西南交通大学研究生混凝土耐久性考试答案1

1试述耐久性极限状态标志及耐久性极限状态的可靠指标取值 答：
1） 混凝土耐久性混凝土材料在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。

混凝土结构发生耐久性破坏可近似认为是当混凝土发开裂到一定程度时混凝土与钢筋之间的粘结力发生破坏从而不能满足受力要求，我国《混凝土结构耐久性设计规》中将混凝土结构构件的耐久性极限状态分为三种：钢筋开始发生锈蚀的极限状态，钢筋发生适量锈蚀的极限状态和混凝土表面发生轻微损伤的极限状态，然而这个破坏程度很难定量描述，同时钢筋表面氯离子浓度是影响钢筋锈蚀的主要因素，所以可以通过对氯离子浓度的定量描述来反映混凝土结构的耐久性能。

在对氯离子侵蚀环境下的混凝土结构进行寿命预测时,保护层内部钢筋表面 的氯离子浓度达到使钢筋开始锈蚀的临界浓度时,即认为结构开始进入失效状态,所以可近似将钢筋表面氯离子浓度达到临界值作为耐久性极限状态的标志。

2） 可靠指标的取值
定义混凝土保护层厚度为结构的抗力R ，而结构所处环境中的氯离子可认为是荷载效应S ，定义 R=x d ,S=x cr , 可得氯离子侵蚀环境中结构的失效概率为：
t cr d f p x x p p ≤≤-=)0(
其中xd 为混凝土保护层厚度,xcr 为氯离子浓度达到临界值时的最大深度；
可靠指标β是结构寿命预测过程中的重要参数，我国《混凝土结构耐久性设计规范》认为与耐久性极限状态对应的结构设计使用年限应具有 90%~95%的保证率,相应的失效概率 宜为 5%~10%,对应的可靠指标β为 1.282~1.64。

2.论述混凝土产生裂缝原因及防止方法
混凝土产生裂缝的主要原因可以分为内部材料原因和外部环境作用原因。

1）内部材料原因：
材料原因引起的裂缝各类包括有: 干缩裂缝、中性化伴随钢筋腐蚀产生裂缝、氧化物使钢筋腐蚀产生裂缝、碱集料反应产生裂缝、水泥水化热产生裂缝。

2）外部环境作用原因：
外部环境作用原因引起的裂缝各类包括有：冻融循环作用、干湿交替、盐结晶、施工原因引起的混凝土裂缝、养护条件不当引起的裂缝，结构设计不当引起的裂缝以及建筑物沉降不均引起的裂缝等。

防止措施：
1）合理选择混凝土原材料和配合比，例如骨料品种、水泥品种等。

2）在混凝土中掺加外加剂，提高混凝土的密实度，或配置成高性能混凝土。

3）控制混凝土的搅拌质量和加强混凝土的早期养护条件以及合理的混凝土保护层厚度。

4）优化结构设计，加强施工质量。

3.为什么在有盐环境及有干湿交替时耐久性环境等级较差?
答：混凝土在干湿交替作用下的破坏表现为混凝土表面剥落，内部孔隙开展，质量损失。

混凝土在有盐的作用下破坏表现为盐能够腐蚀钢筋表面的钝化膜，从而引起钢筋锈蚀，混凝开裂。

1）在干湿交替的条件下，潮湿时侵入混凝土孔隙中的盐溶液当环境转为干燥后因过饱和而结晶，还会产生极大的结晶压力使混凝土破坏。

2）盐在混凝土内部孔隙中形成的盐溶液浓度不同，导致渗透压不同，从而在混凝土内部形成更大的渗透压力作用，加速了混凝土的破坏。

3）盐类除了对混凝土产生化学侵蚀外，还会产生盐析（结晶）膨胀破坏，特别是在干湿交替部位，如海港码头、防波堤、海中桥墩、石油平台、盐湖中的各种土建结构)。

4）在干湿交替作用下，混凝土内部孔隙会进一步开展，加大了环境中氯离子和二氧化碳的渗入，加剧了钢筋的锈蚀，从而加剧了混凝土的破坏。

4.试述构件的冻融破坏的极限状态。

小试件的冻融破坏与大件构冻融破坏有何不同？
答：混凝土的冻融破坏过程,实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程,而在这一发展过程中,又伴随着微裂缝的出现和发展,而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中,也会使引气
混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏,这是导致引气混凝土冻融破坏的主要原因。

