土木工程概論2

1、 安徽建筑大學土木工程概論論文 課 程 名 稱 土木工程概論 考 試 方 式 論 文 姓 名 汪晨晨 學 號 專 業(yè) 班 級 12土本(3)班 任 課 教 師 程樺 劉自力 混凝土結構的耐久性汪晨晨班級：12土木3班 摘  要：混凝土結構是目前應用最廣泛的工程結構，在大量的工程實例表明，大多數混凝土結構的破壞巳不再是強度不足而引起，而是由于混凝土結構的耐久性不夠而引起的。因此對現有混凝土結構進行的耐久性檢測與評估就顯得十分重要。本文介紹了混凝土結構的耐久性研究的背景及現狀、通過了解對混凝土結構的耐久性進行的檢測與評估過程、混凝土結構耐久性的影響因素及應對措施，以便讀者對混凝

2、土結構的耐久性有更全面的認識。從材料、構件和結構三個層次分析和綜述了混凝土結構耐久性的研究現狀，指出今后的發(fā)展方向：結構層次的耐久性研究將成為今后混凝土耐久性研究的重點；混凝土結構耐久性的研究已從定性分析逐步轉向定量分析；基于可靠性的混凝土結構耐久性研究將是今后混凝土結構耐久性研究的又一重要發(fā)展方向。關鍵詞 ：混凝土結構；耐久性；檢測與評估；影響因素；措施前言 ：混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點，造價較低，是土木工程結構設計中的首選形式，是目前應用最廣泛的結構。雖然混凝土結構具有壽命長和較長時間無需維護的特點，但任何結構在長期的自然環(huán)境和使用環(huán)境的雙重作用下，其功能將逐步衰減，這是

3、一個不可逆的客觀規(guī)律。混凝土結構在外部因素及其自身內在因素作用下，其安全性和使用功能都將有所下降。在這種情況下，混凝土結構耐久性問題就日益突出。混凝土結構的耐久性問題已是國內外土木工程界的一個難題，也是當前國際結構工程學科重要的前沿研究領域之一。 從混凝土應用于土木工程至今，大量的鋼筋混凝土結構由于各種各樣的原因而提前失效，達不到預定的服役年限，這其中有的是由于結構設計的抗力不足造成的，有的是由于使用荷載的不利變化引起的。但更多的是由于結構的耐久性不足導致的，特別是沿海及近海地區(qū)的混凝土結構，由于海洋環(huán)境對混凝土的腐蝕，導致鋼筋銹蝕而使結構發(fā)生早期損壞，喪失了結構的耐久性能，已成為實

4、際工程中的重要問題。早期損壞的結構需要花費大量的財力進行維修補強，甚至造成停工停產的巨大經濟損失。 所謂混凝土結構耐久性，是指混凝土結構在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內部因素的作用下，在設計要求的目標使用期內，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。通過進一步的分析可以發(fā)現，引起結構耐久性失效的原因存在于結構的設計、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。首先，雖然在許多國家的規(guī)范中都明確規(guī)定鋼筋混凝土結構必須具備安全性、適用性與耐久性，但是，這一宗旨并沒有充分地體現在具體的設計條文中，使得在以往的乃至現在的工程結構設計中普遍存在著重強度設計而輕耐久性設計的現象。 在設

5、計、施工、維護等都會影響混凝土耐久性。常見的施工問題如混凝土質量不合格、鋼筋保護層厚度不足都有可能導致鋼筋提前銹蝕。另外，在混凝土結構的使用過程中，由于沒有合理的維護而造成結構耐久性的降低也是不容忽視的，如對結構的碰撞、磨損以及使用環(huán)境的劣化，都會使混凝土結構無法達到預定的使用年限。1混凝土結構耐久性問題產生的主要原因現有混凝土結構耐久性問題是多方面的，主要原因是結構的缺陷和損傷以及使用要求的改變，歸納起來有如下幾方面:（1） 結構設計原因建筑物在設計時，雖然設計人員最大可能考慮了影響建筑安全和使用的諸多因素，在結構上采取各種處理措施，但是，由于當時技術水平有限，實際的工程結構有不同的結構特點

