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现代混凝土结构耐久性环境模拟试验室技术

现代混凝土结构耐久性环境模拟乃试验室技术

为了在试验室人工模拟环境下进行混凝土早期特性、裂缝控制及耐久性的试验,需对混凝土结构环境模拟试验室技术进行研究。分析了环境模拟技术在诸多领域的成功应用,认为建设混凝土环境试验室是可行的。通过研究混凝土结构的环境模拟、试验设计、耦合环境的实现以及特种设备仪器的应用等关键技术,提出多功能气候试验室的建设方案,合理确定试验室的布局、功能、技术性能指标,并探讨了人工气候环境试验室设备、仪器的优化配置,为下一步混凝土耐久性、裂缝控制的环境试验研究奠定了基础。

 

1        引言

混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,是土木工程结构设计中的形式之一,其应用范围日益广泛,不仅应用于工业与民用建筑、道路、桥梁、水利工程等建筑和构筑物,而且越来越多地应用于海洋、严寒地区、遭受化学腐蚀等复杂工业环境及特殊建筑中。环境的恶化使混凝土结构的耐久性受到严重影响,在施工建设和服役过程也暴露出许多值得关注的新问题。其中混凝土结构的耐久性不足致使加固维修费用高昂,混凝土的早期开裂导致结构性能的劣化等问题尤为严重。混凝土结构耐久性、早期开裂及裂缝控制不仅与材料内在特性有关,更受控于各种环境参数温度、湿度等的变化,而现场进行混凝土耐久性试验,周期长、费用高,实现困难,因此需要创建室内模拟环境进行长期的或加速的混凝土耐久性仿真研究扩结构开裂机理的研究。

环境模拟技术是各种自然环境的人工再现技术和在模拟环境下的试验技术的一门新的综合性工程技术。环境模拟技术吸取多门学科热学、力学、电学、生物学、光学、医学等和多项技术制冷、真空、空调、加温、自动控制和计量等的相关理论和方法,是在解决环境模拟和环境试验的理论及实践中形成的独立的技术理论体系。目前,环境模拟技术已广泛应用于各种科学实验,在科学研究中具有自然界无法实现的时间可控性、条件重复性和数据性等突出优点,可以大大回忆试验的进程。

利用环境模拟技术,建设大型多功能自动控制混凝土结构环境模拟室,可以人工模拟各种大气环境、工业环境的单一因素或综合因素作用,开展混凝土环境试验及相关理论研究。在实验室对混凝土材料、结构的基本的热学、力学、收缩、徐变、损伤等特性及其与各种气候环境、海洋环境、腐蚀环境的定量关系进行全面系统的仿真研究,加强材料与结构的学科交叉。针对小型构件或大型结构仿真模型,真实再现工程实际环境,进行结构裂缝的开裂机制、开裂应力发展变化、裂缝形成、结构破坏的全过程跟踪试验研究,达到从表观至本质、微观至宏观的规律解析,裂控研究将会有较大的突破。因此研究混凝土环境模拟试验室技术是非常必要的,对保证结构的安全性、耐久性有重要意义。

2        环境模拟技术应用概述

环境模拟试验技术在农业、林业、生物、气象、航空航天、车辆设备、电子产品以及有关材料结构等领域中都有广泛的应用。

2.1        常规兵器、车辆及设备等环境模拟试验室

某兵器试验中心拥有国内zui大的气候环境模拟试验室,主要承担火炮、坦克、雷达、火箭、光学仪器、电子设备等军用武器装备的气候环境试验,环境模拟试验室主要有:高温湿热试验室、低温试验室、淋雨试验室、低温射击室、高温射击室、光电试验室等。

随着车辆技术的发展,为考核各种车辆在太阳辐射条件下的性能,相继建立了大型太阳辐射模拟设备。奥地利维也纳亚森纳尔国际车辆试验中心建造的环境模拟室,能模拟世界各地的气候条件,能满足用户的各种特殊需要。试验站主要由静止试验室和运行试验室及其他辅助设施组成。静止试验室可完成高温、低温、湿度、雨、雪、雾、太阳辐射等一定气候条件下的动态试验和制动试验。

日本三菱重工神户造船所的综合环境试验室,主要进行温、湿度日变化的模拟,试品分别经受雨、雪、雾、太阳辐射的环境试验,试品在酸雨、酸雾及固体液体悬浮微粒环境的试验以及综合性环境试验等。美国麻萨诸塞州国防航空工业公司Raytheon建设物环境试验室可进行高精度高强度的静态、动态、气候及综合性的环境试验研究。

2.2        农业、林业、生物气候环境模拟室

江西省农科院水稻研究所建设的智能化人工气候室,陕西杨陵农业科技示范园温室大棚,浙江大学植物科学实验中心智能玻璃温室等,都是现代农业利用环境模拟技术的应用成果同,为植物科学研究提供控温、控光、控湿的高标准科研条件。俄罗斯生物有机化学协会Branch  of  Shemyakin  & Ovchinnikov  Institute  of  Bioorganic  Chemistry建设的生物人工气候室,用于研究生物工艺学、先进的种植物材料以及现代温室植物生长技术。日本森林综合研究所建设了人工气候试验室进行自然环境下树木生长的研究,可进行不同光照强度、温度和湿度环境条件的树木生长对比试验。

