1、混凝土耐久性混凝土耐久性耐久性概念耐久性概念研究的必要性研究的必要性耐久性現狀耐久性現狀研究內容研究內容提高耐久性的措施提高耐久性的措施結構在自然環境、使用環境及材料內部結構在自然環境、使用環境及材料內部因素的作用下，在設計要求的目標使用因素的作用下，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，期內，不需要花費大量資金加固處理，保持其安全、使用功能和外觀要求的能保持其安全、使用功能和外觀要求的能力力世界性課題，土木工程領域的關注重點世界性課題，土木工程領域的關注重點研究的必要性研究的必要性土建基礎設施工程主要用混凝土建造土建基礎設施工程主要用混凝土建造基本建設三個階段：基本建設三個階

2、段：第一階段大規模新建階段第一階段大規模新建階段第二階段大規模新建與維修改造并重第二階段大規模新建與維修改造并重第三階段維修改造階段第三階段維修改造階段發達國家進入第三階段發達國家進入第三階段統計表明，目前我國處于第二階段。混凝土結統計表明，目前我國處于第二階段。混凝土結構耐久性不足的問題，要比安全性不足更為嚴構耐久性不足的問題，要比安全性不足更為嚴重，更迫切需要解決重，更迫切需要解決耐久性研究對新建結構及維修改造都極為重要耐久性研究對新建結構及維修改造都極為重要美國美國1998年美國土木工程學會年美國土木工程學會報告：報告：美國現有美國現有29%以上的橋梁和以上的橋梁和1/3以上的道路老化，

3、有以上的道路老化，有2100個個水壩不安全，估計需有水壩不安全，估計需有1.3萬億美元改善其安全萬億美元改善其安全狀態。狀態。到到20世紀末美國共有橋梁約世紀末美國共有橋梁約100萬座，超過萬座，超過1/4有缺陷。有缺陷。美國每年用于基礎設施修復的費用約為這些基美國每年用于基礎設施修復的費用約為這些基礎設施總資產的礎設施總資產的10%。 英國，據統計有英國，據統計有1/3的橋梁需要修復的橋梁需要修復；1996年英年英國的損失也超過了國的損失也超過了6億英鎊。億英鎊。加拿大，為修復其劣化損壞的全部基礎設施工程加拿大，為修復其劣化損壞的全部基礎設施工程估計需耗費估計需耗費5000億美元。億美元。日

4、本日本, , 每年用于房屋結構維修的費用達每年用于房屋結構維修的費用達400億日億日元。元。我國耐久性現狀我國耐久性現狀我國現在面臨的耐久我國現在面臨的耐久性問題是發達國家早性問題是發達國家早在二、三十年以前曾在二、三十年以前曾經遇到過的經遇到過的寧波北侖港碼頭混凝寧波北侖港碼頭混凝土梁土梁 建成后建成后11年年就出現大規模開裂現就出現大規模開裂現象。象。 圖圖1 寧波北侖港碼頭混凝土梁寧波北侖港碼頭混凝土梁-建成后建成后11年年圖圖2國內外耐久性病害的工程圖片國內外耐久性病害的工程圖片混凝土結構耐久性研究四層次混凝土結構耐久性研究四層次環境層次環境層次大氣環境海洋環境土壤環境工業環境材料層次

5、材料層次鋼筋銹蝕堿集料反應水化產物化學侵蝕、碳化、火災損壞、體積穩定性孔結構抗滲性、氯離子滲透、抗凍性混凝土結構耐久性研究四層次混凝土結構耐久性研究四層次構件層次構件層次混凝土銹脹開裂模型粘結性能衰減模型構件承載力變化模型結構層次結構層次耐久性設計耐久性評估鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕鋼筋在混凝土的高堿性環境中，能在表面形成氧鋼筋在混凝土的高堿性環境中，能在表面形成氧化的鈍化膜，隔絕水分、氧氣與金屬的接觸，不化的鈍化膜，隔絕水分、氧氣與金屬的接觸，不會銹蝕。會銹蝕。 通過氯離子滲透和碳化作用使鈍化膜破壞，鋼筋通過氯離子滲透和碳化作用使鈍化膜破壞，鋼筋發生銹蝕發生銹蝕。氯離子從混凝土表面擴散到鋼筋表面并累積