6、、使用環(huán)境以及施工質量差異，再加上其它諸多不合理及失誤之處，均可能在建筑中留下隱患，從而導致耐久性問題的出現。（2） 結構損害 惡劣的使用環(huán)境是引起結構缺陷和損傷的一個主要原因。按作用性質分，外部使用環(huán)境對結構的侵蝕作用一般可分為物理作用、化學作用、生物作用。意外災害也是結構損害的一個重要原因。對工程結構而言，火災是最為常見及損害最嚴重的意外災害?；馂牡膶覍野l(fā)生，對混凝土結構會造成不同程度的損傷，影響安全性及使用性。另外，使用不當也會造成對結構的損害。例如拆除承重結構、隨意擴建甚至加層等。（3） 使用功能的改變一些建筑物業(yè)主隨著社會發(fā)展、生產力水平提高，會調整建筑物使用功能，如原來的

7、寫字樓改變?yōu)槌校延械亩鄬臃课菁訉又列「邔臃课?，這些使用功能和要求的改變，都將使原有結構可靠性發(fā)生改變，這就使原有結構耐久性程度的問題變得十分重要。2耐久性檢測評估基本程序 從混凝土結構耐久性研究的范疇來考慮，目前大致可分為環(huán)境層次、材料層次、構件層次、結構層次，而這其中的結構層次的耐久性檢測與評估是極其重要的內容。混凝土結構耐久性檢測與評估是指對現有的混凝土結構，通過系統(tǒng)、嚴格的測試和科學的方法來評價其現有結構的可靠性，從而推斷結構的耐久性能。通過耐久性檢測與評估，就可以判斷混凝土結構是否安全和可否再用，如不能再用，是加固?是重建?等諸如此類的問題。 混凝土結構耐久性評估的一般程

8、序是以可靠性鑒定程序為基礎但又帶有自身特點，其工作流程見圖2.1。3影響混凝土結構耐久性的因素混凝土結構的耐久性研究應考慮環(huán)境、材料和結構等方面的因素，這些因素可分為環(huán)境、材料、構件和結構四個層次。混凝土結構所處的環(huán)境可以劃分為一般大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、土壤環(huán)境及工業(yè)環(huán)境等其中大氣環(huán)境是民用混凝土結構所處的環(huán)境狀態(tài)?；炷恋哪途眯愿鶕洳牧嫌挚煞譃榛炷撂蓟?、氯離子侵蝕、凍融破壞、堿-集料反應和鋼筋銹蝕等。3.1 混凝土的碳化 混凝土為多孔性材料，大氣中二氧化碳能夠滲入到混凝土中與氫氧化鈣產生化學反應： Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O 使其成分

9、、組織和性能發(fā)生變化，使用機能下降的一種很復雜的物理化學過程，這種反應過程稱為碳化，它使表層混凝土的堿性降低（Ph<9）形成碳化層，隨著二氧化碳的不斷被吸收，碳化層也逐漸向內發(fā)展。試驗表明碳化深度D與時間t成正比，即式中：為碳化速度系數；D1、D2分別為測得的和要預測的混凝土碳化深度；t1、t2為測定D1和預測D2時的碳化時間。碳化速度系數體現了混凝土的抗碳化能力，它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養(yǎng)護方法、氣孔尺寸與分布有關，而且還與環(huán)境的相對濕度、溫度及二氧化碳的濃度有關。 混凝土碳化的速度十分緩慢，并且與混凝土的質量、環(huán)境條件等因素有關。幾十年的時間，混凝土碳化

10、會加劇混凝土的收縮導致混凝土的裂縫和結構的破壞。深度才達到鋼筋的表面，從而消除鋼筋表面的鈍化膜脫鈍，使鋼筋的銹蝕成為可能。所以，碳化與混凝土結構的耐久性密切相關，是衡量鋼筋混凝土結構可靠度的重要指標。隨著空氣中C02濃度逐漸增加，工廠排泄廢氣不斷增加，混凝土的碳化作用也越來越厲害。因此，混凝土的碳化作為一個不可忽視的問題，正受到人們越來越多的關注。 3.2 氯離子對結構的侵蝕除了二氧化碳，氯離子也可通過孔隙侵入到混凝土內，我國大規(guī)模的基礎建設都集中于沿海地區(qū)，而海洋是氯離子的主要來源，海砂中更是含有不等量的氯離子。國內外的工程試驗都表明，海水、海風和海霧中的氯離子和不合理地

