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& 混凝土工程中的耐久性问题
混凝土工程中的耐久性问题
核心提示：商品混凝土工程中的耐久性强度和耐久性是商品混凝土结构的两个重要指标，因以往工程中习惯上只重视商品混凝土的强度，或片面追求
工程中的耐久性
强度和耐久性是商品混凝土结构的两个重要指标，因以往工程中习惯上只重视商品混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视商品混凝土的耐久性。商品混凝土的耐久性是使用期内结构保证正常功能的能力，关系结构物的使用寿命，随着结构物老化和环境污染的加重，商品混凝土耐久性问题已引起了各主管部门和广大设计、施工部门的重视。
曾有调查表明，国内大多数工业建筑在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15-20年，桥梁、港口等基础设施工程尤其严重。许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、商品混凝土开裂。有专家指出，我国大干基础设施工程建设的高潮还需延续，而由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有大修的高潮，其耗费将倍增于工程建设时的投资。而其原因却往往是由于商品混凝土耐久性不足引起的。
商品混凝土结构耐久性问题的分析
商品混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变，最终使商品混凝土丧失使用能力。即所为的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗冻失效、碱-集料反应失效、化学腐蚀失效、钢筋锈蚀造成结构破坏等。下面作具体分析。
商品混凝土的冻融破坏
当结构处于冰点以下环境时，部分商品混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致商品混凝土的破坏。商品混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。
商品混凝土的抗冻性能与商品混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。
影响商品混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括：商品混凝土的饱和度，水灰比，商品混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。
商品混凝土的碱-集料反应
商品混凝土的碱-集料反应，是指商品混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起商品混凝土的膨胀、开裂、甚至破坏。因反应的因素在商品混凝土内部，其危害作用往往是不能根冶的，是商品混凝土工程中的一大隐患。许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝、桥梁、海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道，一些立交桥、铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏。
商品混凝土碱-集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱，相应的活性集料，水份。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应、碱-碳酸盐反应、慢膨胀型碱-硅酸盐反应，避免碱-集料反应的方法可采用：一、尽量避免采用活性集料；二、限制商品混凝土的碱含量；三、掺用混合材。
当商品混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起石发生一系列化学、物理与物化变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成
对水泥石的破坏；研究表明，当水泥石中的氧化钙溶出5%时，强度下降7%，当溶出24%时，强度下降29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；而当水中溶有一些酸类时，水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂；碳酸对商品混凝土的影响主要为：在溶淅水泥石的同时，破坏商品混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，造成对商品混凝土的侵蚀；硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入商品混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞商品混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。
钢筋的锈蚀
钢筋的锈蚀，其一表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，其体积比原金属增大2-4倍，造成商品混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。氢氧化铁在强碱溶液中会形成稳定的保护层，阻止钢筋的锈蚀，但碱环境被破坏或减弱，则会造成钢筋的锈蚀，如商品混凝土的碳化或中性化。造成商品混凝土碳化和中性化的原因，主要是商品混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体（如CO2、SO2、H2S、HCL、NO2）渗入商品混凝土内与氢氧化钙作用；其二，氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当商品混凝土中氯含量超过标准时，钢筋会锈蚀，而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，因此，若商品混凝土开裂，造成水和氧的通道，则钢
筋锈蚀加速，促成商品混凝土裂缝进一步开展，商品混凝土保护层剥落，最终使构件失去承载力；其三，钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂，这种破坏可在较低拉应力和微弱介质作用下产生破坏；其四，钢筋的氢脆现象，即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂，钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气，当钢筋内部存在缺陷，氢以原子形式渗入钢筋内部并生成氢分子时，会产生很大压力，出现鼓泡现象，使钢筋脆化。
提高商品混凝土耐久性的措施
从上述分析可知，商品混凝土的外部环境、内部孔结构、原料、密实度和抗渗性是商品混凝土耐久性能的重要因素。因此，工程中应根据具体情况，有针对性地采取相应措施，提高商品混凝土的耐久性。
原材料的选择