2.3        建筑材料环境模拟试验室

应用环境模拟技术进行混凝土的环境试验,是一项新的尝试性的工作。中国矿业大学于20世纪90年代末建设了人工气候室,用以在不同的气候条件下模拟工业腐蚀环境,进行混凝土耐久性测试。所建设和人工气候室包括空调机房,共占地55.8m2,试验用的人工气候室长6m,宽  m,高3.2m。人工气候室可在一定范围模拟自然环境中的温湿度、日照、淋雨、盐雾、大气等环境CO2、SO2气体。该试验室利用一台机组,完成制冷、加热、除湿、加湿功能,并辅以自制的抽屉式硅胶吸湿器进行辅助深度除湿;利用简易辐射灯具模拟太阳光照;在试验室内布置喷液管、喷气管,用以喷入盐雾和低浓度的CO2、SO2气体等。

根据所要模拟的各种环境,人工气候室在工艺及建筑上均有特殊要求。为达到保温要求,气候室的墙体采用双层120mm厚砖墙加防潮层,内嵌120mm厚聚苯乙烯泡沫保温板,内墙面用环氧胶泥抹面;楼板采用120m厚的空心板加120mm厚聚笨乙烯泡沫保温板;地面的构造设计成100mm厚混凝土垫层,中间200mm厚泡沫混凝土保温层,上部100mm厚混凝土面层;并采用双层保温门。为了便于观察室内的情况,在一侧墙上安装了一个固定的双层玻璃观察窗。人工气候室主机放于机房内,风冷式冷凝器置于室外。室内机组的布置紧凑、合理,充分考虑使用空间的要求和便于检修。人工气候室的气流组织采用上送下回式,除了送回风的管道外,还专门设置一条排风管用于试验结束时气候室的排风。空调制冷系统的设计与常规空调制冷相比,在技术要求、系统形式、设计方法等方面均有较大的差别。由于受到资金的限制,完全达到工艺要求难度比较大,尤其对于低温低湿和高温高湿的处理实现起来比较困难。对腐蚀环境的模拟,无疑对机组的防腐提出更高要求,需要采用防腐设备及有效的防腐措施。

人要气候室内安装温湿度传感器,通过设在控制室内的计算机进行远程控制。机组内也装有可编程序控制器进行控制,也可以手动控制。

2.4        结论

环境模拟试验室可为人们提供一种摆脱自然规律、从时间到空间按主观的意愿去模拟各种理想环境,服务于科学实验。在试验室内模拟各种实际环境作用,研究考核材料、结构或设备等实验对象对所处的环境产生的环境效应,可获得实验对象各种环境条件下的特性、环境适应性。

目前,环境模拟技术已趋成熟。利用单一因素的环境模拟试验,如温度、湿度、气压、沙尘、盐雾、淋雨、风、太阳辐射、空间环境等气候环境模拟试验以及静载、振动、冲击等力学环境模拟试验,易于找出单一环境因素对结构性能的影响规律以;综合环境模拟是指2个以上环境参数同时作用的模拟试验,可以真实地模拟实验对象实际经受综合环境的影响,增加试验的真实性和可靠性。国内外对于环境试验也相继分布了有关的针对各种研究领域的环境试验标准,但在实际应用中还要进行试验标准的剪裁、试验应力筛选等项工作,以得到更加可靠适用的试验成果。

用环境模拟技术,建设混凝土材料、结构的环境模拟试验室是完全可行的。混凝土结构耐久性、早期特性及裂缝控制研究所需要的各项环境指标,如气候环境、工业腐蚀环境、海洋侵蚀环境等等,都是可以实现的。因此,开展混凝土结构环境模拟试验室技术的研究,深入探讨混凝土结构环境模拟试验的关健技术,定能建成高标准高水平的混凝土结构试验研究平台,促进混凝土相关学科的发展。

3        现代混凝土结构环境试验的关键技术

现代混凝土结构环境试验技术包括环境模拟试验的设计、多种耦合环境的实现、加速试验与自然环境试验的相关性以及牿检测设备、仪器的应用等诸多关键环节。

3.1        利用环境试验剪裁方法,合理确定环境因子

环境试验的剪裁为根据产品寿命期内将遇到的各种环境及其影响严重程度和可以搜集到的有关的环境数据和信息,按照环境试验不同阶段的具体目的,选择各阶段环境试验项目,确定各项目的试验条件和试验程序,合理安排各阶段试验项目实施次序的过程,以使设计和安排的环境试验满足检测要求,保证产品的环境适应性。进行混凝土结构环境试验,要根据混凝土材料的特性、使用环境、寿命期内所经历的环境因素,按科学的逻辑推理步骤设计出所需要的试验项目,试验的参数、程序顺序和失效准则。试验设计时要确定合理的试验条件,人工环境试验对混凝土结构性能产生影响的机理、模式应该与实际工程结构在自然环境条件的性能变化机理相同;对不同使用目的、重要性程度不同的混凝土结构要建立不同的失效准则。