大构件发生冻融破坏的表现为由表及里破坏的过程，而小构件
5.试任选择两种及以上因素作用下对混凝土结构耐久性的影响分析
6 .目前国家耐久性规范中环境等级是如何划分的?是否存在瑕疵?
答：我国《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中耐久性设计中将环境类别分为7个类别，分别为一、二a、二b、三a、三b、四、五。

规范中环境类别的划分是根据不同环境中各种因素对混凝土耐久性的影响程度大小来划分的，
缺陷：1）规范中所划分的环境作用因素均为单一因素，而未涉及多重因素共同作用下的等级划分。

2）对不同种结构类型，在使用功能和结构造型方面对环境的适应能力可能不用，从而环境对其的因素作用也是不同的，不能以所处单一环境来划分种类。

7.碱—骨料反应（AAR）导致混凝土结构最终失效的原因是什么(混凝土强度降低?开裂刚度降低? 开裂导致钢筋锈蚀？）
答：碱-硅酸反应是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱-硅酸盐凝胶，或称碱硅胶。

碱硅胶固相体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性。

吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力。

碱硅胶吸水后进一步促进碱-骨料反应的发展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土开裂，混凝土开裂促使外部环境中的有害物质进入内部（尤其是氯离子）锈蚀钢筋，破坏钢筋与混凝土之间的粘结力，从而使得混凝土结构破坏，所以，可以认为碱-骨料反应导致混凝土结构最终破坏的原因为反应促使混凝土开裂导致钢筋锈蚀。

8.试分析影响混凝土耐久性的因素与改善措施。

答：影响混凝土耐久性的因素主要分为材料内部因素和外部因素。

材料内部因素：水泥品种、骨料种类、砂率、水灰比、混凝土缺陷、钢筋锈蚀、碱—骨料反应。

外部因素：混凝土所处的环境类别（冻融循环作用、碳化、盐结晶、氯离子渗透等化学和物理作用）、混凝土的养护条件等。

改善措施：
1）混凝土中掺入外加剂，例如减水剂、引气剂等，提高混凝土的耐久性。

2）混凝土中掺入具有火山灰质掺合料，例如优质粉煤灰、沸石粉等，或配制成高性能混凝土。

3）针对混凝土所处不同环境，合理设计保护层厚度。

4）对混凝土和钢筋进行涂层保护，限制外部有害物质进入内部锈蚀钢筋。

9.钢筋混凝土中钢筋锈蚀Cl-1临界浓度如何确定？钢筋锈蚀到什么程度可以认定结构失效。

答：1）CL离子是引起混凝土中钢筋锈蚀的主要原因，混凝土中CL离子浓度达到一定程度时会到底钢筋表面发生锈蚀，引起钢筋混凝土的破坏，此时的CL离子浓度成为临街氯离子浓度，临界氯离子浓度反应了混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力。

然而混凝土中的OH根离子可以抵抗钢筋的锈蚀，所以，认为氯离子与氢氧根离子浓度之比表示临界氯离子浓度更为合理，
2）钢筋发生锈蚀引起钢筋混凝土破坏的根本原因是当钢筋发生锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结力会大大削弱，导致两者不能协同工作，不能满足受力要求，故可定义当钢筋与混凝土之间粘结力减小到某一特定值时对应的钢筋锈蚀程度作为结构失效的临界状态。

10.试分钢筋混凝土保护层厚度与那些因素有关？
答：钢筋保护层厚度是指混凝土结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土。

