钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究--优秀毕业论文

广西大学

博士学位论文

钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究

姓名：张喜德

申请学位级别：博士

专业：结构工程

指导教师：韦树英

20040601

钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究

摘要

本文在充分分析研究国内外研究成果的基础上，共进行了有关钢筋混凝土耐久性的三个部分内容的研究：一是较系统地研究了受压区钢筋锈蚀后对钢筋混凝土结构性能影响；二是进行钢筋混凝土锈蚀破坏全过程模拟试验研究；三是提出运用复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想。

首先是对钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的影响进行了较系统的试验与理论研究，在研究受压区钢筋锈蚀影响方面共进行了三项试验，分别为对普通钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的性能进行试验研究，证明了受压区混凝土在锈胀力与荷载产生的压应力共同作用下，构件性能会随钢筋锈蚀量的增加而损伤；对钢筋锈蚀对混凝土强度的影响进行试验研究，设计了直接测试钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的试验，并通过试验成功地建立了钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的经验公式；对预应力钢筋混凝土受弯构件受压非预应力钢筋锈蚀影响进行了试验研究，结果表明受压非预应力筋的锈蚀对预应力筋的应力值影响不大，但对刚度的影响较大。在试验研究的基础上提出截面受压区应力图形等基本假定，以此建立了截面分析的基本计算公式，并编制了专用计算程序ＰＣＣＢ，其计算结果与理论值进行了比较和验证，然后用于进行受压区钢筋锈蚀后受弯构件的承载力与正常使用性能的分析研究。试验与理论研究均表明，受压区钢筋锈蚀后对酱通钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土受弯构件的承载力影响均不大，但对构件的正常使用性能有较显著的影响，受压区钢筋锈蚀过程中，截面刚度有较显著的下降，挠度及受压区混凝土压应变随锈蚀量增加而增加，增加值与使用荷载大小有关：受弯构件的截面曲率所受影响最大，锈蚀后截面的极限曲率有明显的下降，在使用荷载作用下，截面曲率则随钢筋锈蚀量的增加而有较显著的增加；而预应力混凝土受弯构件的抗裂度会下降。

为了便于工程实际的应用和评价结构的损伤程度，本文在试验与分析研究基础上，提出截面损伤系数的概念和定义，分析了影响截面损伤系数的各种因素，得出截面损伤系数的具有三折线形式等一些重要性质，并提出了截面损伤系数的计算方法，其中较为简便的是简化计算表法。截面损伤系数除了能反映截面损伤的程度外，还能方便地用于计算锈蚀后截面刚度、梁的挠度等，具有很好

的实用价值。提出截面损伤系数及其计算应用方法是本文最主要的研究成果之一。

在前面取得的研究结果的基础上，本文初步提出受弯构件受压区钢筋锈蚀后的动力损伤鉴定方法，导出简单情况下的理论公式，初步建立构件自振频率与截面损伤系数之间的关系，从而可以通过监测结构在使用过程中的模态参数来鉴定结构损伤或损伤程度，通过这样的测试还有可能问接测定混凝土中钢筋锈蚀量，为结构的检测提供一中新方法，其关系是通过截面损伤系数来建立的，进一步体现了截面损伤系数在本文的承上启下的地位与作用，使本文形成从试验研究一一理论一一应用的系统性，提出截面损伤系数是本文在研究受压钢筋锈蚀影响方面所解决的关键问题。

作为论文的第二部分内容，本文针对现有钢筋混凝土受弯构件试验方法不能真实反映构件破坏过程的缺点，设计出对钢筋混凝土梁锈蚀破坏全过程进行模拟的试验，该试验主要特点是考虑了荷载持续作用的影响，试验结果表明，该方法能够真实地模拟出钢筋混凝土梁的锈蚀破坏过程，通过本试验可以得到一些按传统试验方法所没有发现的特点，锈蚀破坏过程可划分为粘结滑移阶段、锈蚀裂化阶段和锈蚀破坏阶段为三个阶段。锈蚀破坏型态有粘结锚固破坏、剪切破坏和折断三种破坏型态。锈蚀破坏过程中的塑性性能与作用荷载有关，作用荷载越接近极限荷载，粱破坏时的挠度越大，但钢筋的塑性性能越低。在全梁均匀锈蚀量时，梁的破坏挠度一般比较大，接近于塑性破坏，但当只发生局部锈蚀破坏时，梁的挠度很小，接近脆性破坏，这是钢筋锈蚀破坏过程中最危险的情况。在实际工程中，如能保证不发生粘结锚固破坏型，则梁锈蚀破坏能有较大的变形过程。

针对钢筋混凝土耐久性问题是一复杂性问题，作者在分析了其复杂性特点后，提出引进复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想，作为本论文的第三部分内容。

最后进行了总结并提出需进一步研究的问题。本文的特色是实用性较强，对受压区钢筋锈蚀后结构性能的研究成果达到实用的要求，研究手段以实验研究为主，在实验方法上也有所创新。

关键词：混凝土耐久性钢筋锈蚀混凝土强度损伤系数预应力损伤鉴定破坏过程复杂性科学

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第１章堵论

第１章绪论

§１．１选题的意义与背景

１．１．１前言

十九世纪赫胥黎…在研究了达尔文的进化论后，对于宇宙的自然过程得出了精辟而富有哲理的观点：“大自然常常有这样一种倾向，就是讨回她的儿子一一人一一从她那儿借去而加以安排结合的、那些不为普遍的宇宙过程所赞同的东西”。钢筋混凝土结构正是如此，人类从大自然那里通过开采“借来”矿石，冶炼加工成水泥和钢材．然后制作成混凝土与钢筋，并用这些材料建设成房屋建筑、道路、桥梁、码头和水利设施等，以满足人类衣、食、住、行的需要。然而大自然不断通过大气、风雨、阳光、地震、海潮等作用对我们希望耐久的钢筋混凝土结构进行渗透、化学反应、腐蚀、磨损、断裂等，引起其耐久性失效，使其回归演化为其本来面目，“讨回”哪些本来属于她的东西。人类不得不进行维修、加固、拆除重建。诚然，自然规律是不可违背的，钢筋混凝土结构也象人类一样，具有生老病死的自然规律，但唯物主义认为，世界是可以认识的，通过认识世界从而改造世界．以达到人类生存的最大愿望，通过研究钢筋混凝土结构的耐久性，达到认识其问题的根本，从而对建筑物进行设计、诊断和医治。以延缓大自然的“讨债”时间，使我们的建筑物能够延年益寿。

由于众所周知的特点，混凝土是世界上应用最普遍、范围晟广的结构材料之一，在现代建筑中，可以说几乎没有一栋建筑物是没有混凝土的。根据有关报道口Ｉ，目前世界上混凝土的用量年均以８８００Ｍｍ’增加，相当于人均ｌｍ３以上，尤其是在欠发达国家，混凝土的用量是结构工程用料中的首位，我国的混凝土年均用量堪称世界之首，１９９７年我国水泥产量达到４．８亿吨Ｂ…，然而，在大量应用钢筋混凝土的同时，人们注意到一个值得关注的问题一一钢筋混凝土结构的耐久性问题，如此庞大的结构家族，即便是耐久性寿命缩短一年，所带来的损失也是不可估量的。有人曾作过初步推算Ｉ“Ｉ，如把我国现有建筑物的使用寿命延长一年，相当于新建房屋上亿平方米，或相当于创造几百亿的投资。由此可见，进行钢筋混凝土耐久性研究所带来的巨大经济效益和深远意义。

目前已建造的混凝土结构物由于种种原因，例如温变收缩、干缩、冻融循环、钢筋锈蚀、碱骨料反应和氯盐侵蚀等，据估计使用达不到１００年ｏ”Ｉ。而自二十世纪４０年代以来，通过硅酸盐水泥成分的变化以及混凝土技术的快速进步。混凝土的强度显著提高，但从钢筋保护和混凝土耐冻、耐腐蚀角度看，则与强度并不匹配，亦即，当今更多的钢筋混凝土结构比之６０多年前更不耐久，相反，某些２０００多年前用火山灰作为水硬性胶凝材料建造的古罗马建筑现在仍呈现完好状态。为什么混凝土技术大大进步了，混凝土的强度普遍提