6、到臨氯離子從混凝土表面擴散到鋼筋表面并累積到臨界濃度，鈍化膜破壞。界濃度，鈍化膜破壞。混凝土碳化發展到鋼筋表面位置，鈍化膜破壞。混凝土碳化發展到鋼筋表面位置，鈍化膜破壞。氯鹽引起銹蝕遠比碳化銹蝕嚴重。氯鹽引起銹蝕遠比碳化銹蝕嚴重。鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕( (Cl-) )Cl-通過保護層滲透到鋼筋表面，破壞鈍化膜，使通過保護層滲透到鋼筋表面，破壞鈍化膜，使鋼筋由鈍化態轉為活化態鋼筋由鈍化態轉為活化態.圖圖3鈍化膜破壞示意圖鈍化膜破壞示意圖氯離子臨界濃度氯離子臨界濃度 使鋼筋脫鈍時的濃度，與混凝土密實性（水膠比）、使鋼筋脫鈍時的濃度，與混凝土密實性（水膠比）、混凝土濕度（飽水程度）等有關。混凝土濕度（飽

7、水程度）等有關。混凝土的電阻混凝土的電阻 與混凝土濕度、混凝土密實性等有關與混凝土濕度、混凝土密實性等有關。氧氣與水分的補充程度氧氣與水分的補充程度 與混凝土密實性、混凝土飽水程度有關。與混凝土密實性、混凝土飽水程度有關。影響鋼筋銹蝕的主要因影響鋼筋銹蝕的主要因素素表表1 相對濕度對相對濕度對鋼筋銹蝕速率的影響（微米鋼筋銹蝕速率的影響（微米/ /年）年）相對濕度相對濕度碳化引起銹蝕碳化引起銹蝕氯離子引起銹蝕氯離子引起銹蝕50097003680161901298955012299233基于材料劣化模型的計算方法基于材料劣化模型的計算方法RILEM-130 委員會報告委員會報告 混凝土結構耐久性設

8、計混凝土結構耐久性設計1996DuraCrete 混凝土耐久性設計指南混凝土耐久性設計指南2000ACI Life-365 Computer Program 2000日本土木學會標準示范書日本土木學會標準示范書 2002迄今只有鋼筋的碳化銹蝕和氯離子銹蝕的劣化模型可迄今只有鋼筋的碳化銹蝕和氯離子銹蝕的劣化模型可勉強供工程應用參考勉強供工程應用參考混凝土的堿混凝土的堿骨料反應骨料反應自身化學腐蝕，混凝土使用了含有活性礦物成分的自身化學腐蝕，混凝土使用了含有活性礦物成分的砂石骨料，遇水后與混凝土中的堿發生化學反應，砂石骨料，遇水后與混凝土中的堿發生化學反應，形成某種膠凝體，體積膨脹，可使混凝土發生

9、脹裂形成某種膠凝體，體積膨脹，可使混凝土發生脹裂破壞。破壞。堿堿骨料反應條件：骨料反應條件： 有潛在活性的骨料有潛在活性的骨料 有足夠的含堿量有足夠的含堿量 有足夠的水分有足夠的水分混凝土的凍融破壞混凝土的凍融破壞混凝土中的毛細孔隙水受凍后膨脹，會產生很大壓混凝土中的毛細孔隙水受凍后膨脹，會產生很大壓力，造成混凝土損傷、開裂并剝落力，造成混凝土損傷、開裂并剝落.反復凍融使毛細孔隙內的飽水程度不斷累積，并達反復凍融使毛細孔隙內的飽水程度不斷累積，并達到到“臨界飽和度臨界飽和度”，這時的混凝土就會很快凍壞，這時的混凝土就會很快凍壞.防止混凝土凍融破壞的最有效手段是加入化學引氣防止混凝土凍融破壞的最

10、有效手段是加入化學引氣劑劑.鹽凍情況下，鹽能促使混凝土飽水，還能使水泥漿鹽凍情況下，鹽能促使混凝土飽水，還能使水泥漿體在受凍時產生很高的滲透壓力和水壓力，使混凝體在受凍時產生很高的滲透壓力和水壓力，使混凝土面層起皮剝落或坑蝕土面層起皮剝落或坑蝕.混凝土的化學腐蝕混凝土的化學腐蝕硫酸鹽能與水泥水化產物中的氫氧化鈣和水化鋁酸硫酸鹽能與水泥水化產物中的氫氧化鈣和水化鋁酸三鈣起作用，分別生成硫酸鈣和鈣礬石，均造成體三鈣起作用，分別生成硫酸鈣和鈣礬石，均造成體積膨脹，使混凝土開裂破壞積膨脹，使混凝土開裂破壞.硫酸鹽在混凝土毛細孔隙水中的濃度不斷增加并過硫酸鹽在混凝土毛細孔隙水中的濃度不斷增加并過度飽和而

