既有钢筋混凝土结构耐久性评定及意义.doc

既有钢筋混凝土结构耐久性评定的意义近几十年来，混凝土技术有了长足的进展，涌现出高强混凝土、高性能混凝土、自密实混凝土、活性粉末混凝土等一系列新品种，应用范围不断拓宽，成为20世纪基础设施建设的主要建筑材料，也是当今世界除水以外人均消耗量最大的物质，全球混凝土的年消耗量己从20世纪60年代初的人均1吨增加到80年代初的人均1.5吨，目前已增加到近2吨。我国水泥的年产量目前已飞速增长到7亿吨，可以配置混凝土达23亿立方米，年人均近4吨，并将继续上升。混凝土材料以其较强的适应性和低廉的造价而成为土木工程中用量最多的材料。钢筋混凝土结构已成为一种主要结构形式，在土木工程中得到了广泛的应用。但是，由于不良的使用条件(海洋与工业环境)、环境污染(CO2浓度增加与酸雨)、不当的使用方法(公路与桥梁路面撒除冰盐)等的影响，造成混凝土结构性能的衰退，严重危害结构的可靠性和安全性，工程实践已说明大量混凝土结构提前失效主要源于混凝土结构耐久性的不足。Mehta在1997年曾说过：“本世纪30年代，当混凝土结构开始大力兴建时，人们普遍认为建筑物的设计使用寿命为4050年，基本上无须维护，还绰绰有余。直到70年代，混凝土过早劣化的现象仍被看作是例外，认为它们是由于规范问题或材料和施工不当所引起”。混凝土耐久性问题在美国引起轰动，是由1987年国家材料顾问委员会提交的报告所导致的。该报告报道，大约253 000座混凝土桥梁的桥面板中，部分仅使用不到20年就已经不同程度地破坏，而且每年还将增加35000座。同年Litvan和BICkley发表了有关加拿大停车场的检测报告，他们发现大量停车场在远比预计服务寿命早的时间里出现破坏现象。Gerick、Khanna、Shayan和Quiek等人分别报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象，而调查表明:这些建筑物的设计、施工与材料都符合现代技术发展水平。因此，一些问题就值得我们深思：为什么根据标准及规范建造的许多建筑物，在未达到预计的使用寿命之前就会破坏？换句话说，如果我们的结构设计、施工实践和材料标准都符合要求，为何还面临如此众多的耐久性问题?此外，混凝土技术的进展是否与结构耐久性问题存在某种联系?虽然混凝土结构具有寿命长和较长时间无需维护的特点，但任何结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐步衰减，这是一个不可逆的客观规律。混凝土结构在外部因素及其自身内在因素作用下，其安全性和使用功能都将有所下降。因此，对混凝土结构物进行科学的耐久性评定和剩余使用寿命的预测，就显得极为重要，它不仅可以揭示潜在危险，及时作出维修或拆除的决策，避免重大事故的发生，而且研究成果可以直接用于指导结构设计。1.1混凝土结构耐久性评定方法研究的意义混凝土老化病害将直接影响结构的正常使用，严重的甚至威胁到结构的安全。如果不及时采取相应的措施对建筑物进行加固!维修，建筑物将由于不能满足正常使用和承载力的要求而提前终止使用，甚至倒塌而引发惨重的人员伤亡。20世纪70年代，美国等一些发达国家发现，20世纪50年代以后修建的混凝土结构的基础设施，尤其是桥面板这类工作环境较为恶劣的结构，过早出现了病害、开裂、甚至严重损坏的现象。据美国报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥中，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足需要修复加固处理。美国于30年代建造的俄勒冈州Alsea海湾多拱大桥，施工质量良好，但由于钢筋腐蚀而引起结构破坏，用传统的局部修补方法修补腐蚀处后不久，在修补处的附近钢筋又加剧腐蚀，不得不拆除、更换。美国旧金山海湾上第一座跨海湾的SanMateo-Hayward大桥、Hood航道桥东半部以及瑞典的Oland桥也出现了类似的情况。美国标准局(NBS)1975年的调查表明，美国全年因各种腐蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。在美国洲际公路网五十六万座桥中，处于严重失效的就有九万座，仅1969年一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏公路桥面板的费用就高达26亿美元，1978年增至63亿美元。美国材料咨询委员会(NMAB)1987年的报告中指出，有253000座混凝土桥处于不同程度的损伤状态，且以每年35000座的速度在增加；1991年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910亿美元。位于华盛顿的林肯纪念馆、杰佛逊纪念馆及位于印第安纳洲的GeorgeRogersClark纪念馆建成后不久就发现有梁板钢筋锈蚀。混凝土保护层胀裂甚至脱落等现象。日本运输省检查103座混凝土码头状况，发现使用20年以上的码头，都有相当大的钢筋锈裂。日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元，大约有21.4%的钢筋混凝土结构损坏是因钢筋锈蚀引起的。著名的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。1980年，仅使用了23年的东德柏林会议大厦由于钢筋锈蚀造成其西南角塌陷，引起国内外学者的关注。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达200亿英镑。在阿拉伯海湾和红海上建造上的大量海工混凝土结构，由于气温高，在含盐、干热、多风的白昼，混凝土表面温度高达50，而晚上凉得结露，昼夜温差很大，构成了特别严重的侵蚀环境。