广西大学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究２００４年４月高了。而混凝土的耐久性问题却变得日益突出？甚至变得更为严重呢？这不能不成为一个值得深刻思考的问题。这其中有技术因素，也有经济因素使然。就后者来说承包商不用对工程的耐久性承担责任，业主对工程耐久性因短期内无明显利益而不感兴趣等原因则是造成耐久性问题的直接原因，古希腊和古罗马都知道将火山灰磨细后和石灰及砂制成的砂浆凝结硬化后具有强度和耐水性，这类材料的组成和结构很接近今天的硅酸盐水泥，用这类材料所建造的某些结构能够经历两千多年的风风雨雨的侵蚀而保留至今，有的还具有使用功能。例如公元１２８年，Ｐａｄｒｉａｎ皇帝建造的Ｐａｎｔｈｅｏｎ，是一座圆顶“混凝士”建筑物，其墙体厚６．１ｍ。弯顶直径４３．３ｍ，高２１．６ｍ，经研究发现１３０［，该结构的原形能完整保留至今有两个主要原因，一是“混凝土”中砂浆的质量良好，二是骨料的品种及级配合理，同样．古罗马的高架渠也是因为充分夯实的高质量，无收缩、无裂缝与无施工缝的“混凝土”渠内衬使之保留至今。但是，如果采用当今的钢筋混凝土结构．２０００多年后我们的子孙后代能否看到象我国万里长城这些饱含历史烙印的建筑物？

１。１．２国外钢筋混凝土耐久性状况

事实上，从发达国家所取得的经验来看，钢筋混凝土耐久性问题造成的损失已是惊人的。美国标准局（ＮＢＳ）１９７５年的调查表明，美国每年因腐蚀造成的各种损失为７００多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占４０％Ｉ”，就桥梁而言［３１。其５７．５万座钢筋混凝土桥梁中，一半以上出现腐蚀破坏，４０％承载力不足，必须修复与加固处理。腐蚀破坏的修复费，１９９８年度就需要２５００亿美元，其中桥梁修复费为１５５０亿美元（是这些桥初建费用的４倍），据称，这些钢筋混凝土结构腐蚀破坏的原因主要是化冰盐和海洋环境氯离子的侵蚀作用，此外，工业化学介质、中性化、冻融等也是促进钢筋混凝土腐蚀破坏的因素。美国国家研究协会１９９０年的研究报告１４ｌ指出，在今后２０年内，美国将需花费２０００～３０００亿美元来修复哪些由于腐蚀和质量低劣而处于危险中的混凝土结构。随着时间的推移，钢篾混凝土耐久性引起的维修加固费用不断增加。美国１９６９年内用于修复因钢筋锈蚀而损坏的公路桥面板的费用为２６亿美元，１９７８年增加到６３亿美元１６ｌ，１９９１年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁已高达９１０亿美元ｐｌ。美国材料咨询委员会（ＮＭＡＢ）１９８７的年度报告中指出，有２５３０００座混凝土桥处于不同程度的损伤状态，且以每年３５０００座的速度增加…。

正如一个推消润滑剂的广告词所说的：“你要不现在付款。要不将来掏更多的钱”，意思是说，使用这种润滑剂可以减少汽车的磨损，可使汽车寿命增加．否则将来要掏更多的维修费。意味着从经济效益上，进行初期投资与维护是最有效的。在美国，曾有人提出一“五倍定律””ｏ，即认为设计时在耐久性方面每节省一美元，就意味着发现钢筋锈蚀时需追加维修费５美元，当发生纵向沿筋裂缝时，则需增加费用２５美元，严重破坏时则需追加费用１２５美元，可见钢筋混凝土耐久性所带来的经济损失是多么惊人的。

美国己明确提出，要与基础设施中的腐蚀破坏作斗争。通过对建筑物实施。寿命周期２

第１章绪论

成本分析”法大力倡导预先采取防护措施，以减少后期维修、停车、停产所带来的巨大经济损失。如在氯盐环境，钢筋混凝土桥设计寿命４０年．采用加钢筋阻锈剂作为预先防护措施，其附加费用为５．４美元／ｍ２。若前期不采取防护措施，则１５年开始修复，寿命周期４０年内累积费用达１０８．１６１美元／ｍ２（２５倍）（这又是一个“五倍定律”），可见研究和采取钢筋混凝土耐久性的前期防护措施，其重大意义和长远经济效益是不可低估的。

除了美国，其它国家也有不少类似情况。如英国为勰决海洋环境下钢筋混凝土结构的腐蚀与防护问题和修复已损伤的钢筋掘凝土结构，每年耗资将近２００亿英镑ｌｉＯｌ，英国位于英格兰中部的环形快速道上有１ｌ座钢筋混凝土高架桥ｐｌ，于１９７２年建成，建造时费用仅为２８００万英镑，使用两年后即发现钢筋锈蚀，１９７４年开始维修，在１９７４．１９８９年的１５年内，维修费已高达４５００万英镑，已是当初造价的１．６倍，而且估计今后ｌｓ年还需要耗资１．２亿英镑，１９８５年沙特阿拉伯对沿海地区的４２座混凝土框架结构的建筑物进行的调查表明，７４％的结构中钢筋锈蚀严重；而日本引以为自豪的新干线。在运行１０年后也出现大面积的混凝土开裂、剥蚀现象，日本运输省曾检查了其１０３座混凝土港口码头，发现使用２０年以上的都有大量的顺筋裂缝。目前日本每年用于房屋结构维修的费用就达４００亿日元。

除了普钢筋混凝土结构外，发展和使用历史相对较短的预应力钢筋混凝土结构耐久性问题的事例也不少，如原西德有两座桥梁．１９５３年张拉建成后几小时内预应力钢丝突然脆断．１９５８年又出现同样的事故。原西德１９３５．１９３７年建成的位于火车站铁路之上的公路桥梁，粱中配置预应力钢筋，由于该桥经常受蒸汽机车的煤烟作用，在Ｓ０２烟气和湿气的影响下，钢筋和锚固件锈蚀严重。预应力损失约达３５％，主梁裂缝宽度达ｏ．１８ｍｍ，最大挠度达１２ｍｍ…Ｉ，不得不拆除重建。前南斯拉夫一座预应力钢筋混凝土公路桥。于１９５７年建成，部分采用体外预应力，有６ｍ长的支座附近矩形段穿过混凝土体。１９５７年１０月施加预应力时。因冬季来临未来得及喷射混凝土保护层．张拉后经５－６个月。发生钢丝自行断裂事故…１。美国南部海岸的一幢１１层住宅楼Ｉ”１，建于上世纪８０年代初。采用后张双向无粘结预应力板，１９９３年发现张拉端锚具及其附近钢绞线锈蚀，不得不进行维修：位于沙特阿拉伯东部的一条冷却用水输送渠道，采用直径为２ｍ的预应力钢筋混凝土虹吸管，在完全投入使用前就发现钢筋存在腐蚀现象。运行２～３年后钢筋断面损失了１／４，德国柏林议会大厦预应力混凝土屋顶曾经倒塌ｆＩ…．调查表明．其原因是预应力钢丝孔道灌浆质量不好，发生很少见的预应力钢丝氢脆破坏现象；印度的盂买河上的一座后张预应力钢筋混凝土桥梁，安装前预应力筋受到空气中的盐分污染，并使用含盐分的水进行灌浆，使用不到１０年所有预应力筋都受到了严惩重腐蚀破坏，不得不拆除重建。

１．１．３国内钢筋混凝土耐久性状况

我国在钢筋混凝土耐久性问题上尚缺少全国性的系统资料，但从一些调查资料和发表的有关文献来看．钢筋混凝土耐久性问题也是极其严重的。中国建筑科学研究院的调查表明“…，我国现役工业建筑物损坏严重，其结构的使用寿命一般不能保证５０年，多数在２５～３０