11、結晶時，還會產生非常大的壓力，使混凝度飽和而結晶時，還會產生非常大的壓力，使混凝土破壞土破壞. 硅酸鹽水泥混凝土的抗酸能力差，當接觸的水呈酸硅酸鹽水泥混凝土的抗酸能力差，當接觸的水呈酸性（性（pH值小于值小于6.5）時就會出現問題）時就會出現問題.混凝土和鋼筋的種種劣化過程，都需要有水的混凝土和鋼筋的種種劣化過程，都需要有水的參與或以水作為媒介參與或以水作為媒介.為阻止水、氧氣為阻止水、氧氣 、二氧化碳等氣體和鹽、酸等、二氧化碳等氣體和鹽、酸等有害分子或離子侵入混凝土內部，最根本的措有害分子或離子侵入混凝土內部，最根本的措施就是：施就是： 增加混凝土自身的密實性和抗裂性增加混凝土自身的密實性和

12、抗裂性 增加鋼筋的混凝土保護層厚度，延緩有害物質增加鋼筋的混凝土保護層厚度，延緩有害物質到達鋼筋位置的時間到達鋼筋位置的時間結構耐久性不足的主要原因結構耐久性不足的主要原因工程設計的耐久性標準過低工程設計的耐久性標準過低 工程施工進度的不適當追求工程施工進度的不適當追求缺乏正常檢測與維修缺乏正常檢測與維修構件強度設計的安全設置水準過低構件強度設計的安全設置水準過低 幾十年來，水泥性能、混凝土養護和環境條件的幾十年來，水泥性能、混凝土養護和環境條件的巨大改變巨大改變Tab.2 我國現行規范（我國現行規范（80年代頒布）與國年代頒布）與國外比較外比較日本規范規定的更高（最低相當于日本規范規定的更高

13、（最低相當于C35，100年壽命為年壽命為C45 ） 配筋混凝土配筋混凝土我國我國 美國美國 英國英國最低強度等級最低強度等級C15C25C30（C25）碳化銹蝕露天雨淋碳化銹蝕露天雨淋環境下保護層厚度環境下保護層厚度板板2cm梁梁3cm3.8cm（d16）C35, 3.5cm干濕交替下干濕交替下C40，4cm嚴重凍融嚴重凍融僅水工規范僅水工規范 要求要求要求引氣要求引氣要求引氣要求引氣工程施工進度的不適當追求工程施工進度的不適當追求養護不良使表層混凝土的抗滲性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年養護不良使表層混凝土的抗滲性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年限成倍縮少限成倍縮少 1天養護與天養護與7天養護，

14、可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來的天養護，可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來的1/4搶工省略必要檢驗工序，使鋼筋位置出現偏差搶工省略必要檢驗工序，使鋼筋位置出現偏差 鋼筋的保護層厚度如在施工中縮減一半，出現銹蝕年限將縮減鋼筋的保護層厚度如在施工中縮減一半，出現銹蝕年限將縮減為原來的為原來的1/4 保護層厚度的保護層厚度的510mm施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發生成倍差別生成倍差別結構各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的薄弱環節，其質結構各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的薄弱環節，其質量在快速施工中最不易保證。量在快速施工中最不易保證。 圖圖4 養護條件對不

15、同水灰比混凝土養護條件對不同水灰比混凝土空氣滲透性的影響空氣滲透性的影響 提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施基礎防護基礎防護增大密實度增大密實度加大保護層厚度加大保護層厚度使用外加劑使用外加劑 使用礦物摻合料使用礦物摻合料 附加措施附加措施鋼筋涂層防護鋼筋涂層防護耐蝕鋼筋耐蝕鋼筋電化學保護法電化學保護法犧牲陽極犧牲陽極外加電流保護法外加電流保護法 混凝土表層涂層防護混凝土表層涂層防護鋼筋表面涂層與耐腐蝕鋼筋鋼筋表面涂層與耐腐蝕鋼筋環氧樹脂涂層鋼筋環氧樹脂涂層鋼筋最廣泛的工程應用最廣泛的工程應用防鋼筋銹蝕的有效措施之一防鋼筋銹蝕的有效措施之一耐蝕鋼筋耐蝕鋼筋日本日本-合金鋼鋼筋合金鋼鋼筋美國，加拿大與歐洲美國，加拿大與歐洲-不銹鋼鋼筋不銹鋼鋼筋造價相對較高造價相對較高近年來發展的新興材料纖維塑料筋等惰性材料近年來發展的新興材料纖維塑料筋等惰性材料品種：碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維品種：碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維優良特性優良特性 ：耐腐蝕、重量輕、強度高、無磁性：耐腐蝕、重量輕、強度高、無磁性表表3 國際