3.2        加速试验与自然环境试验的相关性

加速试验可以相对快速地测试材料结构在长期使用中的特性变化。混凝土环境试验中加速耐久性试验考虑环境效应的强度和时间因素,利用加速试验计算模型评估性能寿命,可节省试验时间和费用。加速试验要根据混凝土材料的不同成分、使用的方式以及实际环境等情况设计不同的加速速率,并选用不同的加速试验计算分析模型。

 加速试验与自然环境试验的相关性可反映出两种试验结果趋同的能力。根据多种基础试验包括自然环境长期试验、各种影响因素的初步加速试验等确定影响因素的作用效果、作用机理,建立起自然环境试验与加速试验的相似性准则,为加速模拟试验提供理论上的依据。通过相关性的研究,可指导改变各种试验条件获得任意的加速试验方法,同时根据加速试验结果来预测和评价混凝土结构在自然环境条件下的性能及寿命。

3.3        多种环境的耦合

进行混凝土结构环境模拟试验,需要模拟的实际环境多种多样,如单一环境因素的模拟,包括高温、低温、湿度循环、湿度循环、寒潮袭击、剧烈干燥、淋雨、结露、冻融循环、盐类及化学物质浸蚀、酸性气体腐蚀等各种气候及腐蚀环境,以及力学加载环境等。此外,还要实现多种耦合环境的模拟,包括气候环境与力学荷载作用的综合、气候环境与腐蚀工业环境的综合,等等,充分考虑试验的综合环境设置、荷载施加力架的布置、腐蚀环境下加载方式和设备防护等技术问题。

3.4         设备的优化布置及牿检测仪器应用技术

混凝土环境模拟试验室是综合性的环境试验室,要体现大型、多功能及自动化的特点。试验室设备种类多,不能将各类单项的环境模拟设备简单进行罗列,需要进行设备的配置优化研究,充分发挥设备的性能,达到zui优的环境模拟效果。根据混凝土环境试验的特点,并且考虑节省能源,较大的试验空间要进行分割,可进行全空间试验,也可单独进行每个隔段小空间的试验。因此需要进行环境控制设备的配置实验,分别考虑在端部集中布置或者在各个隔断空间分别布置两种方案的技术、经济及可靠性比较,优化选择。

 混凝土环境模拟试验室根据研究的需要进行各种各样复杂环境的模拟,因此所用的检测设备仪器也要能经受各种极端环境的考验。应根据实际的模拟环境,选择相应的检测设备仪器。

4        大型多功能自动控制混凝土环境试验室建设发案

4.1        试验室主要功能

1 模拟自然条件下的气候环境、海洋环境、工业环境;

2 人工气候环境下各种工程材料、结构的耐久性试验;

3 人工气候环境混凝土结构热学性能及早期特性试验;

4 人工气候环境混凝土结构裂缝控制研究;

5 海洋环境下工程材料、结构的耐久性试验;

6 海洋环境混凝土结构裂缝控制研究;

7 工业腐蚀环境下工程材料、结构耐久性试验;

8 其他有关的环境试验综合环境、可靠性试验等。

4.2        试验室布局及协调控制

环境模拟试验室分为2部分,一部分为高低温湿热交变日照雨淋实验区,另一部分为盐雾、腐蚀气体环境、海洋环境实验区,见图1。两部分可独立运行,单独进行有关试验,也可交替进行同批次结构模型试件的试验,即实现试验环境的综合性。两实验区有效空间分别为:10m×4m×3m和4m×4m×3m。

试验室各分系统主要有:主室体、空气循环系统、新风系统、日照系统、淋雨系统、加湿系统、除湿系统、制冷系统、加热系统、控制系统等。研究各分系统的技术及设备配套,在保证各分系统协调控制的基础上,进行智能化操作控制。试验室设备应使用防腐材料,以适应所模拟的腐蚀环境,保证其使用寿命。

试验室大门与浇筑场地之间的通道设置专门的带滚轮平板小车及滑移轨道,试件或结构模型在小车上的模具内直接浇筑,拆模后移入试验室内。

4.3        试验室的主要技术性能指标

依据试验室所要实现的功能以及混凝土材料结构的实际工程环境,确定其主要技术性能指标如表1所示。

表1    混凝土环境模拟试验室主要技术性能指标

项    目

高低温湿热交变日照雨淋实验区

盐雾、腐蚀气体环境实验区

容积/m3

16

14

参考尺寸/m

3500×2300×2000

3500×2000×2000

温度/℃

-20~70

+5~60

升降温速率/℃·h-1

0~5

0~5

相对湿度/%

20~95

60~~95

风速/m·s-1

0~7

新风换气

zui大热辐射强度/KW·m-2

1.12±10%

 

盐雾沉降量/ml·cm-2·h-1

 

