混凝土耐久性基本理论1

混凝土耐久性研究 1960年国际材料与结构研究联合会(RILEM)成立了”混凝土 中钢筋腐蚀”技术委员会; 1978-1993连续6次召开了建筑材料与构件的耐久性国际学 术会议 1989年日本制定了”混凝土结构物耐久性设计准则” 1992年欧洲混凝土委员会制定了” 《耐久性混凝土设计指 南》” 2001年亚洲混凝土模式规范委员会制定了” 《亚洲混凝土 模式规范》(ACMC2001)” 基于耐久性的设计方法 2004我国土木工程学会提出了《混凝土结构耐久性设计与施 工指南》 CCES01-2004
钢筋混凝土耐久性现状
实际情况：公路（高等级、高速）一般8-20年寿命 桥梁一般20-70年
工民建一般20~50年
过去经验：材料: fcu↑T↑(T使用年限)
砼配合比（W/C）↓，C↑ W/C≤0.45~0.55 C≥300~350kg/m 结构措施:保护层厚度;加大尺寸;限制裂缝宽度. 3 70年代出现高效减水剂后，80年代高强砼很容易实现 C50-C80 C≥400~500kg/m ,W/C≤0.4~0.3(0.2) 3 新问题：水化热↑温差↑降温↑ 温度应力↑，收缩应力↑，徐变↓,Eh↑：砼早期开裂→T↓
（F）表示，抗冻等级分为：F50、F100、F150、 F200、F300、F400、F500、F600、F700、F800、 F1000等10个等级。也可用耐久性指数NF表示：
②耐久性指数:
NF=PN/300 ; P——经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量；N——冻融 循环后相对动弹性模量下降到初始值的60﹪以下时的冻融循 环次数,或ΔG≤5%时的冻融循环次数,或已达到300冻融循环. 一般要求结构混凝土材料耐久性指数不低于0.60～0.80 ③膨胀量,常以膨胀率0.035%临界值(常用于抗冻性研究)
青藏公路桥墩冻胀破坏
1907----上海大厦和外
不达拉宫(重建1690年)石木 结构
故宫(紫禁城)建成
于1420年) 砖木结构
赵州桥建于(公元 605-618年)
赵州桥建于(公元605618石拱结构)
1937-------钱塘江
大桥(钢混结构)
国内外有关研究动向
上个世纪中美国、德国、苏联、日本等国就已经开展了有关
混凝土结构耐久性研究目的
如何延长混凝土结构寿命
混凝土结构耐久性设计 混凝土结构耐久性评估
性 能 可 靠 性 一般环境 多因素交互作用 性能临界值 单因素 作用
( )
同一耐久性混凝土在不同环境条件下性能可能的变化
时间t
混凝土结构耐久性研究
性 能 可 靠 性
性能拐点 普通混凝土 性能临界值 环境类型 中等耐久 ＜1500库仑 时间t 50年 20 年 70-100年 50-70年 30-50年 150-500 100年 50-70年 高耐久
混凝土硬化后受冻破坏机理
①冰晶体结晶压力(水 冰体积膨胀9﹪;冰晶 增长﹥9%) ②冰晶增长导致未结晶水的渗透压力 ③溶液浓度差产生的扩散压力
渗透压力
冰晶增长
未结冰水或 气孔
混凝土硬化后受冻破坏机理
冻结过程:
①表面(低温)


里面(较高温) ②大孔(冰点高) 小孔(冰点低) 胶孔的冰点-78℃ ③离子浓度低 离子浓度高 海水冰点-10～-25 ℃ 膨胀力的大小取决于: 冻结速度,渗透阻力,空隙容纳过量水的空隙大 小(水饱和度),水溶液(离子)浓度.
学教学参考书
1．《砼结构耐久性》金伟良，赵雨习。科学技术出版社，

