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【摘 要】本文对国内外就混凝土耐久性与碳化的研究进展进行了综述,力求为今后从事对混凝土进一步的相关研究奠定一定的理论基础。
【关键词】混凝土;耐久性;碳化
中图分类号:TU308文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2010)09-0310-01
1 混凝土耐久性的研究
从本世纪60年代开始,混凝土结构耐久性问题就已经成为国内外土木工程界研究的重要领域和热点问题。国内外土木工程界成立了很多相关的机构和组织来指导混凝土结构耐久性的研究工作,如:国际材料与结构试验学会于1960年专门成立了“钢筋锈蚀”技术委员会,专门设立了“混凝土结构损伤等级评定工作小组;1979年国际情报委员会成立了建筑物维修和现代化委员会;1994年国际标准组织ISO专门成立工作小组,旨在制订一套结构耐久性设计的国际统一标准。同时,有关钢筋混凝土耐久性国际会议也定期召开,以增进国际交流,如:1982年RILEM和CIB联合成立“共同工作委员会”,定期举行有关钢筋混凝土耐久性国际会议;美国试验与材料协会(ASTM)自1976年以来,每三年召开一次“建筑材料与构件的耐久性”研讨会等等。这些工作取得了很多研究成果,对混凝土耐久性的研究起了极大的推动作用。美国混凝土学会(ACI)1962年12月发表了“使用中混凝土的耐久性”的专题报告,1968年11月又发表了“使用中混凝土状况调查指南”的报告。美国于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测试验的详细方法和步骤。美国政府于1991年10月颁布的“基本建设法案”中明确指明设计时要对结构物进行全寿命经济分析。1995年欧共体资助了一项名为uraCrete的研究项目,并于2000年出版了相关研究成果《混凝土结构耐久性设计指南》。
我国对钢筋混凝土耐久性的研究,开始于60年代初南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究,混凝土耐久性逐渐成为我国土木工程学界研究的热点问题。1991年全国钢筋混凝土标准技术委员会下成立“混凝土结构耐久性学组”;1992年中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分科学会下成立“混凝土耐久性专业委员会”,负责指导混凝土耐久性的研究。很多高校和有关部门也都开展了有关的研究,如:西安建筑科技大学王庆霖教授主持的全国建筑物鉴定加固标准委员会的《混凝土结构耐久性评估标准》;同济大学屈文俊教授主持的上海市建委的科研课题“既有混凝土结构计算规程”;刘西拉教授主持的国家科委的“重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究”等。这些研究工作都取得了大量的成果,极大地推动了我国的钢筋混凝土耐久性研究工作。1989年我国颁布了《钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程》,规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法,反映了当时耐久性研究的一些成果。2000年中国工程院土木水利与建筑学部提出了一个名为“工程结构安全性与耐久性研究”的咨询项目,并于2004年出版了其相关成果《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。混凝土或钢筋材料在自然环境,使用环境或材料自身的内部因素作用下发生物理、化学作用,导致其材料性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件承载力衰减,最终会影响整个结构的安全性和耐久性。国内外对引起混凝土材料性能劣化的原因做过许多研究。总的看来,大气环境中混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、碱一骨料反应、混凝土的冻融破坏、化学侵蚀和混凝土表面磨损是引起混凝土结构性能劣化的主要原因。其中,大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀又是最常见的。
2 混凝土碳化的研究