水泥类材料的强度和工程性能，是通过水泥砂浆的凝结、硬化形成的，水泥石一旦受损，商品混凝土的耐久性就被破坏，因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能，选择碱含量小、水化热低、干缩性小、耐热性、抗水性、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥，并结合具体情况进行选择。水泥强度并非是决定商品混凝土强度和性能的唯一标准，如用较低标号水泥同样可以配制高标号商品混凝土。因此，工程中选择水泥强度的同时，需考虑其工程性能，有时，其工程性能比强度更重要。
（2）集料与掺合料
集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成的危害、集料的耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混
凝土拌合物的和易性，提高商品混凝土密实度；大量研究表明了掺粉煤灰、矿渣、硅粉等混合材能有效改善商品混凝土的性能，改善商品混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度，高掺量商品混凝土还能抑制碱集料反应，因而掺混合材商品混凝土，是提高商品混凝土耐久性的有效措施。即近年来发展的高性能商品混凝土。
商品混凝土的设计应考虑耐久的要求
商品混凝土配比的设计
配合比设计在满足商品混凝土强度、工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少收缩裂缝，提高密实度，采用合理的减水剂和引气剂，改善商品混凝土内部结构，掺入足量的混合料，提高商品混凝土耐久性能。
结构构件应按其使用环境设计相应的商品混凝土保护层厚度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。
结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。
结构设计尚应控制商品混凝土的裂缝的开裂宽度。
商品混凝土工程施工应考虑结构耐久性
商品混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法、裹砂法、裹砂石法等工艺，提高商品混凝土拌合料的和易性、保水性，提高商品混凝土强度，减少用水量；大体积商品混凝土的浇筑振捣应控制商品混凝土的温度裂缝、收缩裂缝、施工裂缝，建立商品混凝土的浇筑振捣制度，提高商品混凝土密实度和抗渗性，重视商品混凝土振捣后的表面工序，并加强养护，以减少商品混凝土裂缝。商品混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝、施工裂缝至关重要，应加强施工质量管理，特殊季节施工的商品混凝土结构，尚应采取特殊措施。
结构的日常维护
结构在使用阶段，应注意检测、维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此，，建立检测和评估体系，及时发现，及时修理，确保商品混凝土结构的正常使用。
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混凝土结构耐久性中五倍定律的含义及其在工程应用的意义
【混凝土结构耐久性中五倍定律的含义】是指在对混凝土结构的设计过程中，耐久性的对混凝土结构的影响。美国的学者用“五倍定律”形象地说明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。【混凝土结构耐久性中五倍定律在工程应用的意义】1、对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评估和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法（维修或者拆除）；2、对新建项目进行耐久性设计与研究，揭示影响结构物寿命的内部和外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，确保混凝土结构生命全过程的正常工作。
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钢筋混凝土结构的耐久性问题已越来越引起人们的关注。美国的学者用“五倍定律”形象地说明耐久性的重要性，特别是设计对耐久性问题的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元，混凝土开裂时多追加维护费用25美元，严重破坏时多追加维护费用125美元。这一可怕的放大效应，使得各国政府投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。除了耐久性外，还有施工质量问题，许多新建的建筑工程也存在较严重的工程质量问题和质量事故，这些建筑的加固在整个加固工作中，也占有相当大的比例。混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类，设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法。一、直接加固的一般方法1、加大截面加固法在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层，可增加截面有效高度，扩大截面面积，从而提高构件正截面抗弯、斜截面抗剪能力。起到加固补强的作用.在适筋范围内，混凝土弯变构件正截面承载力随钢筋面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下，增大主筋面积可有效地提高原构件正截面抗弯承载力。在截面的受拉区加现浇混凝土围套增加构件截面，通过新加部分和原构件共同工作，可有效地提高构件承载力，改善正常使用性能。加大截面加固法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验；适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固；但现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。2、有粘结外包型钢加固法粘钢加固法是比较新颖的一种加固方法，它是在混凝土构件表面用特别的建筑结构胶粘贴钢板，以提高结构承载力的一种加固方法。该方法始于60年代，优点是简单、快速、不影响结构外形，施工时对生产和生活影响较小。在国际上它是一种适用面较广的先进的加固方法。不仅在建筑上使用，而且在公路桥梁也普遍采用。外包钢加固法也是一种使用面较广的传统加固方法，分湿式与干式两种情况。两者相比，干式外包钢施工更为简便，但承载力提高量、整体工作性能及受力特点也不如湿式外包钢有效。湿式外包钢加固施工较为复杂。湿式外包钢加固法，受力可靠、施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于600C以上高温场所；适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。结构粘钢加固方法，与其他的加固方法比较，有许多独特的优点和先进性，主要有以下几方面：（1）坚固耐用：经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的强度和刚度都能满足设计的要求。施工工艺精巧，质量优秀，工程合格率为100%。胶粘剂30年老化试验耐久性能满足要求。粘钢加固后的结构试验，也证明强度和刚度的设计方法是正确的和可靠的。（2）施工快速：在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务，并能根据业务要求，在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。（3）、简洁轻巧：与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，干净利落，比较简便，现场无湿作业。完成加固后的结构外观不改变，比较轻巧，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他构件的连锁加固。（4）、灵活多样：粘钢加固法的适应性很强，能够解决生产上和生活上各种有关问题。粘贴钢板的方案多种多样，灵活巧妙。（5）、经济合理：由于施工快，避免或减少工厂停产时间，节约加固材料，与其它加固方法比较，粘钢加固的费用大为节省，经济效益很高。结构粘刚加固适用于以下情况：