韩国曾经发生一系列建筑物破坏、倒塌事故，其中也与钢筋锈蚀引起耐久性降低。澳大利亚的Sharp对62座海岸混凝土结构进行调查发现，海岸混凝土结构的耐久性问题都是与海溅区的钢筋异常严重的腐蚀有关。印度孟买某河上的第一座桥是后张预应力混凝土桥，由于预应力筋过早地发生严重腐蚀，不得不重修第二座桥。我国混凝土结构耐久性问题不容忽视，建国以后大规模修建的混凝土工程，目前也面临着严峻的混凝土结构老化问题。1981年调查的华南地区18座海港、码头中，因钢筋锈蚀导致结构破坏的占89%，基本完好的只有两座。1984年调查的在浙江沿海使用仅七年到十余年的22座钢筋混凝土水闸(构件共967件)，钢筋锈蚀使混凝土顺筋胀裂、剥落、甚至钢筋锈断的构件占56%。我国1999年底一年内由腐蚀造成的损失约在18003600亿元，其中钢筋锈蚀占40%，约为7201440亿元。到20世纪末，有近23.4亿了的建筑物进入老龄期，处于提前退役的局面。全国32座大型混凝土大坝及46座钢筋混凝土闸、涵、渡槽中，出现严重混凝土碳化及钢筋锈蚀的占被调查工程总数的40%一50%。有的水电站运行仅10年，部分构件的混凝土碳化深度已超过保护层厚度，甚至有的水闸运行20年，碳化深度就己达60mm。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而且迫切需要加以解决的问题，国外学者曾用“五倍定律”形象地描述混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元；混凝土表面钢筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授在“混凝土耐久性-50年的进展”主题报告中指出，“当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”。通过开展对钢筋混凝土结构耐久性评定方法的研究，一方面能对既有结构进行科学的耐久性评估和剩余寿命的预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可对待建工程项目进行耐久性的指导设计，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，确保混凝土结构生命全过程的正常工作。它既有服务于既有结构维修加固的现实意义，又有指导拟建结构耐久性设计的理论意义；同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值1.2国内外研究现状对钢筋混凝土结构耐久性的研究，可分为材料的耐久性和结构的耐久性两个层次。20世纪60年代，混凝土结构的使用已经进入高峰期，同时对混凝土结构耐久性的研究也进入了一个高峰期，并且开始朝系统化!国际化方向发展。1979年国际建筑研究与文献协会成立W-70委员会，提出一个协调计划，计有4大类12个项目，其中B类即为有关建筑物维修和鉴定方面的项目；1987年国际桥梁与结构工程协会在巴黎召开过“混凝土的未来”国际会议，会上对结构耐久性极为重视，提出考虑维修费的宏观造价观念；1996年RILEMTC130-CSL委员会的“混凝土结构服务寿命设计计算方法”报告，提出基于破坏概率设计理论的混凝土结构耐久性设计概念。美国国家科学基金会从1986年开始重点资助开展结构耐久性的研究，并和加拿大联合召开过“混凝土耐久性国际会议”，并将“提高房屋安全性与耐久性”作为建筑领域中“重中之重”的课题。美国ACI437委员会于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。1998年，美国国家标准与技术研究院、美国混凝土协会及美国材料试验学会(ASTM)共同主持召开了混凝土结构使用寿命和全寿命费用预测模型的研讨会，确定在美国混凝土协会下属的使用寿命预测委员会的管辖下，研究发展“标准模型”。日本从70年代开始重视耐久性研究，日本土木工程学会混凝土委员会于1989年制定混凝土结构物耐久性设计准则，欧洲混凝土委员会于1992年颁布了耐久性结构设计指南，反映欧洲混凝土结构耐久性的研究成果。我国从20世纪60年代开始混凝土结构的耐久性研究，当时主要研究混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。80年代，我国对混凝土结构耐久性进行了广泛而深入的研究，取得不少成果。1989年我国颁布了钢铁工业建筑物可靠性鉴定规程(YBJ219-89)，其中规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测方法。1991年在天津成立了全国“混凝土结构耐久性学组”，并开始着手制定混凝土结构耐久性设计规范或标准，使混凝土结构耐久性研究朝系统化、规范化的方向更迈进了一步、“七五”期间攻克课题“预应力混凝土结构及混凝土耐久技术”。“工业厂房混凝土结构耐久性研究”。“八五”期间，国家科委、国家自然科学基金设立以刘西拉教授为首席科学家的“重大土木与水利工程安全性与耐久性基础研究”项目，以结构“生命过程”三阶段为主线，对安全性和耐久性开展系列研究，涉及结构耐久性的内容有耐久性综合监测系统。影响结构耐久性的各种数学物理模型、测试及模拟试验方法、现有结构剩余寿命的预测和结构维修方法及耐久性设置标准等。“九五”期间国家计委!国家科技部设立“重点工程混凝土安全性的研究”国家重点科技攻关项目，由中国建筑材料科学研究院牵头，针对影响混凝土耐久性的主要因素设立三大课题，十个专题开展了研究，取得了大量成果。1998年经建设部批准，全国建筑物鉴定加固标准委员会下达，由王庆霖教授主持，西安建筑科技大学、清华大学、同济大学等十家单位参与编制混凝土结构耐久性评估标准项目；交通部组织了由陈肇元院士主持执笔编制的混凝土结构耐久性及耐久性设计指南，基本上代表了我国耐久性研究的水平。