由大气环境中的CO2引起的使混凝土中的PH值下降的过程称为混凝土的碳化。一般认为,混凝土碳化对混凝土本身没有太多的危害,相反会使混凝土强度略有提高。但混凝土碳化会使混凝土中的钢筋失去碱性环境的保护,从而引起钢筋锈蚀。混凝土碳化的经典理论是基于第一扩散定律的碳化模型。这一模型己被大量室内实验和工程现场调查资料所证实。除时间因素外,影响混凝土碳化的因素还包括环境因素和混凝土材料本身的因素。结构所处的环境不同,空气中CO2含量、空气的湿度也不同,因而混凝土碳化的速度也不同,在混凝土碳化深度公式中多用地区环境影响系数加以区别。对于混凝土材料本身,影响混凝土碳化的因素有水泥品种、水泥用量、水灰比及掺加料的掺量等,一般认为,混凝土的碳化速度与水灰比成正比,而与混凝土的抗压强度成反比。
目前提出的碳化深度计算模型可以分为理论模型和试验模型两大类。理论模型包括:前苏联学者阿列克谢耶夫模型,他根据Fick第一扩散定律。在多孔介质中扩散和吸收的特点给出理论模型。经验模型是学者根据自己对碳化的理解,通过试验来得出影响碳化速度因素的参数取值,由于不同的学者考虑的影响因素不同,因此得到的计算模型形式也是各不相同,但是Fick第一扩散定律基本上都是其模型的基础。典型的经验模型有:日本Nishi模型以水灰比作为影响碳化速度的主要参数,然后用材料参数进行修正,朱安民则同时考虑了材料参数和环境因素修正,许丽萍式以水灰比和水泥用量为主要参数,然后用材料系数修正,但是考虑到在实际工程中,混凝土抗压强度实际上更容易测定,所以也有不少学者用抗压强度来预测碳化深度。中国建筑科学研究院的邸小坛则提出了以混凝土抗压强度为主要参数,同时考虑使用环境、养护条件和水泥品种的修正嘲。同济大学刘亚芹研究了受力状态下的混凝土碳化试验结果表明,应力状态对混凝土碳化速度有影响,拉应力作用下碳化速度加快,压应力超过一定值后碳化速度也急剧增大。
除了对混凝土的碳化速度进行研究外,国内外学者还对碳化混凝土的性能进行了研究,比较有代表性的是同济大学进行的碳化混凝土力学性能的初步试验研究。西安建筑科技大学牛荻涛在总结国内外混凝土长期暴露试验和建筑物实测结果的基础上,模拟给出了一般大气环境下和海洋环境下混凝土强度的经时变化模型。
参考文献:
[1] Emright,M.P.,Frangopol,D,Failure Time Prediction of Deteriorating Fail-Safe Structures, Journal of Structural Engineering,1998.V01.124(12):1448—1457
[2] 李田.混凝土结构耐久性研究的概况与若干特点.建筑结构,1995,(12)
[3] General Guildlines for Durability Design and Redesign,The European Union-Brite EurmmⅢ,Document BE95-1347/R15,Feb,2000
【关键词】混凝土;耐久性;碳化
中图分类号:TU308文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2010)09-0310-01
1 混凝土耐久性的研究
从本世纪60年代开始,混凝土结构耐久性问题就已经成为国内外土木工程界研究的重要领域和热点问题。国内外土木工程界成立了很多相关的机构和组织来指导混凝土结构耐久性的研究工作,如:国际材料与结构试验学会于1960年专门成立了“钢筋锈蚀”技术委员会,专门设立了“混凝土结构损伤等级评定工作小组;1979年国际情报委员会成立了建筑物维修和现代化委员会;1994年国际标准组织ISO专门成立工作小组,旨在制订一套结构耐久性设计的国际统一标准。同时,有关钢筋混凝土耐久性国际会议也定期召开,以增进国际交流,如:1982年RILEM和CIB联合成立“共同工作委员会”,定期举行有关钢筋混凝土耐久性国际会议;美国试验与材料协会(ASTM)自1976年以来,每三年召开一次“建筑材料与构件的耐久性”研讨会等等。这些工作取得了很多研究成果,对混凝土耐久性的研究起了极大的推动作用。美国混凝土学会(ACI)1962年12月发表了“使用中混凝土的耐久性”的专题报告,1968年11月又发表了“使用中混凝土状况调查指南”的报告。美国于1991年提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告,提出了检测试验的详细方法和步骤。美国政府于1991年10月颁布的“基本建设法案”中明确指明设计时要对结构物进行全寿命经济分析。1995年欧共体资助了一项名为uraCrete的研究项目,并于2000年出版了相关研究成果《混凝土结构耐久性设计指南》。