保护层主要作用有：
1）保证钢筋与混凝土二者协同工作的基础，即保证两者之间具有足够的粘结力。

2）保护钢筋从而防止钢筋生锈。

3）对有防火的结构而言起到一定的防火作用。

影响因素：
1）与影响混凝土耐久性、环境等级有关的因素，例如环境中co2浓度，温度、湿度等。

2）与构件受力要求有关，主要是与保证混凝土与钢筋之间的粘结力。

3）与建筑物防火等级有关。

4）构件的类型，不同构件的保护层取值不同。

11.耐久性规范中还有那些不够完善的地方，请举例、分析可能的原因。

4）1.1设计环境条件
5）环境与砼之间的作用复杂多样,既有物理作用如波浪冲击、泥沙磨损、低强度老化、冻融循环等,又有化学作用如砼碳化、碱骨料反应、盐侵蚀等,这些作用往往不是独立存在,而是某几种同时存在,对结构耐久性产生影响.如何对这种协同作用作出评价,是设计耐久砼的重要环节.但现行规范对此考虑较少.
6）1.2砼质量与耐久性
7）按现行规范,砼质量以砼抗压强度来反映,同时为保证砼在不同环境下的耐久性,规范对水灰比、水泥用量也给出了限定.但是,实践经验表明,对各种混合水泥拌制的砼,由于水泥品种不同以及是否掺有减水剂、引气剂等原因,即使它们的强度(指28天标准抗压
8）强度)、水灰比、水泥用量相同,也往往表现出不同的耐久性能.因此,上述三个参数作为评定砼的质量指标而言,显然具有不足之处.寻找更合适的砼质量评定指标或指标体系以及获得这些指标的标准试验方法,则是进一步修订规范时应考虑的问题.
9）1.3裂缝宽度与结构耐久性
10）现行规范中的最大裂缝宽度限值有两种含义:一是保证结构的适用性;二是保证结构具有足够的耐久性,这里所述的耐久性问题主要是指裂缝与钢筋锈蚀的关系.一般认为,沿钢筋的纵向裂缝对钢筋锈蚀程度的影响是显著的,但对于横向受力裂缝则不能一概而论.如:
11）(1)对于普通钢筋砼构件,横向裂缝宽度对钢筋锈蚀的影响与结构的暴露时间有关[6],在短期暴露情况下,横向裂缝宽度与钢筋锈蚀程度呈正相关趋势,而对于长期暴露情况,横向裂缝宽度与钢筋锈蚀程度的关系不太明显.
12）(2)对于预应力砼构件,横向裂缝宽度对结构的耐久性较为敏感,因为一旦锈蚀,很可能会导致预应力钢筋的脆性破坏.
13）(3)在重复荷载作用下,裂缝处的腐蚀产物会影响卸荷段裂缝的闭合.通常裂缝愈宽,腐蚀产物的体积愈大,裂缝闭合的可能性或闭合程度愈小,局部范围内钢筋的腐蚀也就愈严重. 14）综上所述,现行规范中关于横向受力裂缝最大宽度限值的规定对结构耐久性是必要的,但仅此尚不够全面,还需要补充裂缝的其它有关规定,对横向受力裂缝限值也应视各种情况区别对待,这样的规范似乎更为合理.
15）1.4耐久性失效准则
16）耐久性失效应从以下几方面考虑:(1)结构外观或表面破损已不能满足正常使用或美学要求;(2)钢筋锈蚀或结构破损已导致结构承载力下降到不能允许的程度;(3)对结构进一步维修在技术上或经济上已不可行等.由此可见,耐久性是结构的综合性能,涉及结构的承载能力、正常使用以及维修等,反映了结构性能随时间的变化.现行规范把耐久性简
17）单地归入正常使用状态似乎欠妥.
18）1.5砼结构损伤过程的不确定性
19）结构破坏是结构损伤累积的必然结果,而影响结构损伤的因素以及各因素之间的关系复杂多样,其中大部分具有不确定性.我国现行规范仍以确定性观点来处理耐久性问题,显然是不合适的.
12.为什么说材料在使用过程中逐步劣化是结构耐久性降低的主要原因。

在材料劣化方面最常见的有混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、碱-骨料反应以及混凝土的冻融破坏等。

混凝土碳化会降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利影响。

但钝化膜一旦遭到破坏，在有足够水和氧气的情况下会产生电化学腐蚀,钢筋出现锈蚀。

由于钢筋的不断锈蚀会导致混凝土保护层开裂，钢筋与混凝土之间的粘接力破坏，钢筋受力截面减少，结构强度降低等，从而导致结构耐久性降低。

碱活性引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全实用性，而且反应一旦发生很难阻止，更不易修复和挽救。

混凝土冻融其破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。

水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的安全性。

引起混凝土耐久性问题的任何非力学破坏因素最终的破坏机理都可归结为材料劣化后内部微裂缝的生成和扩展，引起相对应的破坏应力,直至破坏应力超过混凝土承受能力造成破坏。

因此，将材料劣化破坏因素作用下的混凝土微观结构的状态改变及相对应的宏观性能指标损。