2002 2． 《砼学》重建工，中建出版社 3． 《砼的徐变》，惠荣炎等，中铁出版社 4． 《砼的性能》，A.M.内维尔，中建出版社 5．《砼力学》，江见鲸，冯乃谦，中铁出版社 6．《三向应力砼》，蒋家奋主编 8．《高性能砼》，吴中伟，廉慧珍。中铁出版社，1999 9． 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004 10. 《混凝土结构耐久性平定标准》2006 11. CEB耐久混凝土设计指南.周燕等译.1991 12. 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定2005.中华人民共 和国行业标 准
第一章.绪论 一.钢筋混凝土耐久性 定义及现状
结构耐久性 定义:结构及其部件在可能引起材
料性能劣化的各种环境作用下能够长期维持其应有 性能的能力。
材料性能劣化(在物理作用、化学作用、生物等
作用下逐步丧失原有性能) 物理作用(外力.冰冻.水压.温度变化.风砂.等) 化学作用(各种化学腐蚀）． 生物作用（各种微生物对材料的吞噬） 结构使用年限:结构建成后,在预定的使用与维修条 件下,结构所有性能均能满足预定的要求的实际年限.
混凝土结构耐久性:
环境作用:(大气环境(CO2、大温差、酸雨)海
洋、土壤水（冻溶、化学） 、工业环境、) 材料耐久性:(抗冻、中性化、碱骨料、盐侵蚀) 构件耐久性:(局部与整体退化模型、锈胀模 型、构件承载力退化模型) 结构耐久性:(耐久性设计、耐久性评估) 耐久性评估方法:极限状态可靠度分析方法 评估性能指标:混凝土及钢筋功能失效(强度、 钢筋握裹力(含锈蚀)、开裂)
耐久性失败的工程事例
保护层过薄,钢筋锈蚀
大兴安岭某热电厂塔筒混凝土上环梁
214国道某桥墩根部冻融破坏
青藏铁路桥墩采用钢 护筒防止冻害
阳安线蛆水河大桥
阳安线堰河大桥
襄渝线清溪河大桥缺损照片
轨枕纵向及横向裂缝
青藏铁路32m预应力梁波纹管内水泥净浆 早期冻胀开裂
青藏铁路32m预应力梁波纹管内水 泥净浆早期冻胀开裂
混凝土耐久性基本理论
混凝土的耐久性基本理论

学教学安排 第一章.绪论 一.钢筋混凝土耐久性 定义及现状 二. 主要研究内容 第二章 .耐久性基本理论 一.混凝土抗冻性能 二.碱骨料反应 三.混凝土的碳化（中性化） 四.氯离子渗透（及扩散）引起的钢筋锈蚀； 五.其它物理化学侵蚀 六.对策 第三章.钢筋混凝土的耐久性设计方法 一.基于可靠度理论的设计方法 二.混凝土材料耐久性设计方法 三.存在的问题
㈡.混凝土抗冻性能平定方法

容易发生冻害的结构物有：处于严寒地区的铁路、公路桥墩（与水接触 部位）；结冰的海港工程、码头；民用建筑低层、屋层面、公路路面等。 应特别注意的是水位变化范围，与地面接触部位，当白昼气候在正负温 度之间变化时（春秋两季），每天就会发生一次冻融循环。
①混凝土抗冻性是以抗冻等级(ΔG≤5% ,强度损失≯25%)
五.其它物理化学侵蚀
六.对策
一.混凝土抗冻性能
㈠混凝土冻溶破坏机理 混凝土早期受冻机理 早在五六十年代美国著名的水泥混凝土专家
T.C.POWERS曾总结了许多学者的工作，提出了混 凝土早期受冻的模型：宏观模型析冰，即冻胀现象， 这个观点是以土壤冻胀的TABER-COLLINS学说引 进混凝土的，该学说认为冰冻的基本原因不是简单 的受冻膨胀，而主要来源于水分的迁移，使得冰晶 增长，产生结晶压力致使结构破坏。
二.导致钢筋混凝土耐久性不良主要因素
研究表明，引起钢筋混凝土耐久性降低的主要因




素有： ①混凝土的冻融破坏； ②氯离子渗透（及扩散）引起的钢筋锈蚀； ③盐的侵蚀； ④碱骨料反应； ⑤混凝土的碳化（中性化）； ⑥混凝土抗裂性； ⑦混凝土抗磨蚀性(风和水)。 ⑧疲劳和徐变
三.混凝土结构耐久性研究内容
冻融破坏环境下混凝土的抗冻性要求
设计 使 用 年 限 一(100年) 二(60年) 三(30年)
环境 作 用 D1 等 级
抗冻 等 级 F300
D2
D3
D4
wenku.baidu.com
D1
D2
D3
D4
D1
D2
D3
D4
F350 F350 F400 F250
F30 F30 F35 F20 F25 F25 F30 0 0 0 0 0 0 0
混凝土早期受冻机理
日本著名的混凝土专家洪悦郎教授根据混凝土受冻
条件按硬化过程分为三个阶段：（1）新浇混凝土 受冻，即硬化前受冻；（2）短龄期的受冻；（3） 硬化混凝土反复冻融作用。我国学者崔进忠对洪氏 观点做了进一步的分析认为〔2〕：第一阶段是混 凝土浇注后不经预养在硬化前的受冻，简称为立即 受冻；第二阶段为混凝土浇注后经过预养达到其临 界强度前的受冻，就是混凝土硬化过程中受冻，简 称预养受冻；第三阶段是硬化混凝土的反复冻融作 用，是混凝土耐久性问题。
( )
＜1000库仑
＞2000库仑
大气环境
冻溶环境 海洋环境
5-10年
不同耐久性混凝土在相同环境条件下性能可能的变化 这里的”性能”指：能反映混凝土结构在使用过程中的安全性, 实用性,可靠性。
第二章 .耐久性基本理论
一.混凝土抗冻性能 二.碱骨料反应
三.混凝土的碳化（中性化）
四.氯离子渗透（及扩散）引起的钢筋锈蚀；