混凝土耐久性的研究应用和发展趋势

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期基金项目水利部公益性行业科研专项项目作者简介陈改新男河南宜阳人教授级高级工程师主要从事水工混凝土材料试验及应用研究文章编号混凝土耐久性的研究应用和发展趋势陈改新中国水利水电科学研究院结构材料研究所北京摘要实现混凝土工程的高耐久和长寿命是效益巨大的节能减排和可持续发展之举措混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键技术已成为共识本文在钢筋锈蚀冻融作用环境水和盐类侵蚀及碱骨料反应等个方面总结了混凝土耐久性研究现状综述了近半个世纪以来部级规范和技术规定列举了混凝土耐久性研究成果在长江三峡青藏铁路杭州湾跨海大桥和南水北调中线等工程中的应用还分析了混凝土耐久性整体理论模型和混凝土结构寿命周期评定两个方面的新认识和新发展关键词混凝土耐久性定量分析预测模型中图分类号文献标识码研究概述水泥混凝土以其原材料易得易浇注成型适应性强性价比高综合能耗低等优点而成为当今世界上应用昀广泛用量昀大的建筑材料尽管现代材料科学发展日新月异但仍然没有科学家能预言可替代水泥混凝土的建筑材料新品种从世纪年代开始西方国家出于战后重建工业化城市化以及能源开发的需要用混凝土修建了大量的基础设施混凝土用量持续增长之后发展中国家经济的强劲增长进一步助推了混凝土用量的迅猛增长年美国国家材料顾问委员会提交的调查研究报告使混凝土结构的耐久性在美国乃至世界范围内引起轰动该报告指出大约万座混凝土桥梁的桥面板其中部分仅使用不到年就已经发生不同程度地损坏使用年限远低于年的设计寿命是混凝土不耐久还是对混凝土用于严酷腐蚀环境的认识和技术储备不足笔者坚信是后者大量混凝土结构过早出现严重劣化引起了世界范围内对混凝土耐久性的高度关注不仅是因为需要花费巨资修补加固甚至重建还在于当今世界人口膨胀能源供应紧张环境污染温室效应导致的气候变暖和生态恶化对可持续发展的迫切需要混凝土耐久性成为关注焦点促进了世界范围内混凝土理论和技术的快速发展和进步混凝土耐久性的整体论模型混凝土结构的寿命预测混凝土结构寿命周期评价影响评价成本分析等新认识新方法的出现将会为克服混凝土结构在服役过程中的过早劣化问题实现混凝土技术的可持续发展提供强有力支撑我国于世纪年代末开始注意混凝土耐久性问题年中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会成立了混凝土耐久性专业委员会其推动了混凝土耐久性的研究应用技术交流和普及至年共举办过次全国性的学术交流会和次专题讨论会年月国务院颁布的第号令建设工程质量管理条例第二十一条明确规定设计文件应当符合国家规定的设计深度要求注明工程合理使用年限同年月建设部号文又下达了关于建设单位执行建设工程合理使用年限问题的通知这两个文件从国家和政府主管部门层面对工程建管设计提出了明确要求引起了土木工程界的高度重视各部委都加大了对耐久性研究的支持力度并纷纷制定具有行业特点的混凝土耐久性规范和技术规定近年来召开的混凝土材料科学和技术的学术会议混凝土耐久性都是重点议题年中国工程院土木水利与建筑工程学部发起混凝土结构耐久性科技论坛到年已连续举办了届可以说重视混凝土耐久性已成为共识渗透到工程建设的各个阶段和层次这对我国混凝土耐久性的研究和应用及混凝土技术的可持续发展而言是迈出的坚实而有力的一步混凝土耐久性研究现状混凝土的耐久性贯穿混凝土结构设计材料选择施工和运行管理的全过程研究混凝土的耐久性不能脱离结构型式应力状态环境条件包括大环境和局部环境根据研究对象可分为材料层次构件层次和结构层次材料层次的研究重点是劣化机理防劣化技术措施评定标准和劣化状态识别等结构构件层次的研究更注重劣化对结构构件层次承载力和安全性的影响评价健康诊断极限状态判断使用寿命预测修复补救措施等根据造成混凝土劣化的主导因素和机理混凝土耐久性问题研究主要集中在以下个方面钢筋锈蚀氯盐腐蚀海洋及近海环境除冰盐环境盐湖环境海砂及外加剂保护层中性化碳化大气污染及酸雨酸性介质杂散电流腐蚀冻融作用淡水冻融盐水冻融海水盐湖等盐冻除冰盐环境水和盐类侵蚀硫酸盐镁盐侵蚀溶