0.0125~0.025

雨淋

简易喷淋装置

 

腐蚀气体

 

CO2、SO2浓度可调

控制系统

计算机自动控制、手动控制

计算机自动控制、手动控制

加载系统

加载反力架、液压加载

加载反力架

5        试验室的配套设备

5.1        加载反力架

试验室内设计布置水平、竖向反力架及加载千斤顶等。加载反力架初步布置方案如图2所示。

5.2        混凝土早期特性热学、力学试验设备

混凝土环境试验室进行混凝土早期特性热学、力学及裂缝控制试验研究,需配备包括导温仪、导热仪、绝热量热器、绝热温升仪、线膨胀系数测定仪、干缩仪、混凝土早期自收缩测定系统、徐变加荷仪、开裂试验架、拉伸仪等设备。

5.3        试验检测设备仪器

根据试验要求和所设计的模拟环境,选择相适应的各种检测设备仪器:温湿度检测仪、光照强度测定仪、风速仪、荷载传感器、位移传感器、气体含量检测仪、数据采集系统等。

5.4        环保设施

试验室部分实验空间存在噪声、腐蚀气体等环保问题,应采取减震降噪措施及污染气体回收净化措施,配备环保设备,将噪音、空气污染控制到国家标准允许的水平。

6        结语

利用环境模拟技术,建设大型多功能混凝土结构环境试验室,是一项创新的、有意义的尝试。通过对现代混凝土结构环境模拟试验室技术的研究应用,可从时间到空间模拟所需要的各种环境,如自然气候环境、工业环境、海洋环境等,并实现多种耦合环境的共同作用。在模拟的实际环境中进行各种工程材料的试验,可对环境效应进行定性定量的、全面系统的仿真分析,对混凝土的耐久性、裂缝控制、各种早期特性的研究实现从源头创新,有积极的推动作用。

目前环境模拟试验技术发展迅速,科技成果不断涌现,需要掌握环境模拟技术zui新的发展动态和技术水平,根据混凝土结构环境试验的具体要求,研究混凝土环境模拟试验室关键技术。在此基础上,建设高标准、高水平混凝土环境模拟试验室,制定详细的混凝土早期特性试验、耐久性试验、裂缝控制试验的规划蓝本,为下一步科学研究奠定基础,促进结构工程学科的快速发展。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

混凝土结构耐久性研究

1824年,随着阿斯普丁发明了波特兰水泥。便开始了人类应用混凝土建造建筑物的历史,同时,混凝土结构的耐久性问题也随之出现。早期,波特兰水泥主要应用于兴建大量的海岸防波堤、码头、灯塔等,这些构筑物长期经受外部介质的强烈影响,其中包括物理作用(如波浪冲击、泥砂磨蚀以及冰冻作用)的影响和化学作用(溶解在海水中的盐的作用)的影响,这些作用均导致上述构造物的迅速破坏,因此,早期对混凝土耐久性问题的研究主要是集中在了解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况。在19世纪40年代,为了探索在那些年代建成的码头被海水毁坏的原因,的法国工程师维卡对水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究,并著有《水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究》一书,是研究海水对水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的*部科研著作。1880-1890年,当*批钢筋混凝土构件问世应用于工业建筑物时,人们便开始研究钢筋混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下的安全使用以及在工业大气环境中混凝土结构的耐久性能问题。

本世纪20年初,随着结构计算理论及施工技术水平的相对成熟,钢筋混凝土结构开始被大规模采用,应用的领域也越来越广阔,应此,许多新的耐久性损伤类型逐渐出现,这直接促使人们必须有针对性进行的研究。1925年,美国开始在硫酸盐含量极高的土囊内进行长期实验,其目的是为了获取2\ 50a以至更长时间的混凝土腐蚀数据;联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例,也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期试验,1934-1964年间,卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的耐久性进行了实验研究,并提供了许多有关混凝土结构在自然条件下使用情况的可靠数据以及有关水泥种类,混凝土配合比和某些生产因素对混凝土抗蚀性影响的见解.1945年,Powers等人从混凝土亚微观入手,分析了孔隙水对孔壁的作用,,了静水压假说和渗透压假说,开始了对混凝土冻融破坏的研究;1951年,前苏联学者A.A贝科夫,B.M.莫斯克文等较早地开始了混凝土中钢筋锈蚀问题的研究,其目的是为了解决混凝土保护层zui小的薄壁结构的防腐问题和使用高强度制作钢筋混凝土构件的问题,起成果反映在B.M.莫斯克文的专著<混凝土饿腐蚀>和<混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法>;同时,在大规模研究工作的基础上定制了防腐标准规范,如CH262-63,CH262-67建筑结构防腐拾设计标准,为建筑物具有足够耐久性的混凝土结构奠定了基础.