我国对钢筋混凝土耐久性的研究,开始于60年代初南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究,混凝土耐久性逐渐成为我国土木工程学界研究的热点问题。1991年全国钢筋混凝土标准技术委员会下成立“混凝土结构耐久性学组”;1992年中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分科学会下成立“混凝土耐久性专业委员会”,负责指导混凝土耐久性的研究。很多高校和有关部门也都开展了有关的研究,如:西安建筑科技大学王庆霖教授主持的全国建筑物鉴定加固标准委员会的《混凝土结构耐久性评估标准》;同济大学屈文俊教授主持的上海市建委的科研课题“既有混凝土结构计算规程”;刘西拉教授主持的国家科委的“重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究”等。这些研究工作都取得了大量的成果,极大地推动了我国的钢筋混凝土耐久性研究工作。1989年我国颁布了《钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程》,规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法,反映了当时耐久性研究的一些成果。2000年中国工程院土木水利与建筑学部提出了一个名为“工程结构安全性与耐久性研究”的咨询项目,并于2004年出版了其相关成果《混凝土结构耐久性设计与施工指南》。混凝土或钢筋材料在自然环境,使用环境或材料自身的内部因素作用下发生物理、化学作用,导致其材料性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件承载力衰减,最终会影响整个结构的安全性和耐久性。国内外对引起混凝土材料性能劣化的原因做过许多研究。总的看来,大气环境中混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、碱一骨料反应、混凝土的冻融破坏、化学侵蚀和混凝土表面磨损是引起混凝土结构性能劣化的主要原因。其中,大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀又是最常见的。
2 混凝土碳化的研究
由大气环境中的CO2引起的使混凝土中的PH值下降的过程称为混凝土的碳化。一般认为,混凝土碳化对混凝土本身没有太多的危害,相反会使混凝土强度略有提高。但混凝土碳化会使混凝土中的钢筋失去碱性环境的保护,从而引起钢筋锈蚀。混凝土碳化的经典理论是基于第一扩散定律的碳化模型。这一模型己被大量室内实验和工程现场调查资料所证实。除时间因素外,影响混凝土碳化的因素还包括环境因素和混凝土材料本身的因素。结构所处的环境不同,空气中CO2含量、空气的湿度也不同,因而混凝土碳化的速度也不同,在混凝土碳化深度公式中多用地区环境影响系数加以区别。对于混凝土材料本身,影响混凝土碳化的因素有水泥品种、水泥用量、水灰比及掺加料的掺量等,一般认为,混凝土的碳化速度与水灰比成正比,而与混凝土的抗压强度成反比。
目前提出的碳化深度计算模型可以分为理论模型和试验模型两大类。理论模型包括:前苏联学者阿列克谢耶夫模型,他根据Fick第一扩散定律。在多孔介质中扩散和吸收的特点给出理论模型。经验模型是学者根据自己对碳化的理解,通过试验来得出影响碳化速度因素的参数取值,由于不同的学者考虑的影响因素不同,因此得到的计算模型形式也是各不相同,但是Fick第一扩散定律基本上都是其模型的基础。典型的经验模型有:日本Nishi模型以水灰比作为影响碳化速度的主要参数,然后用材料参数进行修正,朱安民则同时考虑了材料参数和环境因素修正,许丽萍式以水灰比和水泥用量为主要参数,然后用材料系数修正,但是考虑到在实际工程中,混凝土抗压强度实际上更容易测定,所以也有不少学者用抗压强度来预测碳化深度。中国建筑科学研究院的邸小坛则提出了以混凝土抗压强度为主要参数,同时考虑使用环境、养护条件和水泥品种的修正嘲。同济大学刘亚芹研究了受力状态下的混凝土碳化试验结果表明,应力状态对混凝土碳化速度有影响,拉应力作用下碳化速度加快,压应力超过一定值后碳化速度也急剧增大。
除了对混凝土的碳化速度进行研究外,国内外学者还对碳化混凝土的性能进行了研究,比较有代表性的是同济大学进行的碳化混凝土力学性能的初步试验研究。西安建筑科技大学牛荻涛在总结国内外混凝土长期暴露试验和建筑物实测结果的基础上,模拟给出了一般大气环境下和海洋环境下混凝土强度的经时变化模型。
参考文献:
[1] Emright,M.P.,Frangopol,D,Failure Time Prediction of Deteriorating Fail-Safe Structures, Journal of Structural Engineering,1998.V01.124(12):1448—1457
[2] 李田.混凝土结构耐久性研究的概况与若干特点.建筑结构,1995,(12)
[3] General Guildlines for Durability Design and Redesign,The European Union-Brite EurmmⅢ,Document BE95-1347/R15,Feb,2000