出性侵蚀渗透溶蚀碳酸侵蚀土壤腐蚀中碱性土酸性土内陆盐土海滨盐土盐卤腐蚀海洋及近海盐湖泛酸性侵蚀的环境水污水碱骨料反应碱硅酸反应碱碳酸反应回顾混凝土耐久性的研究历史可以发现劣化形式的研究都遵循着相同的轨迹即劣化机理研究提高材料耐久性的措施研究耐久性测试方法和评定标准劣化状态对材料性能的影响然后过渡到结构承载力和安全性的影响评价极限状态判断使用寿命预测修复补救措施世界范围内的大量文献资料表明在材料层次上对各种破坏形式的劣化机理和对策耐久性测试和评定标准劣化状态识别等方面取得了丰富成熟的定性分析成果但在劣化状态对材料性能的影响方面的研究不足将劣化机理和性能衰变规律由定性分析转变成定量分析存在很大困难大多数基于材料层次研究成果提出的材料耐久性测试方法和评定标准不适合用作混凝土结构工程的使用寿命预测和安全性评价造成了当前混凝土耐久性研究在材料层次和结构层次的脱节以混凝土的冻融耐久性为例年提出了混凝土冻融破坏的毛细孔水结冰静水压假说之后又与一起提出了渗透压假说年提出了混凝土抗冻性的临界水饱和度理论很好地解释了混凝土的冻融破坏现象降低混凝土水胶比提高强度和密实性掺加引气剂适当引气降低饱水程度释放结冰水压力选用低吸水率骨料成为提高和保证混凝土抗冻性的重要技术措施制定的检测混凝土抗冻耐久性的试验方法评定标准耐久性指数抗冻标号和技术要求也成为规范性文件在保障混凝土结构在冻融环境中的耐久性方面发挥了巨大作用但耐久性指数抗冻标号很难直接用于定量预测混凝土在特定环境中的使用寿命也很难用于已建工程的耐久性和安全性评价原因在于耐久性指数抗冻标号仅是评定混凝土配合比是否耐久的指标主要用于优选混凝土配合比和施工质量控制其中不包含混凝土随冻融循环作用而出现损伤积累进而发生材料性能退化的信息文献曾以动弹性模量损失作为损伤参数开展了室内外冻融作用的对比关系和冻融作用下混凝土力学性能退化规律的研究初步探讨了在冻融环境中混凝土的耐久性定量化设计和寿命预测由碳化和氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀导致混凝土结构破坏而造成的经济损失和危害名列首位针对钢筋锈蚀进行耐久性定量分析和寿命预测也是相对比较系统和全面的对碳化引起的钢筋锈蚀破坏现在已经能够用数学模型比较准确地评估和预测对氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀破坏尽管全世界范围内基于第二定律描述氯离子在混凝土中的扩散过程建立了许多模型但模型中关键参数取值的科学性以及模型计算结果的可靠性尚不能取得共识理论上讲只要知道混凝土表面的氯离子浓度氯离子在混凝土中的扩散系数钢筋混凝土的保护层厚度再确定一个使钢筋脱钝的临界氯离子浓度的情况下就可以计算出钢筋开始锈蚀的时间亦即可以推算和预知混凝土结构的使用寿命但工程的实际情况并非如此简单首先氯离子扩散系数受温度湿度的影响很大而且初期随着混凝土龄期增长混凝土耐久性的研究应用和发展趋势陈改新和水泥水化程度的提高逐渐减小后期由于混凝土在各种因素作用下荷载温度应力干湿循环等受到损伤产生可见与不可见裂缝而迅速增大准确表达氯离子扩散系数变化过程非常困难其次钢筋脱钝临界氯离子浓度的确定方法和取值还缺乏共识不同研究者给出的临界值可能相差数倍这可能与具体工程混凝土的材料特性钢筋特性混凝土结构所处地域的温湿度和水环境等多方面因素有关因此要想比较合理地预测混凝土结构的使用寿命还需做大量深入细致的理论和试验研究工作获取足够的试验室和现场数据积累与验证有关碱集料反应和硫酸盐侵蚀方面的使用寿命预测模型也已开始研究但和钢筋锈蚀相比公开发表的文献资料较少目前世界各国在工程设计和施工中对混凝土工程耐久性的要求和控制仍然采用基于材料层次研究成果和工程实践经验积累形成的定性经验方法对于重要的混凝土结构工程已开始使用预测模型进行辅助性的定量分析校核混凝土耐久性研究从定性描述逐步转向模型定量或半定量分析已成为主要方向和热点基于定性经验模型定量分析和计算机数据库集成的混凝土耐久性专家系统应该有较好的应用前景成果与应用我国对混凝土耐久性的研究起步于世纪年代初的治淮工程修建梅山佛子岭水库大坝年原水电部颁发的水工混凝土试验规程中就列入了碱活性骨