进入本世纪80年代,混凝土结构的使用已经进入高峰,同时,混凝土结构的耐久性研究进入了一个高潮,并且开始朝系统化,国际化方向发展.国际材料与结构研究所联合会PILEM于1960年成立"混凝土中钢筋腐蚀"技术委员会12-CRC,旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展,使得混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国际学术机构和国际性学术会议讨论的重要课题之一.于1961年和1961年RILEM分别召开了国际混凝土耐久性学术会议;1970年在布拉格召开了第六届,第七届国际水泥化学会议;1978年至1993年连续六次召开的建筑材料与构件的耐久性国际学术会议;1987年,国际桥梁与结构协会IABSE在巴黎召开"混凝土的未来"国际会议;1988年在丹麦召开了"混凝土结构的重新评估"国际会议;1989年在美国和葡萄牙举办了有关结构耐久性的国际会议;1991年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议;1993年IABSE在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议;2001年3月国际桥梁结构协会秒百十亿代表CIB,ECCS,FIB,RILEM等组织在马尔他岛召开了"安全性,风险性与可靠性______工程趋势"的国际学术会议.

  这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流,取得了显著的成果,部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计,施工,维护等的标准性技术文件,如美国ACI143委员会于1991年提出了"已有混凝土房抗力评估"的zui新报告,以及检测的 详细方法和步骤.日本土木学会混凝土委员会于1989年制定了《混凝土结构物耐久性设计准则试行》.1992年,欧洲混凝土委员会颁布的<耐久性混凝土结构设计指南>反映了当今欧洲混凝土结构耐久性研究性的水平.2001年亚洲混凝土模式规范委员会公布了<亚洲混凝土模式规范>ACMC2001,提出了基于性能的设计方法.

  我国从60年代开始了混凝土结构的耐久性研究,.当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀.80年代初,我国对混凝土结构的耐久性开始了广泛而深入的研究,取得了不少成果.中国土木工程学会于1982年,1983年连续召开了两次全国耐久性学术会议,为混凝土结构规范的科学修订奠定了基础,推动了耐久性研究工作的进一步开展.铁道部,交通部和中国土木工程学会等有关单位结合工程的需要对混凝土结构的腐蚀组织进行了实验研究,收集了大量的实验数据.各个高等院作为科研工作的主要力量之一,也为混凝土耐久性研究做了很多工作.1991年12月在天津成立了全国混凝土耐久性小组,它的诞生使我国在混凝土结构耐久性的研究方面朝系统化,规范化的方向迈进一步.国家科委1994年组织的国家基础性研究重大项目攀登计划"重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究"也取得的很多研究成果.2000年5月在杭州举行的土木工程第九届年会学术论讨会,混凝土结构的耐久性是大会主题之一,会议认为必须要重视工程结构耐久性的研讨.2001年11月国内众多有关专家学者在北京举行的工程科技论坛上,就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论,混凝土结构耐久性问题得到了的重视。

3混凝土结构耐久性研究的主要内容

所谓混凝土结构的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部应素的作用下,保持其自身工作能力的性能。混凝土结构根据所处的环境的不同可以划分为一般大气环境、海洋环境、土囊环境及工业环境等。混凝土结构的材料内部应素的作用指的是材料的物理和化学作用,如混凝土的碳化、钢筋的锈蚀等。由混凝土耐久性引起的结构工作性能的改变包括混凝土结构构件的承载能力降低,zui终影响整个结构的安全性。因此,混凝土结构的耐久性应考虑环境、材料和结构等方面的因素。

     混凝土结构的耐久性可分为环境、材料、构件和结构四个层次,相对而言材料和构件部分的研究较为深入。为了更加直观地说明混凝土结构耐久性这一课题所涉及的研究内容,特绘制成图9 。

大气环境:二氧化碳,水汽,汽车排汽等

环境层次    海洋环境:氯离子,水等

            土囊环境:有害离子,微生物,水等

            工业环境:工业废渣废水,水汽等

                                 碳化机理

                   混凝土碳化    影响因素

                                 碳化模式

                                 其他中性化因素

 混                              腐蚀机理

 凝                氯化腐蚀      渗入模型

 土                              防护措施

 结                              冻害机理

 构    材料层次    冻融破坏      影响因素

 耐                              抗冻措施

 久                              反应机理

 性               碱-集料反应    影响因素

 分                              防治措施

 析                              锈蚀机理

                    钢筋锈蚀     影响因素

                                 锈蚀模型

                                 检测与防护

                       混凝土锈胀开裂模型

        构件层次       粘结性能衰退模型

                       构件承载力的变化

                   耐久性设计    耐久性计算和制定构造措施

        结构层次                 传统经验法

                                 模糊数学法

                   耐久性评估    神经网络法

                                 专家系统法

                                 可靠度法

3.1混凝土碳化

混凝土在空气中的碳化是中性化zui常见的一种形式,它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用,使其成分、组织和性能发生变化,使用机能下降的一种很复杂的物理学过程,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的影响。同时,混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩,这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。所以说,混凝土碳化与混凝土结构的耐久性密切相关,是衡量钢筋混凝土构造物可靠度的重要指标。

 混凝土碳化的主要化学反应如下:

    CO2+H2O→H2CO3,,(1)