３

广西大学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究２００４年４月年左右就必须进行大修或加固。１９９４年铁路部门的统计表明’“】Ｉ”Ｉ，我国铁路存在有病害的钢筋混凝土桥２６７５座，其中的７２２座发生裂损；仅使用２０年的北京西直门立交桥，由于长期在冬季使用化冰盐，部分梁柱锈蚀严重，现已拆除重建。

据调查ｉ２…，我国在二十世纪五六十年代，由于要求早强或防冻而掺用过量氯盐的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起顺筋开裂、剥落、构件破坏的事例屡有发生，加上政治因素，缺少技术力量和质量管理，如在大跃进时期．有的将近１万ｍ２的厂房仅三十几天就建成了，两年多的时间建厂房１．０亿ｍ２左右，仓库０．４５亿万ｍ２，同时为了加快施工进度，使用了过量的氯盐（ＣａＣｌ２、ＮａＣＩ占水泥的２％～４％甚至６％），从而造成这些建筑物存在更大的耐久性隐患。我国二十世纪８０年代以前的混凝土结构，混凝土强度等级低．绝大部分为Ｃ２０以下，为节约钢材，大面积采用对结构耐久性非常不利的细主筋，低配筋率以及薄壁构件。在二十世纪８０年代，由于混凝土外加剂的应用不当或施工和原材料质量等原因，钢筋混凝土腐蚀也不断出现。

在预应力混凝土结构方面也出现过不少破坏实例，我国呼和浩特铁路局呼和浩特西机务段的中检库屋顶为高强钢丝束配筋的２１ｍ跨预应力梯形屋架，由于灌浆内掺５％Ｃａｃｌ２。且灌浆不彻底，并在蒸汽机车的喷烟排气的作用下，使用ｌｏ年后，于１９７２年２月１１日屋架塌落，钢丝柬早在几年前就陆续被锈蚀断裂．最后一次拉断时，仅有７根钢丝１３Ｉ。

从调查的结果来看，我国钢筋混凝土耐久性灾害最严重的在沿海地区，我国海岸线很长，存在着广泛的“盐害”环境，广西沿海某大桥，位于海水与淡水交汇处，建成运行仅４年便出现钢筋锈蚀，主要原因为混凝土保护层厚度不足，混凝土水灰比过大，设计时未采取有效的提高混凝土耐久性的措施，经评定该桥安全使用期仅为７年１２８１。我国二十世纪６０年代曾对华南、华东地区沿海２７座钢筋混凝土结构进行调查表明Ｉ”ｌ，因钢筋锈蚀导致结构损坏的７４％，第四航务工程局科研所对我国华南１８座使用７￣２５年的钢筋混凝土海港码头的调查结果【ｌ…，发现８９％的码头出现钢筋锈蚀，只有两座水灰比较低的码头尚基本完好。对华南地区Ｃ港和ｚ港共２０个泊位进行腐蚀破坏情况的调查表明，二十世纪８０年代建成的许多码头，使用５一１４年后，普遍出现宽度为１～３ｍｍ的顺筋裂缝，其中最严重部分码头．由于未按规定设计施工，混凝土保护层厚度不足，仅使用１２年和１４年，己发生严重的锈蚀损坏，码头的纵横粱普遍发生了宽大度大于３ｍｍ的顺筋锈蚀裂缝，损坏率高达８０％以上，即使按设计施工的码头，也有使用仅５年便开始出现了顺筋裂缝。青岛市发生过一１６层混凝土结构大楼钢筋腐蚀工程事故Ｉ”】，该大楼位于海边，离海岸不足１００ｍ，建筑面积１０７００ｍ２．结构形式为现浇剪力墙密肋楼盖．肋间填充轻质加气混凝土块，１９８９年１１月竣工，１９９０年４月交付使用．３年后楼盖钢筋严重腐蚀，致使结构失效，１６层楼盖全部拆卸．经分析，其ｃ１．远超标，设计上没有采取必要的措施。如掺入钢筋阻锈剂等，施工质量低劣，是很快造成结构耐久性失效的重要原因。深圳赤湾港Ｊ“Ｉ，自１９８２年建设以来，虽然一直十分重视码头的耐久性设计与施工，但到１９９７的底进行检测时，发现使４

第ｌ章绪论

用１０年左右的码头钢筋混凝土构件普遍出现耐久性问题，构件锈裂或剥落，虽然锈胀开裂的原因主要是混凝土保护层厚度偏低（设计为５０—７０ｒａｍ，实际为２０．９０ｍｍ），但即使按设计保证混凝土保护层厚度，恐怕也难以满足设计使用期５０年的要求：天津新港１９８７．１９９１年对５０年代后陆续建设的龄期２０—３０年的１８个泊位进行维修，耗资１０４７万元，其中损坏严重的每米码头修理费达８２００元，而这些码头的建设费６０年代每米仅２万元左右，停产维修造成经济损失．更是难以估算。

据佑计，世晃各国的腐蚀损失平均可占国民经济总产值（ＧＤＰ）的２％～４％：其中与钢筋腐蚀有关者可占４０％。我国尚缺乏完整的统计数据，若按上述比例推算，我国１９９９年腐蚀总损失大约为１８００～３６００亿元，其中与钢筋腐蚀有关（占４０％）约为７２０～１４４０亿元吲。

除了以上提到工业与民用建筑外，其它混凝土建筑物也同样存在耐久性问题。如据综合估计１２４Ｉ，混凝土坝的平均寿命仅约为３０～５０年。

以上资料仅为笔者所收集到的一部分，在选题时。作者感到作为从事结构工程研究技术人员责任的重大。

１．１．３原因分析

历史上造成对钢筋混凝土耐久性不够重视的原因是多方面的，一是历史方面的原因，钢筋混凝土作为建筑材料使用的历史并不长，其发展仅仅一百多年的历史，与砖石砌体结构、木结构、甚至钢结构相比．其还是一种非常年轻的建筑材料，而耐久性问题是需经过时间考验的，且混凝土结构的使用又是如此广．其发展之快，使我们无暇顾及其在我们身边的变化；二是观念上造成的，在政策、施工、设计等方面思想上对钢筋混凝土结构不够重视，追求一次性短期投资效益，缺乏长远的眼光，如前面提到的我国在大跃进时期的建设，使人们长期以来只重视钢筋混凝土结构的强度而不重视其耐久性，加上往往没有耐久性方面的建设责任，因为事实上。业主和承包商实际上不需要对钢筋混凝土耐久性负责；即使我们设计耐久性是１００年的钢筋混凝土结构，但几十年后建设蓝工单位可能已不存在，谁来追究或谁来承担其耐久性责任呢？国家不得不肩负起这一历史责任，造成沉重的社会经济负担：三是理论研究不足，我们改造世界．首先得认识世界，尽管人们很早就认识到钢筋混凝土结构存在耐久性问题，但由于其特殊性，以及其影响因素的复杂性，国内外许多学者付出了不少的努力。至今对钢筋混凝土结构耐久性问题没有取得彻底的认识，仍然存在很多有待进一步深入研究的问题。如据分析‘”Ｉ，从损失来看，大部分是由于设计和施工方面造成的，法国所有损伤的建筑工程中，４３％是由于不恰当的设计造成的，另４３％是由于低劣的旖工质量造成。６％是不恰当的选材造成的，ｓ％是维护不当造成的。因此加强钢筋混凝土耐久性的研究，提高钢筋混凝土耐久性的认识和设计、施工水平刻不容缓。

