混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展_金伟良

文章编号:1000-6869(2007)01-0007-07

混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展

金伟良,吕清芳,赵羽习,干伟忠

(浙江大学结构工程研究所,浙江杭州310027)

摘要:由混凝土结构耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土结构耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合结构

全生命周期成本(SLCC )的理念;其次总结了结构耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,认为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映结构使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。关键词:混凝土结构;耐久性;结构全生命周期成本(SLCC );综述中图分类号:TU375 文献标识码:A

Research progress on the durability design and life prediction

of concrete structures

JI N W eiliang ,L Qingfang ,ZHAO Yuxi ,GAN Weizhong

(Department of Civil Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )

A bstract :This paper starts with the definition of concrete -str uctural durability .Then it pr esents that durability design method

should be combined with the theor y of Structural Life -Cycle Cost (SLCC )based on the surve y of the recent durability design theories .Moreover ,the current situation of evaluation and life prediction of durable concrete str uctures are summarized ,which makes it necessar y to determine a durability index reflecting service life and a dynamic life -assessment system .Last ,several basic problems in this domain ar e brought forth ,including definition of durability limit state for c oncrete structures under given environmental condition and usage r equirement ,deter mination of indexes and parameters representing the durability characters of materials as well as structures and establishment of theory for analysis of durability dynamic detection data .Keywords :concrete structure ;durability ;structural life -c ycle cost (SLC C );summar y

基金项目:国家自然科学基金重点项目“氯盐侵蚀环境的混凝

土结构耐久性设计与评估基础理论研究”(50538070)

资助。

作者简介:金伟良(1961—　),男,浙江大学结构工程研究所所

长,教授。

收稿日期:2006年8月

0　概述

混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点,使混凝土

结构不可避免地存在耐久性问题。自混凝土结构问世

以来,大量的混凝土结构提前失效大多源于混凝土结构耐久性的不足。当前欧美等发达国家每年用于已有

工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1/2以上。我国在役以混凝土为主体的结构在数量上居于绝对支配地位,混凝土结构耐久性问题更加突出,存在着“南锈北冻”的耐久性破坏特征。《中国腐蚀调查报告》[1]指出,建筑部门的腐蚀年损失约为1000亿人民币,其经济损失以及对社会安定性的冲击力之大不言而喻。

随着我国东部地区经济的持续增长和西部大开发发展战略的实施,我国正以前所未有的巨大投资进行

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第28卷第1期建　筑　结　构　学　报

Vol .28,No .12007年2月

Journal of Building Structures

Feb .2007

DOI :10.14006/j .jzjgxb .2007.01.002

着空前规模的基础设施建设,很多投资上亿的混凝土工程正在酝酿、设计或建设之中,这次建设高潮将持续一、二十年。然而,海洋气候等恶劣环境中重大混凝土结构的耐久性问题在理论上尚未完善解决,工程寿命能否达到设计要求,仍是相当严峻的现实问题。这个问题如果不给予足够重视,就会犯下难以弥补的过错,将会严重阻碍我国经济的持续高速发展,给国家和社会造成巨大的经济损失。

在我国大兴土木的同时,潜在的风险也必须被重视:一方面,兴建混凝土工程消耗着大量能源与资源;另一方面,大量的混凝土工程由于耐久性劣化而产生巨额维护费用,提前退出服役的混凝土结构则产生大量的难以回收和处理的建筑垃圾。这些情况都有悖于可持续发展的基本国策。因此,提高混凝土结构的耐久性,延长混凝土结构的寿命,是个不容回避、必须高度重视的问题。

正因为混凝土结构耐久性问题的重要性,近年来世界各国都越来越重视研究混凝土结构的耐久性,众多的研究者从环境、材料、构件和结构等不同层面展开了研究,取得了系列研究成果,其中以材料层面的成果最为显著[2-10],构件层面也积累了较多的试验、测试和理论研究的成果[11-31]。

由于影响混凝土结构耐久性的因素众多,作用机理复杂,就目前所取得的研究成果而言,要真正运用于实际工程,实现混凝土结构全生命周期耐久性设计和寿命预测的要求,还有一定距离。下面将介绍混凝土结构层面耐久性研究的研究进展和发展趋势。

1　混凝土结构耐久性定义

混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下,在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程,而不需要花费大量资金维修,也能保持其安全性和适用性的功能[43]。

这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素[32]:(1)环境:结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中,并受其侵蚀作用;(2)功能:结构的耐久性是一个结构多种功能(安全性、适用性等)与使用时间相关联的多维函数;(3)经济:结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用,根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验,可将混凝土结构的工作环境分成6大类[33]:①大气环境;②土壤环境;③海洋环境;④受环境水影响的环境;⑤化学物质侵蚀环境;⑥特殊工作环境。同时,结构耐久性是结构的综合性能,既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等,反映了结构性能随时间的变化,这样就不可简单地把耐久性归入为承载能力状态或正常使用状态[4-5,9]。而耐久性的经济性则体现在以较小的维修成本达到维持混凝土结构基本功能的要求,若业主要求延长结构使用寿命时则需适当的维修成本就可达到其目的。

混凝土结构产生耐久性失效,是指由于在环境作用下,混凝土或钢筋的材料物理、化学性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件外观变化,不能满足正常使用的要求,导致承载能力退化,最终影响整个结构的安全。因此,混凝土结构的耐久性失效应考虑以下几个方面[32]:(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经不可行。

应当看到:混凝土结构耐久性的失效过程包含在混凝土结构的建造、使用和老化的结构全生命过程,以及与结构全生命过程相对应的结构设计、施工和维护的各个环节。

2　混凝土结构耐久性设计

在混凝土结构耐久性研究过程中,混凝土结构耐久性设计的思想也不断地被尝试引入结构设计和工程实践中,1989年欧洲出版了《CEB耐久混凝土结构设计指南》[34],1990年日本发布了《混凝土结构耐久性设计建议》[35],国际材料与结构研究实验联合会(RILE M)于1990年出版了《混凝土结构的耐久性设计》[36],欧盟在2000年出版了《混凝土结构耐久性设计指南》[37]等等。我国在总结国内外研究成果的基础上,2000年颁布了交通部行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)[38],2004年中国土木工程学会编制了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)[39],交通部行业标准《公路

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