Ca(OH)2+H2CO3+2H2O。(2)

国内外公认的碳化深度D与碳化时间t的关系式为

   D=a   t         (3)

   D2=D1     t2t1                (4)

式中:a为碳化速度系数;D1、D2分别为得的和要预测的混凝土碳化深度;t1、t2测定D1和预测D2时的碳化时间。碳化速度系a体现了混凝土的抗碳化能力,它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、气孔尺寸与分布有关,而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳的浓度有关。

3.2混凝土碱—集料反应

碱—集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应,是影响混凝土耐久性zui主要的应素之一。该反应不同于其他混凝土病害,其开裂破坏是整体性的,并且还没有有效的补修方法,对碱—碳酸盐反应的预也尚无有效的措施。由于碱——集料造成的混凝土开裂破坏难以被阻止,因而成为混凝土的“癌症"。

碱集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶解性碱,和混凝土空隙中逐渐发生的一种化学反应。必须同时具备如下三种条件才能发生碱——集料反应对混凝土结构造成损坏:一是配制混凝土时由水泥、集料(海砂)、外加剂和拌合水中带进混凝土中一定数量的碱,或者混凝土处于有利碱渗入的环境;二是有一定数量的碱活性集料;三是潮湿环境,可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。

碱——集料反应发生于混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱之间,其反应产物为硅胶体。这种硅胶体遇水膨胀,产生很大的膨胀压力,从而引起混凝土开裂。这种膨胀压力取决于集料中活性氧化硅的zui不利含量。

混凝土发生碱——集料反应破坏,就会表现出碱——集料反应的特征:外观上主要是表面开裂、变形和渗出物;而内部特征主要有内部凝胶、反应坏、活性碱——集料、内部裂缝、碱含量等。混凝土结构一旦发生碱——集料反应出现裂缝后,会加速混凝土的其他破坏,如空气、水、二氧化碳等侵入,会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快,而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积,又会使裂缝扩大;若在寒冷地区,混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速,这样就造了混凝土工程的综合性破坏。

3.3混凝土冻融破坏

混凝土的冻害机理研究始于20世纪30年代,理论上有静水压假说、渗透压假说等,但由于混凝土结构冻害的复杂性,至今还无公认的、完全反应混凝土冻害的机理理论。

    混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时,为了得到必要的和易性,加入的拌和水总要多于水泥的水化水,这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中中形成连通的毛细孔,并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素,因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀,引起混凝土内部结构的破坏。应该指出的是,在正常情况下,毛细孔中的水结冰并不至于使混凝土内部结构遭到严重破坏。因为混凝土中除了毛细孔之外,还有一些水泥水化后形成的胶凝孔和其他原因形成的非毛细孔,这些孔隙中常混有空气。因此,当毛细孔中的水结冰膨胀时,这些气孔能起缓冲作用,即能将一部分末结冰的水挤入胶凝孔中,从而减小膨胀压力,避免混凝土内部结构破坏。但当处于饱和水状态时,情况就完全两样了,此时毛细孔中水结冰,胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低,胶凝孔中形成冰核的温度在-78·以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透,于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见,处于饱和状态的混凝土受冻时,其毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度是时,混凝土就会开裂。在反复冻融循环后,混凝土中的裂缝会互相贯通,其强度也会逐渐降低,zui后甚至完全丧失,使混凝土由表及里遭受破坏。

   混凝土的抗冻性与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关,其中zui主要的因素是它的孔结构。而混凝土的孔结构及强度又取决于混凝土的水灰比、有无外加剂和养护方法等。混凝土结构常用的几种抗冻措施有:掺用引气剂、减水剂或引气减水剂;严格控制水灰比,提高混凝土密实度;加强早期养护或渗入防冻剂,防止混凝土早期受冻。

3.4氯离子侵蚀

我国海域辽阔,海岸线很长,岛屿众多,而大规模的基本建设大都集中于沿海地区,海洋中的氯离子以海水、海雾等形式渗入混凝土中,影响混凝土结构的使用性能和寿命,以往的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。随着我国公路交通的迅猛发展。公路和高速公路成为经济命脉。为保证交通畅行,冬季向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水,以化雪和防冻。这些自然或人为的因素,使氯离子进入混凝土结构内部,而在混凝土结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件  中,氯化物算是zui危险的侵蚀介质,应引起高度重视。

 氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理为:1)破坏钝化膜。氯离子是极强的去钝化剂,氯离子进入混凝土到达钢筋表面,吸附于局部钝化膜处时,可使该处的pH值迅速降低,使钢筋表面pH值降低到4以下,破坏了钢筋表面的钝化膜。2)形成腐蚀电池。在不均质的混凝土中,常见的局部腐蚀对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部,使这些部位露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域形成电位差,铁基体作为阳极而受腐蚀,大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀抗;同时,由于大阴极对应于小阳极,蚀抗的发展会十分迅速。3去极化作用。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池,而且加速了电池的作用。氯离子将阳极产物及时地搬运走,使阳极过程顺利进行甚至加速进行。氯离子起到了搬运的作用,却并不被消耗,也就是说,凡是进入混凝土中的氯离子,会周而复始的起到破坏作用,这也是氯离子危害的特点之一。4)导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路,混凝土中氯离子的存在,强化了离子通路,降低了阴阳极之间的欧姆电阻,提高了腐蚀电池的效率,从而加速了电化学腐蚀过程。