１．１．４前景与展望

广西大学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究２００４年４月从发达国家的基本建设经验来看，一般经历三个阶段，一是大规模兴建时期。二是新建与维修加固并举时期，三是以维修加固与改造为主，目前美国等西方发达国家已基本进入第三阶段，据统计口“，目前西方发达国家的建筑工业总投资中仅６０％用于新建结构，而４０％的投资需用于旧结构的维修养护与加固，有的国家旧建筑物改造加固费用已超过了新建建筑物的投入，例如瑞士１９８３年建筑业总投资中就有５０％是维修改造业的投资，我国目前情况虽还没有如此突出，但再过若干年，同样会出现类似的情况，我国的基本建设有一定的特殊性，一方面，我国目前仍在进行大规模兴建，进入二十世纪九十年代，我国的各大中城市进行了大规模的旧城改造和新建，仅用不到十年的时间就基本建成高速公路网，而另一方面，我国也有许多建筑进入老龄化，由于我国人口众多、生活水平低。大量的老房危房仍在使用中１２”。据统计１２”，截至１９９４年底我国由建筑企业建造的房屋建筑面积６５亿ｍ２，其中工业建筑面积为１６．９亿ｍ２，占房屋建筑面积的２６％，工业建筑中厂房７．０亿ｎｉ２，仓库３．３亿ｍ２，合计１０．３亿ｍ２。其中当时服役３０年（现在为３９年）以上的占２５％，相当于２．５亿ｍ２，当时服役２０年（现在为２９年）以上的占４５％，约为４．５亿ｍ２，从工业建筑寿命来看，这些建筑已经进入老年期，将陆续达到了设计使用的年限，其中，确有损伤或严重破坏的情况．然而大量的到期建筑物只是部分失效，拆除其代价是极其高昂的．更何况有的建筑物还有一定的历史价值，大多数情况下是进行维修和改造。

随着建筑重点的转移，以维修改造为主的新建筑业出现了，美国从二十世纪七十年代起建筑业中新建建筑业开始不景气，而维修改造业日益兴旺，据美国劳工部的预言，在二十一世纪，建筑业的维修改造业将是最受欢迎的九个行业之一。这一行业的兴起，又带动相关行业与技术的发展，从粘钢补强技术到碳纤维布的加固技术，出现了一批新兴的建筑产业，从而带来了巨大的社会经济效益。可见开展钢筋混凝土耐久性的研究是大有可为的。

§１．２钢筋混凝土耐久性研究的发展历史

尽管混凝土的发明只有一百多年的历史，但人们很早就开始关心并认识到混凝土耐久性这一问题，从开始不够重视，到投入大量人力物力，进行理论和试验研究。对混凝土耐久性的研究可追溯到十九世纪四十年代，当时法国工程师兼研究家维卡为了探索所建造的土伧码头被海水腐蚀的原因川，对当时使用的水硬性材料（石灰和火山灰制成的砂浆）的性能进行研究，经对比分析受损前后成分的变化。从而得出其耐久性失效的原因，维卡所著的‘水硬性组分遭海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究》是研究水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第一部科研著作。但在随后的半个多世纪，人们对波特兰水泥混凝土的防水性问题一直未取得一致的看法。当１８８０．１８９０年第一批钢筋混凝土构件问世并首次应用于建筑工程时．就出现了钢筋混凝土能否在化学活性物质腐蚀条件下安全使用的问题，可见，人们对钢筋混凝土结构的性能及其耐久性几乎是同时进行研究的。

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第１章绪论

对混凝土结构耐久性问题的研究最初是从海上或沿海建筑物开始的，这是因为发现这些建筑物的腐蚀严重，研究方法主要是采取调查与自然环境下进行长期试验。１９０２年著名的Ｔ程师Ａ．Ｐ．舒良琴柯和Ｂ．Ｈ．察尔诺姆斯基调查了前苏联各港口码头和欧洲的港口码头的钢筋混凝土构筑物，对混凝土密实性的影响有了初步的认识，但却认为混凝土的碳化层对其耐久性却是有利的。１９２５年美国的密勒组织了在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期试验，其目的是为了获得２５年、５０年以至更长数据，１９３４～１９６４年间比利时的坎皮斯对混凝土在海水中的耐久性进行了试验以及Ｏ．戈尔夫对海上码头建筑物的混凝土结构耐久性的研究，初步得出了水泥品种、混凝土配合比和某些生产工艺等因素对混凝土耐久性影响方面的见解。

其实在二十世纪５０年代以前，混凝土结构主要集中于强度及其性能的研究，而对耐久性的研究并未给予广泛和足够的重视，甚至有些认识是错误的，如对混凝土碳化层的作用问题，并只限于材料方面。较大规模及系统性研究开始于二十世纪五十年代，为了解决混凝土保护层较小的薄壁结构中钢筋的防腐和使用高强度的钢材制作高效预应力问题，前苏联首先开始对钢筋的腐蚀问题进行了研究，Ｂ．Ｍ．莫斯克文，巾．Ｍ，伊万诺夫等做了卓有成效的研究工作，并出版了相关专著１３”。并在研究成果的基础上制定了建筑结构防腐标准（ＣＨ２６２—６３、ＣＨ２６２－６７）等，为钢筋混凝土结构耐久性的提高奠定了基础。美国在钢筋混凝土耐久性方面是遭受过惨重损失的，其主要是桥梁遭受道路化冰盐的氯离子腐蚀，为了解决冬季交通问题，使用了大量的化冰盐，１９４７年全美国使用约１５０万吨的化冰盐，到１９６６－１９６７年，增加到６５０万吨，到二十世纪七十年代，则约为１１００．１２００万吨１３３Ｉ，由于要大量修复各种受损的桥梁，美国在二十世纪６０年代开始展开了广泛和深入的研究１３４】。

从二十世纪６０年代开始，混凝土结构的耐久性问题是许多国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。国际材料与结构试验学会（ＲＩＬＥＭ）于１９６０年专门成立了“混凝士中钢筋锈蚀”技术委员会（ＣＲＣ）１３５１，该委员会历时五年总结了当时各国在钢筋锈蚀方面的成果，并提出了今后的研究方向和建议，１９７８年以后，每隔三年举行一次建筑材料与构件耐久性（ＤＢＭＣ）的国际会议。除此之外，各国已举办过多次有关混凝土碳化及钢筋锈蚀的学术讨论会，如ＡＣＩ第２２２届委员会于１９７３年召开了混凝土中金属腐蚀问题讨论会，美国试验与材料学会（ＡＳＴＭ）召开过多次有关钢筋腐蚀的专题讨论会，１９７６年召开了氯化物腐蚀问题的讨论会，１９９０年召开了混凝土中钢筋腐蚀速率总问题研计会。几届国际水泥化学会议都报导了混凝土碳化研究的进展，并有关于混凝土碳化的论文发表。为研究和解决混凝土的耐久性问题，美国从１９８５年开始，投资２０００万美元，在西北大学成立一个混凝土研究中心，主要研究混凝土耐久性，研究期限为１１年，重点为道路混凝土的耐久性问题，到１９９６第一期研究工作己结束时。该中心已在混凝土的断裂、混凝土冻融（盐冻）、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等到方面取得了很多的研究成果，一些成果己应用到工程，现又正进行第二期研究的工作１３６１。

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广西大学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问赶研究２００４年４月在取得一系列的研究成果后．各国或地区开始颁布相应的规范规程，１９９２年欧洲混凝土委员会颁布了‘耐久性混凝土结构设计指南》，同期美国ＡＣｌ２０１委员会编制了“耐久性混凝土指南”．日本１９８６年开始陆续颁发了“建筑物耐久性系列规程”，英国混凝土结构规范（ＢＳ８１１０）及标准旆工规范（ＣＰｌｌ０）中对耐久性做了明确的规定。

我国对钢筋混凝土耐久性的研究主要开始于二十世纪六十年代南京水利科学研究院对钢筋锈蚀的研究．较大规模的研究在二十世纪八十年代，中国土木工程学会于１９８２年１９８３年连续召开了两次全国性的耐久性会议，在钢筋混凝土结构１９８９规范编制期间对国外的研究成果进行了系统的总结与归纳Ｉ“】，较系统的研究是在二十世纪九十年代，１９９０年中国标准化协会成立了“全国建筑物鉴定加固标准化委员会”，１９９１年全国成立了混凝土结构耐久性学组，为了推进铁路桥梁病害诊断及剩余寿命评估工作，中国铁道学会铁道工务委员会与沈阳铁路局、辽宁省铁道学会于１９９５年在大连联合主持召开了桥梁病害诊断及剩余寿命评估学术研讨会。

