土木工程材料结构耐久性

土木工程材料的结构耐久性StructureDurabilityofCivilEngineeringMaterials王发洲工学博士武汉理工大学材料科学与工程学院发达国家基本建设的三个阶段I大规模兴建II新建与维修改造并举III重点转向旧建筑物的维修改造混凝土的使用寿命无损伤劣化开始，可或不修补必须修补毁坏，废弃Stop钢筋混凝土结构安全性调研结果分析1931年以前1931年ACI会议上：所展示40帧对混凝土结构检查的照片没有与开裂有关的报导砼结构耐久性调研混凝土结构耐久性检查结果混凝土结构检查情况照片数溃散9渗漏7捣固不良5粗骨料不好4表面裂缝多2侵蚀水1水下浇注软弱混凝土1混凝土良好11砼结构耐久性调研1930~1950年1944年美国公共道路管理局对加州等地的桥梁进行检测：足够证据表明，1930年前所建桥梁中67%完好；而1930年以后仅有27%——？？？原因：水泥高早强、细磨，主要是早期开裂问题或者是其他·······？砼结构耐久性调研1950~1980年预拌混凝土业—商品混凝土泵送混凝土插入式振捣棒——它们都需要高工作度的拌和物混凝土建设与实践发生的几个重大变化砼结构耐久性调研1980年~至今高效减水剂开始得到应用活性火山灰矿物掺合料开始得到应用W/C(W/B)非常低混凝土要求具有大工作度砼结构耐久性调研20世纪混凝土实践所得到的教训ConcreteInternational2001无论水泥还是混凝土，随着强度提高，伴随着劣化的加剧;应注意高早强和早期开裂之间的密切关系;开裂与暴露于侵蚀环境混凝土结构的劣化之间存在密切关系;现行规范中对混凝土的耐久性要求存在某些误区;在考虑实际结构的服务寿命时，要慎用实验室进行混凝土耐久性的试验结果;调研结果分析导致结构耐久性下降原因中混凝土的责任脆性：随强度增长而增加，导致结构延性比下降自收缩：随水灰比降低而增加早期开裂倾向：早期强度高，弹性模量大，约束条件下收缩变形大，但抗拉强度低，徐变小。抗弯构件的碳化：导致钢筋锈蚀骨料的质量：碱集料反应外加剂的使用:引入碱、氯离子等对混凝土耐久性有害的物质调研结果分析材料耐久与结构工程安全性注意：混凝土材料耐久≠混凝土结构工程耐久调研结果分析土木工程材料结构耐久性研究的特点工程材料和工程结构必须进行密切的学科交叉研究必须面对大量不确定、不确知信息进行科学决策从材料的微观(细观)角度研究结构的宏观行为调研结果分析Stress-strainofconcretesfordifferentlevelstrength8060402000.20.40.6σ/%SHSCHSCNC耐久性不良的原因1.混凝土的脆性随强度增加而增大高强混凝土应力应变曲线的特点Stress-straincurveofHSC弹性段随强度增加而增大，上限达到75%~90%极限应变值随强度增加有增大的趋势达到峰值应力后曲线骤然下降表现出很大脆性010203040506070809002000400060008000Stress（10-6)Stress(MPa)Limitstrain2538.04混凝土强度与无负筋梁延性比的关系01234203040506070混凝土强度（MPa）延性比(ρ/ρo=0.51)（ρ/ρo=0.52）（ρ/ρo=0.64）(ρ/ρo=0.87)RPC桥的应力-应变混凝土裂缝的另一种分类耐久性不良的原因1.混凝土随强度增加开裂倾向增大收缩裂缝Shrinkagecracking收缩：温度收缩—混凝土内部高温冷却时产生塑性收缩—混凝土表面失水过快（表面）沉降收缩—离析，密度不同的颗粒沉降不均（表面）自收缩—与外界无水份交换时，水化消耗内部水份干燥收缩—R.H.低时，凝胶层间水份蒸发碳化收缩—潮湿空气中的CO2与Ca(OH)2反应(表面)开裂：在约束条件下因收缩而产生。膨胀的和其它裂缝Expansion’scrackingandother膨胀：碱-骨料反应硫酸盐腐蚀延迟生成钙矾石钢筋锈蚀荷载作用：反复荷载、冲击荷载Blaine的环开裂试验Blain’sringshrinkagetest70年中涉及水泥混凝土的六个因素——趋向于高早强和低抗裂性发展水泥细度对混凝土耐久性影响耐久性影响因素水泥细度对强度的影响水泥细度对强度发展的影响C4AF和碱与开裂时间的关系不同掺量硅粉对自收缩的影响硅粉掺量对裂缝的影响W/C与收缩的关系不同W/C混凝土干燥收缩和自收缩的关系自收缩和干燥收缩对总收缩的贡献结构ADEBHFICGCkg/m3633556542531495456460488465W/B0.220.250.250.270.290.300.300.310.38A%806767635552525036D%203333374548485064强度与裂缝的关系强度与其它性能的关系21世纪建造耐久建筑物结构★保护两大材料——钢材和水泥的生产，降低施工速度应成为21世纪混凝土业新的关注点★高早强的混凝土更易于开裂，在侵蚀环境中更易劣化，规范应修正并足够强调这一点★结构设计者、材料工程师、施工人员应建立密切的工作关系，控制混凝土结构的开裂是非常重要的★认为混凝土耐久性可以用控制水胶比来控制是片面的，应重视W-Durability，关注骨料级配★必须控制水泥细度和C3S含量发展趋势Currentdevelopment多重复合纤维增强：乱向短纤维、纤维网、纤维筋等填加聚合物改性胶凝材料集约化生产和管理多功能化强调环境功能环境功能混凝土o生态水泥（EcoCement）o再生混凝土（RecycleConcrete）o生物适宜混凝土o水质净化混凝土o绿化混凝土o透水混凝土o智能混凝土（自修复、温升自控、火灾防爆、内部损伤预报、抗菌等）o电波吸收混凝土o氮氧化物吸附混凝土o轻质高强混凝土建议Advice1对于可能因温度收缩、自收缩和干燥收缩的应力引起裂缝的受约束的混凝土，应使用少量的、慢水化的水泥；2应警惕在规范或生产环节中放过多的水泥；3开展高延伸性水泥的研究；4在用除冰盐的地方，应解决混凝土抗裂和抗渗这对矛盾，制造一种抗裂但不渗透的混凝土；5热和干旱均能破坏混凝土，研究热收缩？今后相当长一段时间内，预计国家对基础设施投入力度将继续增加，交通、城建、市政建设规模日益扩大，水泥与混凝土行业面临前所未有的发展机遇，水泥行业呈现供不应求的局面。相关行业对高素质人才的需求十分迫切。象你们一样有才能、有志向的青年俊杰一定会有大展宏图的机会，希望各位抓紧时间学习、富有创造力的进行科研与工作，争取早日成才，报效祖国。感后语