（1）钢筋焊接点断裂加固。（2）施工中漏放钢筋加固。（3）混凝土标号达不到，提高结构强度加固。（4）加层抗震加固。（5）阳台根部断裂加固。（6）牛腿接点加固。（7）悬挂式吊车梁提高荷载加固。（8）楼面荷载集中力加固。（9）火灾后梁柱砼烧坏加固。（10）混凝土柱子牛腿断裂加固。（11）桥式吊车梁加固。（12）薄腹梁断裂加固。（13）爆炸冲击波破坏梁体加固。（14）提高楼面荷载加固。（15）屋架梁下弦腐蚀严重露筋加固。（16）断梁加固。（17）截柱加固。（18）减震加固。（19）梁柱受化学腐蚀的粘钢加固。（20）旧房改造综合加固。（21）生命线建筑物抗震加固。（22）桥梁断裂、旧桥维修加固。（23）提高柱子承载力解决柱子轴压比超标加固3、粘贴纤维增强塑料加固法外贴纤维加固是用胶结材料把纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域，使它与被加固截面共同工作，达到提高构件承载能力的目的。除具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。混凝土的加固方法另外还有绕丝法和锚栓锚固法。绕丝法的优缺点与加大截面法相近；适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固，或需对受压构件施加横向约束力的场合。锚栓锚固法适用于混凝土强度等级为C20~C60的混凝土承重结构的改造、加固；不适用于已严重风化的上述结构及轻质结构。二、间接加固的一般方法1、预应力加固法预应力加固法包括水平拉杆加固法和下撑拉杆加固法两种。（1）预应力水平拉杆固法预应力水平拉杆加固的缉单光竿叱放癸虱含僵混凝土受弯构件，由于预应力和新增外部荷载的共同作用，拉杆内产生轴向拉力，该力通过杆端锚固偏心地传递到构件上（当拉杆与梁板底面紧密贴合时，拉杆会与构件共同找曲，此时尚有一部分压力直接传递给构件底面），在构件中产生偏心受压作用，该作用克服了部分外荷载产生的弯矩，减少了外荷载效应，从而提高了构件的抗弯能力。同时，由于拉杆传给构件的压力作用，构件裂缝发展得以缓解、控制、斜截面抗剪承载力也随之提高。由于水平提杆的作用，原构件的截面应力特征由受弯变成了偏心受压，因此，加固后构件的承载力主要取决于压弯状态下原构件的承载力。（2）预应力下撑拉杆加固法钢筋混凝土构件采用预应力下撑式拉杆加固定后，形成一个由被加固构件和下撑式拉杆组成的复合超静定结构体系，在外荷载和预应力共同作用下，拉杆中产生轴向力并通过与构件的结合点（下撑点和杆端锚固点）传递给被加固构件，抵消了部分外荷载，改变了原构件截面内力特征，从而提高了构件的承载能力这种方法能降低被加固构件的应力水平，不仅使加固效果好，而且还能较大幅度地提高结构整体承载力，但加固后对原结构外观有一定影响；适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固，但在无防护的情况下，不能用于温度在600C以上环境中，也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。2、增加支承加固法增设支点加固法是通过减少受弯构件的计算跨度，达到减少作用在被加固构件上的载载效应，提高结构承载水平的目的。该法简单可靠，但易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间；适用于具体条件许可的混凝土结构加固。 与混凝土结构加固改造配套使用的技术一般有以下几种： （1）植筋技术 这是一项对混凝土结构较简捷、有效的连接与锚固技术；可植入普通钢筋，也可植入螺栓式锚筋；已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程，如：施工中漏埋钢筋或钢筋偏离设计位置的补救，构件加大截面加固的补筋，上部结构扩跨、顶升对梁、柱的接长，房屋加层接柱和高层建筑增设剪力墙的植筋等。 （2）裂缝修补技术
根据混凝土裂缝的起因、性状和大小，采用不同封护方法进行修补，使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复的一种专门技术；适用于已有建筑物中各类裂缝的处理，但对受力性裂缝，除修补外，尚应采用相应的加固措施。 （3）混凝土表面处理技术
是指采用化学方法、机械方法、喷砂方法、真空吸尘方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油迹、残渣以及其它附着物的专门技术。
（4）混凝土表层密封技术 是指采用柔性密封剂充填、聚合物灌浆、涂膜等方法对混凝土进行防水、防潮和防裂处理的技术。 在众多的加固技术中，其中以碳纤维材料加固技术尤为突出：碳纤维有很多种，其中PNA基碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，非常适用于土木工程领域。用于建筑结构补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平上并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。碳纤维材料的这些特点，为建筑结构的补强与加固提供了技术支持。
与原有的加固方法比较，碳纤维材料加固技术具有明显的技术优势，主要体现在以下几点：（1）高强高效
由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固的目的。（2）耐腐蚀性能及耐久性
碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题。（3）不增加构件的自重及体积
碳纤维布质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基体上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间，这在“寸土寸金”的经济社会中无疑是重要的。（4）适用面广
由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意地裁剪，所以这种加固技术可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位，且不改变结构及不影响结构外观。同时，对于其他加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，碳纤维加固技术都能顺利地解决。
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