在总结国内外的研究成果后，我国建设部于１９８４年颁布了《房屋完损等级评定标准》（试行）（结构正常使用性鉴定）和‘危险房屋鉴定标准》（ＧＪｌ３．８６）（结构安全性鉴定）、＜工业建筑可靠性鉴定标准）、‘民用建筑可靠性鉴定标准》。但仍存在许多问题１３８１，由于耐久性问题所导致的损失日趋严重，为了适应钢筋混凝土耐久性研究的紧迫需要，建设部将“混凝土结构耐久性及耐久性设计”作为“八五”科技攻关项目，由清华大学、中国建筑科学研究院等单位承担，“九五”期间，国家科委、国家自然科学基金委又把“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”作为国家重大基础性研究项目（攀登计划Ｂ），由清华大学、同济大学等高校及研究单位联合承担．欣起了我国在钢筋混凝土耐久性方面研究的一个高潮，是我国在钢筋混凝土耐久性方面进行的最为系统性的研究。在这期间。还培养了一批从事钢筋混凝土耐久性研究的专业人才．在二十世纪９０年代，先后有近十名博士和近百名硕士研究生毕业，取得了丰硕成果ｐ…。

§１．３钢筋混凝土耐久性研究的内容与现状

１．３．１钢筋混凝土耐久性研究层次划分

到目前为止，研究钢筋混凝土耐久性一般从材料层次、构件层次、结构层次三个方面进行１４０Ｉ，文献【４１１对各层次进行了详细的分解，这样的分类简单明了，并与结构组合次序一致．但这样的分类使各因素各层次相互影响、相互依存的关系不够明确．事实上，人们在研究钢筋混凝土耐久性问题时，酋先从寻找各种影响因素开始，然后研究这些因素的作用机理，建立模型，再进一步研究耐久性问题对研究对象性能的影响，展终建立结构耐久性的评估理论。因此。从研究路径出发．应可划分为影响因素、机理研究、性能研究、评估理论研究四个层次，从影响因素到评估理论是由低层次向高层次发展，在各层次内又有

第１章绪论

相互影昀、相互依存的关系，高层次的每一元素受到低层次多个元素的综合影响，因此，这样的划分更能反映各层次的复杂性关系。

１．３．２混凝土碳化机理及影响因素的研究

混凝土碳化是一物理化学过程，在自然环境下，大气中的Ｃ０２扩散进入混凝土，与混凝土中Ｃａ（ＯＨ）２等产生化学反应，其机理并不复杂。然而，由于混凝土的碳化速度取决于混凝土所处的使用环境一一外因，以及混凝土本身的内因，而外因与内因都具有高度的不确定性，且内因与外因有复杂的相互作用，影响因素有混凝土水灰比、水泥用量、水泥品种、外加剂、渗透率等内因．又有环境的温度、湿度、Ｃ０２浓度等外因。影响因素众多，因此，使混凝土碳化过程显得十分复杂。

经过各国学者的长期不懈努力，对影响混凝土碳化速度的因素及影响已有了较清楚的了解，混凝土的碳化速度可以用式ｘ＝口√ｆ表示已得到各国学者的公认”“，但对口的取值却有不同的建议，方景ｉ４３１，ＨｏＩ“Ｉ，ＤｈｉｒＩ”Ｉ等通过试验研究过水灰比、水泥品种对混凝土碳化深度的影响，除了采用试验研究方法，很多学者通过碳化机理建立碳化深度的计算模型，前苏联学者利用ＦＩＣＫ第一扩散定律建立了混凝土碳化模型，Ｐ．ａｐａｄａｋｉｓＩ”ＩＩ”１１５０Ｉ等人通过ＣＯｚ在混凝土中的反应动力学方程来建立碳化速度与反应物质浓度的关系，蒋利学，张誉。５”建立了基于碳化反应机理的碳化深度的实用模型，除进行单因素的研究外，很多学者进行了多因素的试验与理论研究。朱安民１”Ｉ、龚洛书１５３１等通过试验建立了考虑多因素共同作用的多系数的混凝土碳化方程；Ｈｏ［“Ｉ，张令茂１５５¨５６Ｉ，刘亚芹、张誉１５７Ｉ等分析了表面覆盖层对混凝土碳化的影响机理，从理论上推导出考虑表面覆盖层对混凝土碳化影响的计算公式；李立、黄士元【５”通过试验研究了粉煤灰混凝土的碳化速度，并研究了自然碳化与实验室快速碳化试验的关系；Ｓｍｏｌｃｚｙｋ、ＮａｇａｔａｋｉｓＩ”Ｉ。牛荻涛，陈亦奇１６０Ｉ等研究了碳化深度与混凝士强度的关系．并对碳化可靠度进行了分析：蒋利学、张誉…ｏ等对研究了碳化区的物质成分进行数值分析。

从整体上看，影响混凝土碳化深度的因素己基本清楚，各国学者已基本达成共识，在针对单一因素影响的研究已做了很多深入的研究工作的同时，各国学者也意识到根据单因素的研究成果并不能预测混凝土碳化深度，因为实际工程中碳化深度是多因素共同作用的结果，因而许多学者进而研究多因素共同作用的情况懈Ｉｔ５３ＩＩ“Ｉ。并建立了计算公式，但仍存在不完善。如所考虑的基本影响因素没有达成统一认识，影响碳化深度的因素虽然众多，但各因素问并不是完全独立的，如渗透率与水灰比，有的因素是综合性，如混凝土强度；有的因素可以从不同角度考虑，如日本【６引１９８４年提出的混凝土碳化公式中考虑的因素为：时间、水灰比、骨料、水泥品种、旌工条件、粉刷、室内外等，其次没有考虑各因素间的相互促进、相互制约的动态关系，如温度湿度的关系，已碳化棍凝土对碳化进程的影响等，只是简单地将各因素独立影响所得系数相乘。

意识到上述问题，各国学者在研究方法上，除了进行各种理论分析、试验研究外，还

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广西大学博士擘位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研克２００４年４月进行了考虑各种因素的数值计算方法研究，并引入一些非线性建模方法。蒋利学，张誉１６。通过数值方法对ａｐａｄａｋｉｓ模型进行了分析，Ｂｕｅｎｆｅｌｄ、ＨａｓｓａｎｅｉｎＩ“Ｉ，王恒栋、赵国藩Ｉ”等利用神经网络方法建立了混凝土碳化深度与各影响因素的关系，在考虑多因素非线性影响方面，神经同络方法具有独特的优势。郭院成ｐ４１等运用模糊数学方法对碳化深度进行观测．屈文俊、车惠民１６５１．袁群、赵国藩Ⅲ‘考虑碳化深度的随机性建立了碳化深度的预测模型，屈文俊、张誉∽１通过有限元方法计算混凝土碳化深度的分布。

１．３，３氨离子（ｃＩ一）扩散机理及影响因素的研究

在众多的钢筋混凝土结构耐久性损失中，ｃｌ’扩散所导致的损失可以说是第一位，因此，对混凝土耐久性问题的研究是从ｃｌ－破坏开始的，各国学者对ｃｌ‘的扩散给予了高度的重视，并对其机理及影响因素进行了深入而广泛的研究。

目前对ｃｌ。扩散的机理已清楚－混凝土中ｃｌ－的来源主要有三个方面，一处于ｃ１．使用环境中的混凝土结构，ｃ１．从结构的表面向混凝土内部扩散，或使用受到ｃｌ’污染的材料所带来的，如受ｃｌ一污染的骨料及水等“…，二是在北方使用化冰盐；三是人为加入的．如早期箍工时加入的氯盐早强剂。