11、使用海砂，是影響混凝土結構耐久性地主要原因之一。另外，我國冬季向道路、橋梁及城市立交橋等撒鹽或鹽水化雪防冰以使得交通暢行，這就使得氯離子能夠滲透到混凝土中，引起鋼筋銹蝕。比如北京每年冬天可以撒400-600t氯鹽。這就是人為造成的氯離子環(huán)境腐蝕破壞。還有，我國有一定數量的鹽湖和大面積的鹽堿地。這些地域的混凝土結構也會受到很強烈的腐蝕。對氯離子腐蝕的防護：1、 對混入型氯離子的防護 對混入型氯離子的防護，主要是對混凝土中氯離子含量進行控制，尤其是對前期原材料中氯離子的含量控制。例如，對施工用水、混凝土外加劑等氯離子含量進行統(tǒng)一科學的規(guī)定。2、 對滲入型氯離子的防護 混凝土保護層厚度的增

12、加，則氯離子滲入混凝土到達鋼筋的時間就會增加，這是延遲混凝土內部鋼筋開始銹蝕的一種很有效的方法。在制作混凝土時候，加強施工質量控制，對增加混凝土密實度有加強作用。而且，在混凝土中加入高效減水劑和優(yōu)質摻合料，可以從根本上改善混凝土的性能，提高混凝土抵抗氯離子腐蝕的能力。 但是，混凝土的保護層不可能提高很多。為了防止氯離子滲入到混凝土內部腐蝕鋼筋，可以對修補過的結構或者新建的混凝土結構噴涂一層表面涂層，它能顯著降低混凝土的吸水性。另外，采用耐腐蝕鋼筋對混入型和滲入型氯離子的防護都是很有效的。拌制混凝土時候增加亞硝酸鹽等阻銹劑也是預防惡劣環(huán)境中鋼筋銹蝕的一種經濟有效的補充措施。3.3

13、60;抗?jié)B性與抗凍性對耐久性的影響 混凝土的抗?jié)B性 混凝土是一種多孔結構，在存在內外壓力差的情況下，必然存在液體或氣體從高壓處向低壓處滲透的現象，這種現象稱為混凝土的滲透性?；炷恋目?jié)B性和混凝土的抗碳化能力，與抵抗外界有害物質的耐腐蝕性及抗凍性都有著密切的關系。一般來說，抗?jié)B性好的混凝土耐久性也就好。 混凝土固有的多孔性導致了其抗?jié)B性較差，混凝土的抗?jié)B性主要取決于水泥石的孔結構和集料的性能。影響混凝土抗?jié)B性的因素很多，包括混凝土的水灰比、水泥細度、水泥品種、集料品種、施工質量、養(yǎng)護條件和環(huán)境介質等。1、混凝土的水灰比 水灰比對混凝土的抗?jié)B性影響最大。水灰比越大，

14、包圍水泥顆粒的水層就越大，水在水泥石中形成相互連通的、無規(guī)則的毛細系統(tǒng)，使水泥石的孔隙率增加，混凝土的抗?jié)B性就較差。 2、水泥的細度和品種 在其他情況相同的條件下，水泥細度及其顆粒組成會對水泥石孔結構產生很大影響。使用細顆粒含量多的水泥，生成微毛細孔結構，毛細孔體積大大減少，從而提高了混凝土抗?jié)B性。另外，不同用途的混凝土，采用不同的集料，抗?jié)B性也會有很大的差異。 3、施工質量 混凝土的施工質量對混凝土的孔結構和孔隙率有很大影響。在實際工程中，即使是配合比很好的混凝土，澆注成型時如果沒有控制好質量，如振搗不密實等，也會造成混凝土內部的缺陷，降低其抗?jié)B性。因

15、此，對于有較高抗?jié)B性要求的混凝土工程，一定要嚴格控制施工質量。 4、環(huán)境介質 混凝土的滲透性與環(huán)境介質的氣體或液體的品種有關。而且，環(huán)境溫度對混凝土的滲透性影響也很大。溫度越高，相對濕度越低，混凝土失水嚴重，部分毛細孔水分蒸發(fā)，混凝土透氣性增大，其滲透性也就增大了。改善混凝土的抗?jié)B性對于提高混凝土的耐久性是非常重要的，主要可以從提高混凝土自身的抗?jié)B能力和在混凝土表面噴涂覆蓋層著手解決。3.3.2混凝土的抗凍性 混凝土的凍害機理研究開始于20世紀30年代，有靜水壓假說、滲透壓假設等。但是由于混凝土凍害的復雜性，至今尚無公認的、完全反應混凝土凍害機理理論。關于混凝土早