通常,氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的,另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件,其中一种侵蚀方式是主要的。在许多情况下,扩散被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构,大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程,这个扩散过程一般满足FicK第二定律。目前有一些对各种机理全面考虑的模型,但是由于模型中的一些参数很难确定,有些只能从定性上加以描述,其实用性还需要继续探讨。

3.5钢筋锈蚀

混凝土在一种或多种外界作用下,材料的耐久性能会发生衰退,而逐渐失去了对其内部钢筋的保护作用。当钢筋外面的混凝土中性化或出现开裂等情况,钢筋失去了碱性混凝土的保护,钝化膜破坏并开始锈蚀。锈蚀的钢筋不但截面积有所损失,材料的各项性能也会发生衰退,从而影响混凝土构件的承载力和使用性能。钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性下降的主要和zui直接因素,目前对影响钢筋锈蚀的因素、锈蚀钢筋材料性能的变化、钢筋锈蚀的防护和检测等各方面均有较多的研究。

混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。当二氧化碳、氯离子等腐蚀介质侵入时,混凝土的碱性降低,或者混凝土保护层受拉开裂等都将造成全部或局部地破坏钢筋表面的钝化状态,钢筋表面的不同部位会出现较大的电位差,形成阳极和阴极,在一定的环境条件下(如氧和水的存在),钢筋就锈蚀。锈蚀的形成一般为斑状锈蚀,即锈蚀分布在较广的表面面积上。钢筋锈蚀破坏的特征可归纳为:

  ·裂缝沿主筋方向开展延伸

  ·钢筋与混凝土的握裹力下降与丧失

  ·钢筋端面损失

  ·钢筋应力腐蚀断裂

 钢筋锈蚀的电极反应式为

 阳极:  

       Fe      Fe2+   +2e

 阴极:

       O2+2H2O+4e    4OH ,

 阳极表面二次化学过程:

      Fe2+ +2OH     Fe(OH)2

     4 Fe(OH)2+ O2+2H2O    4 Fe(OH)3

在通常情况下,钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用。同时,混凝土为钢筋提供的是一个高碱度的环境(pH>12.5),能使钢筋表面形成一层致密的钝化膜,从而长期不锈蚀。当碱性降低时,钝化膜逐渐被破坏,钢筋逐渐开始锈蚀,当pH低于12时,锈铡速度明显增大。混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素影响,包括:钢筋位置,钢筋直径,水泥品种,混凝土密实度、保护层厚度及完好性,外部环境等。

目前,检测钢筋锈蚀状态的方法除了传统的破损检测方法之外,无损检测钢筋锈蚀量是许多国家正在探求的新技术。混凝土中钢筋锈蚀量的非破损检测方法有分析法、物理法和电化学法三大类。分析法是根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的侵入深度及含量、纵向裂缝宽度等数据,综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋锈蚀程度;物理方法主要是通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理物性的变化来反应钢筋锈蚀情况;电化学方法是通过测定钢筋/混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。

3.6混凝土构件的耐久性

混凝土构件耐久性研究是混凝土结构耐久性研究的基础和前提。

钢筋锈蚀会引起混凝土保护层胀裂,锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀会加速,将大大影响钢筋混凝土构件耐久性能。因此,钢筋锈蚀与混凝土胀裂及胀裂裂缝宽度的研究对钢筋混凝土构件耐久性研究有重要意义。钢筋锈蚀将引起混凝土保护层开裂,其过程相当复杂,为确定混凝土胀裂时的钢筋锈胀率与裂缝宽度的关系,先前所作的工作包括理论分析法和试验研究法,这些方法主要研究钢筋锈蚀发展与表面混凝土胀裂之间的关系及影响因素,或是混凝土胀裂时刻钢筋锈胀率的表达式。

钢筋锈蚀后,除了有效截面积减小、屈服强度下降等变化外,其与混凝土粘结性能也会发生变化。试验研究表明,随着钢筋锈蚀量的增加,变形钢筋与混凝土的粘结强度比先期略有增加,而后期则有较大幅度的衰退。钢筋与混凝土之间粘结强度的衰退,使得钢筋的强度不能被全部利用,从而与其他因素一起影响混凝土构件的使用性能和承载力。

锈后钢筋混凝土构件承载力的计算,是房屋耐久性评估的主要内容,也是将科研成果应用于实际工程zui为关键和重要的一步,近年来国内外学者已作了大量的试验研究和工程调查工作。