ｃＩ．从表面进入混凝土内部一般来说有三个途径：（１）氯盐溶液从混凝土表面渗透进入混凝土内部；（２）氯盐溶液沿与混凝土表面连通的毛细管进入：（３）游离的ｃｌ‘通过扩散进入混凝土内部，当混凝土内的孔隙和毛细管相对较干燥时，渗透和毛细管作用起支配作用，当混凝士内的液体相对饱和时，扩散机制起支配地位，有时是某一机理起主要作用，有时是同时起作用。

Ｙ．Ｍａｓｕｄａｌ６９１研究了ｃｌ。对混凝土的渗透机理。并考虑了混凝土表面ＣＩ。的随机性，Ｈ．Ｋ．Ｃｏｏｋ，Ｗ．Ｊ．ＭｃＣｏｙｌ７０ｌ，Ｐ．Ｃ．ＰｅｔｅｒｓｏｎＩ”１等研究化冰盐对桥面的渗透破坏，一般说来，ｃｌ－扩散符合ＦＩＣＫ第二定律，ｃｒ在混凝土中的积聚量沿深度方向呈双曲线分布１７２Ｉ，影响ｃ１．扩散速度的因素几乎与混凝土碳化是一样的，根据暴露试验的结果，ｃｌ一浓度随水灰比的降低而明显减少ｍ１，此外，混凝土的碳化会使已周定购ｃｌ’水化物发生分解反应，从而增加孔隙溶液中的游离态ｃｌ＿１７…。己出现过因混凝土碳化而使用混凝土表面受海水侵蚀的事例Ⅲ１。与混凝土碳化速度相比。ＣＩ’的扩散速度比混凝土的碳化快得多［７６ｌ，在ＣＩ’的渗透影响单一因素已基本研究清楚的基础上，也进行了多因素共同作用的研究１“ｌ，同时也进行有限元等各种数值模拟…”，但对基本因素的确定，多因素交叉影响等方面还有需要进一步研究之处。

１．３．３钢筋锈蚀机理及影响因素的研究

钢筋的锈蚀是一电化学过程。其机理已是比较清楚的。电化学腐蚀过程由阳极过程、阴极过程和电子（离子）传导过程三者组成，三者缺一，则整个腐蚀过程便不能进行，三者之中屉难进行的某一过程就是决定腐蚀速度的控制因素，若该控制因素受到某种限制或不能进行，则整个腐蚀速度就下降或停止，钢筋锈蚀有两个控制因素１７７］，即有水和氧的同１０

第１章堵论

时出现，只有在氧和水连续不断地充分供给到钢筋表面时，钢筋的电化学腐蚀才得以顺利进行，如二者缺一，则钢筋的腐蚀便不能进行。

混凝十中钢筋的锈蚀控制过程比直接暴露的钢筋复杂得多，原因是混凝士的包裹使钢筋得以保护或控制锈蚀价质的直接侵蚀，混凝士是高碱材料，在这种环境下，钢筋表面形成肫化膜．就象在钢笳表面穿了～层保护外衣，即使有氧和水出现，钢筋也不会锈蚀，但当这种保护受到破坏时，钢筋便可能腐蚀了，这种破坏因素有四个方面ｌＴＳｌｌ”Ｉ，（１）混凝土碳化使其中性化；（２）ＣＩ‘的出现；（３）其它酸性离子（如Ｓ０４一）的出现；（４）掺入活性混合料或聚用低碱水泥，同时，由于混凝土控制了钢筋锈蚀所需的氧和水的供给速度，使混凝土中的钢筋锈蚀速度比直接暴露时慢得多。

有关混凝土碳化所导致的钢筋锈蚀，国内外已进行了较广泛和深入的研究，蔡光汀１２５Ｉ对钢筋的腐蚀机理进行了细致的分析，洪乃丰‘３）ｌＳＯＨ”ｉ在钢筋腐蚀与检测方面做了大量的研究工作，牛毅涛等‘８６ｌ—ｌ”Ｉ，金伟良等‘”９Ｉ对根据钢笳锈蚀的电化学机理．建立了混凝土钢筋锈蚀开裂前后的锈蚀量预测模型，并根据试验和实际工程检测结果研究钢筋开始锈蚀的条件，运用神经网络技术评估钢筋锈蚀量等：王林科等Ｉ”０１惠云玲［９１Ｉ”Ｉ４１等在试验与工程实际调研的基础上对钢筋锈蚀的影响因素进行分析，并建立钢筋锈蚀量的预测模型；淡卅辉，何广汉１９５ｌ考虑钢筋腐蚀的力学效应来研究钢筋的锈蚀速率，这样可能更能接近钢筋的实际情况：Ｇｊｏｒｖ㈣，Ｐａｇｅｌ９”、Ｇｏｎｚａｌｅｚｍｌ等人研究过混凝士氧扩散过程及其在钢筋锈蚀过程中的作用：刘西拉，苗澍柯【９９Ｉ建立考虑氧和ＯＨ‘扩散的浓差极化建立了钢筋锈蚀的物理模型；Ｃａｏｌ”０１研究过不同水泥品种对钢筋锈蚀的影响；宋晓冰、刘西拉Ｉ“０１研究了钢筋锈蚀过程中阴极与阳极面积比的关系及其试验方法。

在研究钢筋锈蚀机理的同时，很多学者研究并提出钢筋锈蚀量的检测方法．朱雅仙Ｉ”１Ｉ等提出采用小辅助电极法检涮混凝土中的钢筋锈蚀量，张伟平，张誉Ｄ０２…３”等介绍了并种锈蚀最的检测方法，并提出采用红外成像仪进行钢筋锈蚀最测试的新方法。但从总体上看，目前还缺少混凝土中钢筋锈蚀量现场检测的有效方法。

氯离了对钢筋的锈蚀破坏机理已清楚，ｃＩ＿可破坏混凝＿十的碱性环境，使混凝十的碱ＰＨ值大幅度下降，ｃｌ’侵蚀可使钢筋产生小阳极对大阴极的腐蚀电池。从而产生坑蚀（也可能产生均匀锈蚀）．同时参与钢筋锈蚀化学作用，能与锈蚀产物产生化学反应，加速锈蚀物的迁移。即起搬运作用，使锈蚀过程大大加速，而ｃｌ。的存在大大降低了混凝土的电阻，提高腐蚀电池的效率。因此，ｃＩ．侵蚀所产生的锈蚀速率比碳化所产生的速率高得多，ｃｌ＿侵蚀下的锈蚀率一般为５ｍｍ／ａ，而碳化所导致的锈蚀率仅为０．５ｍｍ／ａＩ…Ｉ。

Ｂａｚａｎｔｚ．ｐ．１１０６１１１０７１建立过在海洋环境下钢筋锈蚀量的模型；ＭｅｈｔａＩ…Ｉ，赵铁军ｉｉ０９１研究水泥成份对ｃＩＴ环境下钢筋锈蚀的影响；赵铁军等ｌ“ｏ‘研究过ｃ１．的侵蚀过程；阎培渝等…１ｆ研究过ｃ１．环境下钢筋宏电池腐蚀速率控制因素：ＣｈｕｎＱｉｎｇＬｉ［１１２ＩＩ“３Ｉ利用人Ｔ气候环境拟室对ｃＩ＿钢筋腐蚀进行试验研究：ＭａｎｇａｔＩ““，ＨｏｎｇＩ“５ｏ对混凝土中ＣＩ一含罱与时间的关

广西大学博士学位论文铜蔚混凝土构件耐久性的若干问题研究２００４年４月系进行过研究；Ｌｉｕ。Ｙ．…“，ＮｏｂｕａｋｉＩ“７１研究ｃ１．在混凝土构件裂缝处对钢筋锈蚀作用；ＲｏｂｄｅｒｔｓＩ”８’提出在氯盐环境下的钢筋锈蚀量以钢筋的锈蚀电位为基础经验模型。

