混凝土耐久性研究进展浅议

摘要：混凝土耐久性是指结构在设计使用寿命内抵抗外界环境侵蚀或自身内部劣化作用的能力，而不需要过多的花费去维护或加固。耐久性与安全性、适用性一起组成结构可靠度的三个方面的内容，相对于其它两个方面而言，耐久性则强调反映了结构设计中对结构抵抗自然环境和使用环境作用（非荷载作用）能力的要求。

关键词：耐久性北京研究进展 机理

中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：

1混凝土耐久性的概念

有关混凝土耐久性的概念国内外的版本较多，意见不趋于一致。美国著名学者、混凝土耐久性研究领域权威专家——Bryant Mather教授在2004年的最新一篇文献中指出，耐久性并不是混凝土所特有的，也不是人为认定的某一分类或层次上的特性。这一点与国内学者李清富等人所提出的概念相吻合。

2研究背景与研究意义

人们对混凝土耐久性的认识经历了一个曲折复杂的过程，这是因为对混凝土耐久性的实际工程验证需要有很长的年限。从世界范围看，混凝土结构虽然已有百余年历史，但大量并广泛地应用于各类土建工程不过50年。直到上世纪70年代末期，人们才发现混凝土在许多环境条件下并不象当初设想的那样耐久，混凝土耐久性问题也开始充分显现出来。近几十年来由于混凝土耐久性不足而引起工程结构过早破坏、拆除或失效的事例屡见不鲜。

混凝土结构的耐久性研究，需要解决两方面的问题：一方面是对已有建筑物进行科学的耐久性评估和剩余寿命预测，以便采取正确的处理措施，避免重大事故的发生；另一方面是对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，使新建结构具有足够的耐久性，做到防患于未然。因此，混凝土结构耐久性研究既有服务于现役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义。

3研究现状

最初的混凝土耐久性研究主要是为了了解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况。20世纪20年代初，伴随着混凝土结构的大规模应用，逐渐出现了许多新的耐久性损伤类型，这促使学者积极进行有针对性的研究。

我国对混凝土结构的耐久性研究始于20世纪60年代初南京水科院对混凝土碳化和钢筋锈蚀的相关研究，有力地推动了混凝土耐久性的研究，从而引起混凝土构件承载能力衰减，最终影响整个结构的安全。因此，混凝土耐久性应从材料、构件和结构三个层次上加以研究。

3.1材料耐久性研究

材料耐久性研究主要从影响混凝土耐久性的因素入手，分析破坏机理，建立耐久性损伤的预测模型和经验公式，实现定量分析。就一般大气环境下的混凝土结构而言，材料耐久性研究主要包括混凝土碳化和钢筋锈蚀研究。

1、混凝土碳化研究

混凝土碳化是指大气中的CO2不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质发生化学反应使混凝土的碱度降低直至中性化的过程。这是一个复杂动力学演化过程，涉及到许多材料、荷载与环境变量，如混凝土水灰比、可碳化物质含量、环境的温度和湿度、CO2浓度、荷载作用方式及水平等。

由碳化机理可知，CO2是混凝土碳化的源头，而混凝土中微裂缝是CO2扩散的快速通道，荷载往往又是引起裂缝产生和发展最重要的因素之一，因此混凝土结构所受荷载的形式和大小必然影响混凝土碳化速率。总的来说，多因素作用下混凝土碳化深度量化模型的研究，无论是在国内还是在国外仍处于起步阶段，现有的成果仅是初步的、零星的。因此研究内容的系统性和试验方法的规范性，定量与定性相结合的数学模型的建立，是今后应该努力的研究方向。

2、钢筋锈蚀研究

有关钢筋锈蚀机理以及影响因素的研究比较成熟。目前研究的重点是钢筋锈蚀量的准确度量，因为这是确定混凝土保护层胀裂时间和结构寿命终结的前提，是结构使用寿命预测的核心问题之一，对现有结构耐久性评估和维修加固决策具有重大的实用价值。国内外学者就此进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析，建立了多种预测模型，按其建立的途径大致可以分为理论模型和经验模型。

3.2构件耐久性研究

构件耐久性研究主要是研究混凝土强度的经时变化、钢筋的塑性性能变化、构件的截面变化、钢筋与混凝土协同工作性能的变化等对混凝土构件力学性能的影响。

在腐蚀环境中，当材料性能发生劣化后，结构构件的承载力和适用性也随之降低，从而影响结构的安全和正常使用。目前国内外学者已对一般大气环境中钢筋锈蚀后混凝土构件的力学性能进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析，对钢筋锈蚀引起的承载力退化有了定性的认识，并初步对锈蚀钢筋混凝土构件作出了定量的分析，提出了一些简化计算模型。这些研究成果也为构件使用寿命的预测奠定了基础。

研究表明，受腐蚀混凝土构件的承载能力与构件截面尺寸的变化、材料强度的变化及钢筋与混凝土粘结性能的变化三种因素有关。构件截面尺寸的变化一般指钢筋锈蚀后截面面积的减小，当锈蚀量较小时，钢筋强度变化不大。锈蚀钢筋与混凝土之间粘结性能的变化比较复杂。研究还表明，钢筋锈蚀后构件刚度有所减少，变形增大；横向裂缝表现为间距增大，裂缝变宽，使构件的适用性降低。另外，锈蚀后混凝土构件的延性随钢筋锈蚀量的增大而降低，破坏形态也将由延性破坏转化为脆性破坏，这对抗震将产生不利的影响。

目前，对锈蚀混凝土构件力学性能的研究大都集中在静态方面，对动态性能和疲劳性能的研究较少。Okada等[31]对锈蚀前后钢筋混凝土梁在低周反复荷载作用下的受力性能进行了比较研究，发现在反复荷载作用下，锈蚀钢筋混凝土承载力退化明显加快，抗震性能降低。这方面的研究还有待进一步的深入。

3.3 结构耐久性研究

结构耐久性研究包括耐久性评估和使用寿命预测这两个方面的内容。

1、结构耐久性评估

要给出结构耐久性的一个定性或定量的评价，通常是从影响耐久性各种因素入手，通过对构件的耐久性检测，确定耐久性指标和权重，依次对各个构件进行耐久性评估，最终形成整体结构的评估结论。

2、结构使用寿命预测

对结构使用寿命预测的研究主要是在结构失效机理研究的基础上，确定其失效准则和寿命终点，利用理论分析、实验结论和数学方法预测结构的使用寿命。这一领域的研究已取得了一些成果，但总体来讲，国内外对这方面的研究才刚刚起步。