3.7混凝土结构体系耐久性

混凝土结构体系的耐久性包括两部分;对未建混凝土结构进行耐久性设计和对服役混凝土结构进行耐久性评估,耐久性设计在混凝土结构这一领域是个zui近才引入的新概念,由于混凝土结构耐久性失效的类型很多,如何界定混凝土结构耐久性失效是一个复杂的综合性问题,它不仅与结构的破损状况有关,而且与结构的重要性以及社会政治、经济等因素有关。目前国内外针对混凝土耐久性设计提出的极限状态方程均有各自的观点,都是从耐久性计算或构造措施入手来进行耐久性设计的。目前世界上已存在大量服役若干年的结构物,对服役结构的耐久性进行评估是建筑物维修改造工作中需要首先解决的问题。长期以来,对服役结构耐久性的评估一直依赖有经验的技术人员对此作出的评价和处理,这是所谓的传统经验法。随着基础学科和计算机学科的发展,混凝土结构耐久性评估方法和手段也有很大的进展。但是迄今为止,尚未有较为理想的混凝土耐久性评估模式。在实际工程应用中,还是以经验判断为基础,运用层次分析法来进行混凝土结构的耐久性评估为多。

4         混凝土结构耐久性研究的展望

混凝土结构的耐久性是一个十分复杂的结构工程问题,虽然已在这方面进行了许多工作,但仍有许多不完善的地方有待解决。这里将就混凝土结构耐久性基础研究的发展方向提出一些看法。

了解材料的耐久性能是研究钢筋混凝土结构耐久性能的基本前提。目前我国已颁布有关结构材料耐久性实验的标准,这对研究材料耐腐蚀、耐老化的机理,以及不同材料耐久性能的对比无异是有益的。但实际环境与实验室中的标准实验有着很大的差别,如自然环境中的温度、湿度时刻都在发生变化,有其规律性,也有难以预测的随机性,这种环境条件的随机变化导致了实际环境中混凝土结构耐久性能与实验室试验结构的很大不同,在结构耐久性分析和设计中如何考虑这种变化值得深入研究。

钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性降低的zui主要因素,因此建立一个合理的钢筋锈蚀率模型是至关重要的。仅从纯理论角度或纯经验角度建立钢筋锈蚀率模型都不可能获得较好结果,而应该先从理论角度出发,建立锈蚀率模型,然后再通过实测数据进行修正。

氯离子是导致混凝土结构耐久性失效zui主要的原因之一,氯离子渗透模型可以预测钢筋锈蚀开始时间和锈蚀程度,目前已有不少氯离子侵入混凝土的模型,考虑到氯离子渗入和混凝土碳化共同作用对混凝土耐久性的影响,以及钢筋所在位置对氯离子侵入混凝土的影响,氯离子渗透模型还需要进一步深入的研究。

开发混凝土结构的钢筋锈蚀状态的无损检测技术将是一个新的研究方向,它将随着其他相关学科的发展而发展。如果能在这方面取得突破,那么将使钢筋混凝土结构耐久性评估的费用大大得到降低,这样在范围、系统的检测与评估将成为可能,另一方面,耐久性评估的结果也将更、更可靠。

腐蚀环境下钢筋混凝土结构的疲劳性能,钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构疲劳性能的影响较对静态性能的影响严重的多,这是因为锈蚀不仅削弱了钢筋的有效截面,更严重的是钢筋锈坑的不均匀性将导致钢筋应力的集中。虽然腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的分析方法已有一定的研究,但尚需要了解腐蚀对钢筋疲劳性能的影响,以及不同环境和不同混凝土材料特性下钢筋疲劳性随时间变化的实验或实测数据。

目前关于钢筋混凝土结构在承载能力极限状态下的目标可靠指标的研究已相对成熟,但是,关于钢筋混凝土结构在正常使用极限状态下的目标可靠指标的研究才刚刚起步,因此今后也应该在这方面进行更多的研究,它的成果将是钢筋混凝土结构的耐久性设计的重要依据。

在自然环境、使用环境中,由于腐蚀介质的侵蚀及材料的老化,结构的性能不断劣化,其结果是导致结构的使用寿命缩短。从可靠度的角度讲,结构的使用寿命评估是一个概率问题,目前对结构使用寿命的预测已有较多的研究,但这些研究或者只根据结构当前的状态推断结构未来的状况,没有考虑结构性能随时间的变化,或者根据假定的结构性能退化规律推断结构的使用寿命。实际上,结构性能随时间的衰减规律极其复杂,由于受材料制作、施工、养护等因素影响,同一个地域不同结构,甚至同一结构不同部位材料的性能随时间的变化都相差很大。因此,结构使用寿命的评估应以结构或构件本身的性能随时间的变化规律为依据,但如何根据为数不多的检测资料来揭示结构性能随时间的变化规律是一个难度较大的课题,需要进行深入的研究,这将涉及到信息的不完善性问题。

4.2提高混凝土结构耐久性设计、施工和维护水平

我国加入WTO以后,建筑市场正逐步向国际开放,我国的建筑设计、施工、监理等到部门将面临国际竞争的挑战。为了减小与先进国际标准之间的差距,应提高或改进我国现有混凝土结构耐久性设计、施工和维护的水平。

                                     

 

 

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