试验研究表明ｔ１０１１，在混凝土内，只有钢筋表面处的ｃｌ一浓度达到某一界限时，钢筋才开始锈蚀，这一界限与混凝土的性能及其使用环境有关。目前对这一临界值的研究取得的成果为：（１）ｃｌ－临界值与混凝土的ＰＨ值有关；（２）与水泥成分有关，掺火山灰或矿渣可降低临界值水平：（３）水灰比对ｃｌ一临界值有显著影响，水灰比越大，临界值越低；（４）在裂缝处钢筋的ｃｌ。临界值水平有显著降低。在研究成果的基础上，各国在新规范的编制中，对ｃｌ。的含量作了严格的规定［３１１，目前许多国家不再允许采用氯化钙作为混凝土早强剂（北美仍允许），在欧洲，对新鲜无筋混凝土的ｃＩ＿含量不能超过水泥用量的１．Ｏ％。对钢筋混凝土不能超过ｏ．４％．对预应力混凝土为０．２％；美国ＡＣｌ３１８９５中，规定新拌预应力混凝土中水溶解ｃｌ。含量限值为０．０６％，在干燥环境下使用或具有防潮保护的混凝土结构为１．Ｏ％，非直接暴露于ｃｌ‘环境下工作的混凝土为０．３％，而对直接暴露于ｃｌ’环境下工作的混凝土为０．１５％，我国规范ＧＢ５００１０．２００２中对一类环境的限值为１。０％Ｉ”１Ｉ，对三类环境为０．１％，而对预应力混凝土为０．０６％。

钢筋锈蚀在其它方面也进行过不少研究，郭院成ＩｌｌＳｌ—Ｉ””，范颖芳ＩｉＺ３Ｉ，袁广林１１２“，于忠１１７２１等对化学环境下对钢筋和混凝土的腐蚀进行研究：杨向东１１２１３等研究过集散电流引起的钢筋腐蚀机理：李田，刘西拉１１２６１研究过混凝土冻融循环破坏的机理和可靠性。

１．３．４材料与结构性能研究

钢筋混凝土在各种介质的侵蚀下导致材料与结构性能的退化，很多学者在研究各种引起耐久性失效的因素、机理的基础上，对钢筋混凝土结构在耐久性性能退化方面进行了较多的试验与理论研究，以便了解其对结构性能的影响程度及维修加固措施，并进行耐久性评估，目前已对钢筋锈蚀后性能、混凝土碳化后的性能、锈后钢筋与混凝土的粘结性能，锈蚀后钢筋混凝土构件的性能等进行了试验与理论研究。

钢筋锈蚀后，人们首先关心的是钢筋与混凝土间的粘结力，因为铁锈是一种力学性能极差的松散物质．王采玉Ｉ…Ｉ，张伟平、张誉０１３…，张国学’…Ｉ，王林科‘…ｌ，粱发云１１３３Ｉ，潘振华、牛荻涛‘”４Ｉ等在钢筋与混凝土粘结力方面进行了试验与理论研究；Ｘｕｌｉ等Ｉ”５】ＬａｕｙｅｕｎｇＩ…１研究过锈蚀后钢筋粘结强度的变化：ＫｙｌｅＳｔａｎｉｓｈｌｌ”１等通过试验研究钢筋混凝土梁受拉钢筋锈后粘结力与混凝土强度关系，朱伯龙等””ｏ研究了混凝土碳化后的性能变化，得出碳化后混凝土强度有所增加的结论：邸小坛、周燕ｏ””，袁迎曙１１４０Ｉ等通过试验与理论方法研究了锈蚀后钢筋的力学性能，主要结论为锈蚀钢筋的强度与延性均会下降；ＴｏｒｒｅｓＩ…Ｉ研究了裂缝处钢筋局部锈蚀的性能。

在构件方面，ＭａｎｇａｔＩ“３ｏ研究过钢筋锈蚀后受弯构件性能：Ｓａｎｃｈｕｎ…４ｏ对荷载作用下梁的钢筋锈蚀的影响进行试验研究；金伟良１１４副研究了均匀锈蚀的钢筋锈胀力机理，并提出计算模型；邸小坛等１１４６１１”７１提出钢筋锈蚀后对受弯构件性能影响的计算公式并进试验研１２

第１章±｝论

究，史庆轩等‘１４８１则对偏心受压构件进行试验研究，陶峰等Ｉ“９Ｉ对实际工程中更换下来的构件进行试验研究。惠云玲［］ＳＯＩ对各种基本构件的钢筋锈蚀后承载力损伤及评估方法进行分析研究。

除了普通钢筋混凝土构件，预应力混凝土构件也是许多学者关心的研究领域，前苏联学者１１２Ｉ在二十世纪五十年代就对预应力筋及钢丝进行应力腐蚀的试验研究，得出预应力筋或钢丝的腐蚀与断裂速度比普通钢筋快得多的结论，但这些试验是对没有混凝土包裹的钢筋（丝）进行的，是否能适用于预应力混凝土结构尚有争议，张德峰、吕志涛Ｉ…ＩＩ…’就裂缝对预应力混凝土结构耐久性的影响进行了研究，并提出预应力混凝土结构耐久性设计的方法：秦士洪Ｉ”３１等对预应力中裂缝控制对其耐久性影响进行分析．提出其特点及产生应力腐蚀的裂缝条件；肖长礼［１５４１等研究过无粘结预应力混凝土结构的耐久性；汪加蔚等１１５５Ｉ对预应力混凝土轨枕的耐久性进行了分析研究。

１．３．ｓ评估理论研究

在钢筋混凝土耐用久性研究中，如何对工程结构的耐用久性状态进行总体评估。以便得出所评估结构总的耐久性状态，是各国学者一直关心的问题，在进行材料与构件的耐久性研究的同时，各国学者也一直研究钢筋混凝土耐久性的评估理论。

目前对钢筋混凝土耐久性评估理论的研究可划分为三个方面，一是以传统的概率论为基础的可靠性理论Ｉ…Ｉ’【“”．二是运用现代不确定性数学工具，建立各种评估模型，如居于灰色理论的多层次综合评定方法１１８６Ｉ。【１８”，居于模糊数学理论的评定方法Ｉ…Ｉ～Ｉ…Ｉ以及利用神经网络建立评定模型等【６２１１…””，三是建立专家评估系统Ｉ…Ｉ。除了建立对现役结构进行评估的理论外．近年来在耐久性设计方面也进行了不少努力ＩＺ００１“ｉ“Ｉ。

１，３．６有待进一步研究的问蹶与展望

表１．３－ｌ列出了钢筋混凝土耐久性各方面的研究现状。

从表１．３－１中可看到，在各国学者的努力下，钢筋混凝土耐久性的研究取得了许多成果，但仍存在许多需要进一步研究的问题，尚存在如下需要加强研究的几个方面：（１）钢筋锈蚀破坏的全过程研究．目前在构件方面的试验研究中，均是对构件进行加速锈蚀达一定锈蚀量后。进行受力试验‘“６Ｉ…７Ｉ…“，这样的试验并不能反应构件锈蚀破坏的全过程，只能是在某一锈蚀量下的性能，而构件锈蚀破坏是一过程，了解其破坏过程对研究耐久性可能导致的结果和评估是很有必要的，而实际工程中，人们极少能看到构件锈蚀破坏的全过程．就像很少看到构件在作用荷载下破坏的全过程一样，只能通过实验室模拟试验。

（２）耐久性的基本影响因素，影响耐久性的因素很多，各国学者从不同角度研究过各种因素影响下的机理。但很多因素是交叉或综合性的，如混凝土强度反应了混凝土的水灰比，水泥用量，混凝土的密实度．但对于那些是基本因素，尚未达成共识，这对评价混凝土耐久性，或进行混凝土耐久性设计是必要的。

广西太学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究

表１．３一Ｉ钢筋混凝土耐久性研究现状表

Ｔａｂｌｅ１．３－１Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｅｉｎｆｏｒｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ研究层次研究项目研究内容研究现状备注

