【基于可靠性的钢筋混凝土耐久性发展研究】 什么钢筋混凝土

摘 要：钢砼的组成材料钢筋和混凝土两种材料在荷载作用、环境作用、材料内部作用影响下发生各种物理、化学和力损伤的过程，最终导致其材料性质及几何尺寸发生变化，继而引起混凝土构件抗力衰减，最终会使结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的能力降低，即结构的可靠度降低。关于影响混凝土结构耐久性的原因方面的研究国内外专家已经做了许多研究。总的看来，混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、碱—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主要因素，其中混凝土碳化和钢筋锈蚀又是最主要的原因。关键词：可靠度；钢筋混凝土结构；混凝土碳化中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1003-2851（2012）-12-0198-01一、混凝土碳化的研究混凝土碳化是由于空气中的二氧化碳作用，导致混凝土PH值下降的过程。在一般情况下混凝土碳化本身并没有太大危害，相反混凝土碳化还会在一定程度上提高混凝土的强度。但是当混凝土碳化至钢筋表面时，钢筋钝化膜被溶解，这样钢筋失去了碱性保护环境就会导致钢筋的锈蚀。混凝土的碳化与结构所处环境的二氧化碳浓度、湿度以及混凝土本身的抗碳化能力等多种因素都有很大关系。目前国内外专家对混凝土碳化的机理以及碳化的原因都已经做了大量的研究工作。混凝土碳化深度计算模型主要包括理论分析模型以及试验分析模型两大类。第一类理论模型：前苏联科学家阿列克谢耶夫模型，以及希腊学者Papadaids的质量平衡条件模型。而经验模型则是学者根据工程试验数据以及实验分析根据自己的观点来确定影响碳化速度的各个参数值的大小，但是每位学者考虑的影响因素不尽相同，因此每位专家自己确定的计算模型表达形式也是不尽相同的。Nishi模型考虑了水灰比对混凝土碳化速度的影响，然后用材料参数对模型进行修正。二、钢筋锈蚀的研究结构工程中常用的钢材多为普通碳素钢和普通低合金钢，在特定的条件下钢筋可能发生锈蚀。混凝土中钢筋锈蚀的主要原因是混凝土碳化和氯离子侵入。钢筋锈蚀的过程主要包含三个阶段：原来碱性环境中钢筋表面的钝化膜被溶解；并且由于空气中水和氧气的存在钢筋开始锈蚀，膨胀混凝土开始出现顺筋开裂；顺筋裂缝出现后加速钢筋的锈蚀过程。目前这方面的研究主要集中在影响钢筋锈蚀的基本原理、钢筋锈蚀的影响因素、混凝土中钢筋锈蚀量及锈蚀速度的预测、锈蚀后钢筋力学性能的变化、钢筋锈蚀的防护措施等方面。混凝土中钢筋锈蚀可以认为是电化学腐蚀，是在钢筋表面发生的电极反应。1982年，英国学者Page在自然杂志上发表文章，系统的阐述了混凝土作为保护层对钢筋的保护作用、氯离子对钝化膜的破坏作用、混凝土保护层碳化对钢筋的钝化作用机理，并且研究了在钢筋锈蚀过程中氧气扩散作用对钢筋锈蚀的影响。随后，Gonzalez和Bentz提出了一种计算模型，用界面层球状颗粒模拟混凝土，并且考虑界面和水泥石之间物理差异，导出了弹性模量、氯离子扩散系数、膨胀系数的解析式。对影响钢筋锈蚀因素的研究，国内外学者都做了大量的研究。他们分别从氧气在钢筋锈蚀过程中的作用以及空气湿度对锈蚀的影响；钢筋锈蚀的测试方法、钢筋锈蚀与碱储量之间的关系；不同水泥品种、不同水灰比、不同外加剂对钢筋锈蚀的影响等多方面做了大量研究。钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀量的计算是下一步结构寿命预测的重要前提，以及结构耐久性设计的关键性问题。现有钢筋锈蚀量预计算模型，大致可以分为理论模型和经验公式两类。理论模型在计算原理上比较合理，而经验公式是根据实验数据拟合而成，应用上更为方便。牛荻涛等基于电化学理论，建立钢筋锈蚀量的预测模型；刘西拉、苗澎柯从电化学方面着手，根据Nemst公式和欧姆定律，建立钢筋锈蚀的物理模型。三、耐久性失效准则的研究我国的设计规范中明确规定了钢筋混凝土结构必须满足设计要求的各项使用功能，而且还要具有不需要太多的维护就能保持其自身的工作能力，即要保证结构的安全性、适用性与耐久性。这三个方面组成了结构可靠性研究的基本内容。但是这点在设计条文中并没有得到充分的体现，使得在过去的设计工作中、甚至现行的结构设计中，普遍存在着强调安全性设计而轻视耐久性设计的现象。以我国现行的建筑结构设计规范为例，与适用性和耐久性相关的除了一些构造措施，只有在混凝土结构正常使用极限状态验算中规定了钢筋混凝土结构的裂缝宽度、构件挠度等等，但这些参数并不起到控制作用。在我国现行规范“建筑结构可靠度设计统一标准”，给出了承载力极限状态的可靠度指标，但是对于正常使用极限状态的可靠度指标并未给出。这点是值得我们深入研究的。近几十年来，混凝土结构因结构失效而造成的事故在国内外已经多次发生。事实上，钢筋混凝土结构很容易受到环境的影响，而且钢筋混凝上结构的应用量在我国是最大的，耐久性问题处理不好的话后果十分严重，因此钢筋混凝土结构的耐久性问题是一个迫切需要解决的问题。钢筋混凝土结构耐久性失效准则主要有以下几种：①碳化寿命准则，碳化寿命准则是指混凝土结构保护层被碳化，导致混凝土保护层失去对钢筋的保护作用，以钢筋产生锈蚀开始作为混凝土结构的寿命终结。②锈胀开裂寿命准则，锈胀开裂寿命准则认为混凝土表面出现沿筋方向的锈胀裂缝所需要的时间作为结构的使用寿命。③裂缝宽度准则，裂缝宽度控制的寿命准则认为裂缝宽度达到某一界限值时寿命终止。④承载力寿命准则，承载力寿命准则是考虑以上各种因素引起的抗力退化，以构件的承载力达到某一极限值作为失效的标志。以上这些工作，在很大程度上推动了混凝土耐久性研究的发展。美国混凝土学会在七八十年代先后发表了多个工作报告，如1962年发表了“使用中混凝土的耐久性”的报告，1968年美国混凝土学会ACI发表了“使用中混凝土状况调查指南”的调查报告。从本世纪九十年代开始，我国已经召开了多次钢筋混凝土建筑结构耐久性方面的专项会议，取得了许多最新的科研成果。这些卓有成效的研究工作取得了宝贵的科研成果，在很大程度上推动了我国的钢筋混凝土建筑结构耐久性研究工作的进一步发展。

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