料鉴定方法抗冻抗渗等耐久性试验方法年代初进行了海港码头混凝土破坏调查和钢筋锈蚀研究以及青藏线混凝土耐久性野外试验到年代混凝土的耐久性问题才真正受到政府主管部门的高度重视年国务院颁布的第号令建设工程质量管理条例促使各行业部委纷纷出台了针对行业特点的混凝土耐久性规范和技术规定已经发布和正在编制的规范和技术规定如下水利部水工建筑物抗冰冻设计规范交通部海港工程混凝土结构防腐技术规范中国土木工程学会混凝土结构耐久性与施工指南铁道部铁建设号铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定交通部?公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范建设部?混凝土结构耐久性设计规范水利部水利工程合理使用年限规定在编中国电力企业联合会水工混凝土耐久性技术规范在编近余年来我国在若干重大工程的建设中已经充分贯彻了混凝土耐久性设计理念并提升到了强度设计与耐久性设计并重强度服从耐久性的认识高度长江三峡水利枢纽工程是世界上昀大的水利水电工程具有防洪发电航运供水养殖等综合功能对长江和长江流域的自然生态人文环境经济发展的影响巨大水库总库容亿电站总装机容量年均发电亿拦河坝昀大坝高混凝土方量万年开工后各方专家对三峡工程混凝土大坝的耐久性和工程安全运行年限进行了广泛的讨论提出了三峡大坝混凝土耐久性寿命年的设计构想确保三峡工程一流质量的建议案年曾被列为全国政协八届五次会议的一号提案引起中央和国家领导人的高度重视特别召开了关于三峡大坝混凝土耐久性的高层决策会议在这个会议上明确提出了三峡大坝的设计思想要突出耐久性设计的概念同时明确了三峡大坝要采用微膨胀型低碱中热硅酸盐水泥掺用优质引气剂和优质高效减水剂确定必须掺用级粉煤灰尽可能降低用水量严格控制水胶比并明确三峡大坝外部混凝土特别是水位变化区混凝土的抗冻等级要达到为预防混凝土的碱活性骨料反应采用人工制备的花岗岩骨料并限定水泥中的含碱量以及混凝土的总碱含量?在施工过程中执行严格的温控防裂措施防裂关键部位混凝土出机口温度控制在浇筑温度三峡工程年开始的大坝混凝土配合比优化设计理念就符合高性能混凝土思想三峡工程采取的提高混凝土耐久性措施与年发表的论文有异曲同工之妙穿越世界屋脊的青藏铁路格拉段全长多公里其中海拔高度大于的路段约穿越多年冻土地带的路段约除格尔木和拉萨外沿线年平均气温为极端混凝土耐久性的研究应用和发展趋势陈改新昀高气温为极端昀低气温为沿线气候干燥干湿交替频繁年日正负温天数高达左右冻融作用强烈一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀危害在如此恶劣的自然环境条件下进行铁路工程建设对混凝土材料的长期耐久性是个严峻挑战为保证工程的长期耐久性使用要求青藏铁路明确提出了必须按高性能混凝土原则配制桥隧结构用混凝土的要求水胶比抗冻耐久性指数电通量库仑粉煤灰掺量同时掺入多重效能的复合高效外加剂达到高效减水早强防冻引气增实保坍抗硫酸盐腐蚀和抑制碱硅酸反应膨胀的功效杭州湾跨海大桥全长其中跨越海域长度近大桥主体结构除南北航道桥采用钢箱梁外其余均为混凝土结构全桥混凝土用量约万设计使用寿命年杭州湾跨海大桥保证混凝土结构的耐久性措施包括以氯离子扩散系数为混凝土耐久性的主要控制指标采用大掺量掺合料硅酸盐水泥矿粉粉煤灰复掺料和低水胶比低氯离子扩散系数?设置合理的钢筋保护层厚度承台水变区桥墩浪溅区对特殊部位采取附加防护措施作为目前对耐久性问题认识不足的储备环氧涂层钢筋阴极防护钢筋阻锈剂表面防护涂层安装耐久性检测系统进行长期动态跟踪监测和验证评估等南水北调中线工程从湖北丹江口水库陶岔渠首引水至北京团城湖输水总干线全长天津干线从河北徐水向东至天津长横跨江淮黄海四大水系的余条大小河流是我国实现水资源合理调配的特大型调水工程沿途需兴建多座穿越河流道路山体山冲谷口等众多复杂地形的水工建筑物工程的耐久性问题主要有冻融碳化碱活性骨料重点是抑制碱骨料反应确保工程的长期耐久性针对华北地区太行山脉和燕山山脉骨料的碱活性比较普遍的现状工程在开工之前就制订了预防混凝土工程碱骨料反应技术条例规定了骨料碱活性的检验规则取样检验方法检验程序评定标准工程分