单因素影响清楚

砼碳化研究

多因素复杂性未清楚气候环境仍是难题

单因素影响清楚

氯离子扩散

多因素复杂性未清楚

机理性研究

单因素影响清楚

铜筋锈蚀

多因素复杂性未清楚

化学侵蚀单因素影响清楚尚需关注更多因素

碱骨料反应单因素影响基本清楚

砼碳化后性能力学性能基本清楚

力学性能基本清楚

钢筋锈蚀粘结力基本清楚

材料与结构（构

疲劳性能未清楚含粘结力与力学性能件）性能

受拉区钢馈锈蚀基本清楚

构件受压区钢筋锈蚀未清楚

破坏全过程未清楚

评估理论耐久性鉴定未实用已尝试较多方法整体

设计耐久性设计未实用

（３）多因素共同对混凝土耐久性能影响的研究，目前对多因素影响的研究基本上是在单因素研究的基础上进行总结所得，没有考虑各因素间的相互制约、相互依存的机制，从而影响了所建立的各种模型的实用性。

（４）受压区钢筋锈蚀后对构件性能的影响。混凝土中钢筋锈蚀后，将导致构件产生三种损伤，第一种是钢筋的锈蚀使其本身受力性能降低；如锈蚀后钢筋的截面减损，锈坑使钢筋受力时产生应力集中、塑性性能降低”２“２”１等；第二种损伤是锈蚀后钢筋与混凝土问的粘结力降低“…””“２”…”ｌ，使钢筋与混凝土问协同工作效率降低．乃至发生粘结破坏；第三种损伤是钢筋的锈胀力使混凝土性能损伤，这种损伤包括两个方面．一方面是锈胀力使混凝土开裂或剥落，从而使混凝土受力截面减损，构件承载力降低，另一方面，当钢筋锈蚀发生于混凝土受压区时．混凝土截面承受的轴向压应力与钢筋锈胀应力的组合，使混凝土处于双向异号应力状态，混凝土在这种应力状态下其抗压强度会降低”“。从而影响到结构的性能。在目前的混凝土耐久性研究中，对前两种损伤以及第三种损伤的第一方面己进行了较多的研究，也得出了不少结论，而对第三种损伤的第二方面的研究进行得较少，原因之一是这种损伤发生时，往往钢筋锈蚀量很小，混凝土尚未开裂，因而在工程实际中

第１革绪论

不易觉察到，从而得不到重视，但实际工程中这种损伤是不可避免的，并且是普通存在的，因为在钢筋混凝土结构中，混凝土受压区布置有受压钢筋是一普遍现象，尤其是受压构件、按双筋截面设计的受弯构件以及承受双向内力作用的构件，这些构件的受压区均布置有大量的受压钢筋，有时为提高截面的延性，还有意识地增加受压区的配筋量；预应力混凝土结构中因构造或设计要求也配置有大量的非预应力钢筋，处于受压区的非预应力钢筋锈蚀后同样会使预应力混凝土结构的性能降低。因此，研究受压区钢筋锈蚀后对混凝土及构件的性能影响具有深远意义。

（５）锈蚀后钢筋与混凝土粘结疲劳性能，对粘结力的研究己进行过不少，不同学者的研究结论均认为，在混凝土因锈胀开裂前，粘结力不会下降，但对疲劳性能是否有影响尚未看到有关研究文献。

（６）耐久性极限状态问题。目前对混凝土的耐久性极限状态尚未统一，在研究混凝土评估与设计理论时，有的以混凝土碳化到达钢筋表面为极限状态，有的以钢筋锈蚀使混凝土产生沿筋裂缝为极限状态０１５８ｌｌ…Ｉ，而有的研究表明１３”，混凝土开始产生纵向开裂时的锈层厚度与混凝土保护层厚度成正比，当保护层厚度为４０ｒａｍ时．混凝土纵裂所需锈层厚度约为５０ｐ．ｍ，达到可见裂缝时约需１００ｐ．ｍ，在混凝土内部的钢筋锈蚀是极其缓慢的，当年均锈层厚度为４ｐ．ｍ时，从开始锈蚀到产生可见纵向裂缝所需时间为２５年，而这一时间内钢筋力学性能及其与混凝土间的粘结力并不一定发生显著下降。

进入二十一世纪后钢筋混凝土耐久性仍是世界上广泛关注的问题。美国ＡＣＢＭ新千年的水泥混凝土研究计划中【””．选择的两个主题之一是使用寿命的预测与性能设计，其中包括提高混凝土耐久性等多项研究课题，德国在混凝土研究计划上明确将高性能混凝土～一高强度、高耐久性与高工作性列为今后混凝土研究的主攻方向。我国虽未看到明确的有关研究计划，但经过了二十世纪九十年代较大规模的系统研究，取得了一批研究成果，特别是培养了一批耐久性方面的研究人才．为今后耐久性的研究与成果的应用打下了较坚实的基础，而耐久性是一需要长期努力的问题，其研究成果的实用需要长期的工程实践的考验，目前我国在耐久性研究成果的应用、检测新技术与新材料开发方面Ｄ６０Ｈ”８１仍落后于发达国家，可预计在二十一世纪，钢筋混凝土耐久性仍是我国在工程结构的研究与应用方面的一个重要课题。

§１．４本文的选题与研究工作内容

针对前面所分析的钢筋混凝土耐久性中存在的需要进一步研究的问题，结合作者所熟悉的专业知识。本文选择其中的受压区钢筋锈蚀后对混凝土及构件性能损伤影响作为本论文的主要研究内容：同时进行受弯构件锈蚀破坏的全过程模拟试验研究，作为本论文的第

广西大学博士学位论文钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究２００４年４月二部分内容；针对多因素复杂影响下的钢筋混凝土耐久性研究困难，在充分分析钢筋耐久性的复杂性的情况下，提出研究多因素复杂影响钢筋混凝土耐久性的初步构想，作为下一步研究的参考。其中第一部分是本论文的主要内容，形成从建立研究基础～一理论分析一一虑用研究的一条完整的研究路径，其它二部分作为本文的补充。具体如下：（１）论述本文选题的背景和意义，在充分阅读国内外参考文献的基础上，详细全面介绍钢筋混凝士耐久性研究的历史，总结近期研究的概况和现状，提出需要进一步研究的问题。

（２）对钢筋混凝土粱受压区钢筋锈蚀后的性能进行全过程模拟试验研究，测试锈蚀过程中梁的挠度、钢筋与混凝土应变发展过程，作为开展进一步研究的基础。

（３）对钢筋锈蚀后对混凝土抗压强度影响进行试验研究，通过足够的试验数据经分析混凝土抗压强度与钢筋锈蚀量、钢筋直径、混凝土保护层厚度及混凝土强度的关系，并建立混凝土抗压强度的锈胀退化经验公式。

（４）在前面试验结果的基础上，分析各种影响因素，建立钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀过程中承载力及变形的理论计算方法以及简化计算方法，并编制计算机程序对截面性能进行非线性分析。

（５）定义截面损伤系数，并对其性质与特点进行分析．提出截面损伤系数的计算方法及运用损伤系数分析钢筋混凝土粱截面锈蚀损伤状态的方法。

（６）对预应力混凝土受弯构件非预应力钢筋锈蚀性能进行试验研究，观测试验过程中粱的挠度、混凝土应变及预应力值的发展变化过程。

（７）在前面研究成果的基础上，对预应力混凝土受弯构件非预应力钢筋锈蚀后的性能进行研究，推导计算公式。并运用所编制的计算程序对不同的影响因素进行分析，并与（６）的理论结果进行对比。

（８）提出受弯构件受压区钢筋锈蚀后的动力损伤鉴定方法，导出简单情况下的理论公式，建立能确定混凝土中钢筋锈蚀量的鉴定方法。

（９）针对现有钢筋混凝土受弯构件试验方法不能真实反映构件破坏过程的缺点，设计钢筋混凝土粱锈蚀破坏全过程模拟试验，试验中应考虑荷载作用的影响．测试锈蚀过程中粱的挠度、钢筋与混凝土应变发展过程，分析试验结果，提出设计建议。

（１０）分析钢筋混凝土耐久性的复杂性．提出运用复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想。

（１１）对本文的研究工作进行总结，提出需要进一步研究的问题。

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