16、期受凍問題，歸納起來主要是以下兩種情況:一是混凝土凝固前受凍；二是混凝土凝結后但是未達到足夠強度時受凍。 影響混凝土抗凍性主要有以下因素: 1、水灰比 水灰比直接影響混凝土的孔隙率和孔結構。隨著水灰比的增加，不僅飽和水的開孔總體積增加，而且平均孔徑也增加，在凍融過程中產生的凍脹壓力和滲透壓力就大，混凝土的抗凍性必然降低。 2、含氣量 含氣量也是影響混凝土抗凍性的主要影響因素，特別是加入引氣劑形成的微細孔對提高混凝土的抗凍性尤為重要，因為這些互不相連通的微細氣孔在混凝土受凍初期能夠使毛細孔中的靜水壓力減小。在混凝土受凍結冰的過程中，這些空隙可以阻

17、止或抑制水泥漿中微小冰體的形成。國內外大量的研究表明，摻引氣劑的混凝土，抗凍耐久性得到了提高，提高幾倍，甚至十幾倍。 3、混凝土的受凍齡期 混凝土的抗凍性隨著其齡期的增長而提高。因為齡期越長水泥水化就越充分，重要混凝土強度越高，抵抗膨脹的能力就越大，這一點對早期受凍的混凝土尤是。而且，水泥品種和活性都對混凝土的抗凍性有影響。4、外加劑和摻合料 減水劑、引氣劑等外加劑均能夠提高混凝土的抗凍性。引氣劑能夠增加混凝土的含氣量，并使氣泡均勻；而減水劑則能夠降低混凝土的水灰比，從而減少孔隙率，最終提高混凝土的抗凍性。 知道了以上影響混凝土結構抗凍性的主要因素后，可

18、以從建筑構造設計與混凝土材料施工兩個方面采取措施，從而提高混凝土的耐久性。3.4堿集料反應對混凝土的耐久性的影響 堿集料反應是指混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液（KOH、NaOH）之間發(fā)生的化學反應，產生的堿、硅酸鹽凝膠，使其體積膨脹，在內部產生膨脹應力，導致混凝土剝落、開裂和強度下降，甚至破壞的反應。它是影響混凝土耐久性的主要因素之一。該反應不同于其他混凝土危害，其開裂破壞是整體性的。堿集料反應可遍及混凝土的全體，而目前尚未有有效的修補方法，故被形象稱為混凝土的“癌癥”。 按照反應類型，堿骨料反應可分為三種：堿硅酸反應：堿與骨料中活性SiO2發(fā)生反應，生成堿硅酸鹽凝

19、膠，吸水后體積膨脹，引起混凝土膨脹和開裂；堿-碳酸反應：堿與泥質石灰質白云石反應，將白云石轉化為水鎂石，水鎂石晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，導致混凝土開裂；堿-硅酸鹽反應：堿與某些層狀硅酸鹽骨料反應，使層狀硅酸鹽巖層間距離增大，骨料膨脹而造成混凝土膨脹和開裂。 不同類型堿-骨料反應的共同特征是：骨料發(fā)生膨脹和開裂；混凝土的裂縫形狀類似地圖狀的龜裂，往往是大面積的和內部外部均可發(fā)生的；骨料和水泥漿接觸的周邊發(fā)生反應；有反應產物堿硅酸凝膠。迄今為止，世界各國發(fā)生的堿-骨料反應絕大多數為堿-硅酸反應。 防止堿集料反應可以從以下幾個方面入手：1、采用低堿水泥；2、使用非活性集料；3

20、、使用摻合料降低混凝土的堿性；4、改善混凝土結構的施工和使用條件。3.5 鋼筋銹蝕與混凝土的耐久性 當鋼筋外面的混凝土中性化或出現開裂等情況，鋼筋失去了堿性混凝土的保護，鈍化膜破壞并開始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但截面積有所損失，材料的各項性能也會發(fā)生衰退，從而影響混凝土構件的承載能力和使用性能。鋼筋銹蝕是引起混凝土結構耐久性下降的最主要和最直接因素。通常情況下，受氯鹽污染的混凝土中的鋼筋有更嚴重的銹蝕情況。目前對影響鋼筋銹蝕的因素、銹蝕鋼筋材料性能的變化、鋼筋銹蝕的防護和檢測等各方面均有較多的研究。4提高我國工程結構的耐久性的措施1適當提高標準規(guī)范安全度設置水平 我國加入WTO以

