆◆
◆
◆
疲劳 持久 荷载
强度设计 （力学计算）
偶然作用
◆
◆◆
整体牢固性设计
缺乏正常检测与维修
结构耐久性需要有正确使用和正常检测与维修相配合 重新建、轻维修，是土建建设管理工作中的重大缺陷 对于基础设施工程，应在设计中进行结构全寿命经济分析与评价 只有适当加大初始投资费用，强化结构耐久性，才是最经济有效的途径
混凝土结构耐久性设计一般包括的内容： 1 概念设计-结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境因素对结构的作用； 2 混凝土材料和钢筋的选用-材料的耐久性质量要求； 3 确定耐久性所需的混凝土保护层厚度； 4 防排水等构造措施； 5 混凝土裂缝的控制要求； 6 在严重环境作用下可能需要采取的多重防护措施和防腐蚀附加措施； 7 基于结构耐久性要求的施工工艺与质量验收标准； 8 结构使用阶段的维护与检测要求。
W10
16～20
W8
11～15
W6
5～10
W4
＜5
抗渗等级
最大作用水头与混凝土壁厚之比
规范强调了加强水平防收缩钢筋和箍筋的作用： 9.3.8 T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹板两侧，应设置直径为6～8mm的纵向钢筋，每腹板内钢筋截面面积宜为（0.001～0.002）bh，其间距在受拉区不应大于腹板宽度，且不应大于200mm，在受压区不应大于300mm。在支点附近剪力较大区段和预应力混凝土梁锚固区段，腹板两侧纵向钢筋截面面积应予增加，纵向钢筋间距宜为100_150mm。 9.4.2 预应力混凝土T形、I形截面梁和箱形截面梁腹板内应分别设置直径不小于10mm和12mm的箍筋，且应采用带肋钢筋，间距不应大于250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不应大于100mm。