21、后，建筑市場正逐步向國際開放，我國的建筑設計、施工、監(jiān)理等部門將面臨國際競爭的挑戰(zhàn)。計劃經濟時代形成的低安全度做法已經不能適應目前市場經濟的需要。努力減小與先進國際標準之間的差距，應適當地提高現有建筑結構的安全度設置水平。由于我國各個建筑結構設計規(guī)范的安全儲備不一樣，不能強求一律，在適當提高安全度的前提下，可以根據實際情況予以調整。近期完成修訂的系列標準規(guī)范，都對安全度設置水平做了適當的調整。 (1)統(tǒng)一標準對結構可靠指標及重要性系數作出了新的規(guī)定，允許根據需要提高。(2)荷載規(guī)范根據國情的變化，提高了某些荷載的標準值。（3)混凝土結構設計規(guī)范提高了材料分項系數(減小設計值)。(4)

22、降低了某些抗力項的計算(如抗剪強度)。(5)提高了最小配筋率。(6)增加了構造配筋。 (7)加強了配筋構造措施。2采用高強材料改善結構延性 新的混凝土結構設計規(guī)范GB500102002取消了C15以下的低強度混凝土等級，同時將混凝土等級提高到C80?；炷两Y構用普通鋼筋將以HRB400級鋼筋作主力鋼筋；預應力鋼筋將以強度1860MPa的高強鋼絲、鋼絞線作為主力鋼筋；低強性脆的冷加工鋼筋不再列入國家標準而交由各行業(yè)標準管理。 3設置不同安全度 建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準根據失效后果進行結構重要性分類，并在設計使用年限及目標可靠指標采用了不同的規(guī)定，體現了風

23、險分析的思想。在實際的工程結構中會因為結構材料、結構類型、結構功能(包括建筑功能、可維修和可改造功能等)、結構使用環(huán)境不同，導致結構風險損失千差萬別。在確定結構安全性和安全耐久性水平時，要求結構有一致的安全度水平是不合理的，標準編制和結構設計人員需要對此予以充分的考慮。 4加強耐久性設計 設計是保證結構耐久性的關鍵步驟，措施適當，才能有效保證結構的使用年限，要增強設計人員的結構耐久性意識?，F在的終身負責制包括結構耐久性的保證，除了共性要求以外，應針對不同功能、不同使用環(huán)境區(qū)別對待，采取不同的措施。 5加強施工管理、提高施工質量  對混凝土結構耐

24、久性有重大影響的混凝土密實度和混凝土保護層厚度的變異性，在很大程度上取決于施工質量。完善施工管理，提高施工隊伍素質，對施工過程進行監(jiān)督檢查，加強工程質量驗收制度、確保工程質量，對提高混凝土結構耐久性有著非常重要的作用。 6重視使用階段的維護和管理在混凝土結構的使用階段，應重視對結構的正常維護和管理。鑒于我國原有混凝土結構對耐久性考慮不夠，應重視對服役混凝土結構的檢測和評估，必要時進行修理和加固，以保證結構在使用期內的安全。對于混凝土結構易主而改變用途和作結構改造的行為，必須嚴格管理，并進行設計或加固計算，以確保在荷載或結構條件變化時結構的安全。5結論： 根據目前已有文獻可知，材料層次的研究已較深入，構件層次的研究也有一些，而結構層次的研究則剛剛起步，將成為今后研究的重點。 混凝土結構耐久性的研究已從定性分析逐步向定量分析的深層次發(fā)展，各種先進的理論將成為研究混凝土結構耐久性的重要手段，諸如，人工神經網絡，層次分析，灰色系統(tǒng)，模糊數學等等。耐久性是結構可靠性重要組成部分之一，基于可靠性的混凝土結構耐久性研究將是今后混凝土結構耐久性研究的又一重要發(fā)展方向。 雖然，隨著新的結構計算理論的提出和新型建筑材料的出現