混凝土结构耐久性浅谈本科论.doc

网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目： 混凝土结构耐久性浅谈 学习中心： 商洛奥鹏学习中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 2013春季土木工程 年 级： 2013年 春 季 学 号： 131361303396 学 生： 代 晓 勇 指导教师： 王 伟 完成日期： 2014 年12月23日 内容摘要混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其结构自身和使用环境的特点，使得混凝土存在严重的耐久性问题。混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响结构耐久性的因素很多，砼质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素，不同的原因会造成不同的后果。首先通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的介绍，讨论了混凝土耐久性的概念，接着分析了影响混凝土耐久性的因素混凝土缺陷检测提高混凝土耐久性的措施，最后对现有混凝土结构设计施工的思考。影响结构耐久性的因素很多，砼质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素，不同的原因会造成不同的后果。首先通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的介绍，讨论了混凝土耐久性的概念，接着分析了影响混凝土耐久性的因素混凝土缺陷检测提高混凝土耐久性的措施，最后对现有混凝土结构设计施工的思考。混凝土耐久性现已作为建筑工程的焦点。混凝土的耐久性是指混凝土在使用条件下抵抗各种外界破坏因素的影响，仍然长期保持强度和外观完整性的能力。影响混凝土耐久性的因素很多，不同因素对混凝土的破坏不同。本文主要对混凝土碳化、冻融、钢筋锈蚀等方面做了简单论述，及简述影响因素。关键词：混凝土；耐久性；影响因素；提高耐久性措施目 录内容摘要I引 言11 绪论21.1 混凝土耐久性问题的提出21.2 混凝土耐久性的概念22 混凝土结构耐久性问题的分析32.1 混凝土冻融破坏32.1.1 破坏机理32.1.2 影响因素42.2 混凝土渗透破坏42.2.1 破坏原因42.2.2 影响因素52.3 碱骨料反应52.3.1 破坏原因52.3.2 影响因素62.4 混凝土的碳化62.4.1 破坏原因62.4.2 影响因素72.5 钢筋锈蚀72.5.1 破坏原因72.5.2 影响因素82.6 化学侵蚀82.6.1 产生原因82.6.2 影响因素93 提高混凝土耐久性的措施104 案例分析115 结论与展望12参考文献13 引 言长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性问题也愈来愈被人们所关注。我国建设部的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用2530年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅1520年。桥梁、港口等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用10年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约3050 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。因此，如何提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。本文着重分析了混凝土耐久性的影响因素和混凝土缺陷检测的方法、提出了提高混凝土耐久性的措施并对现有混凝土结构设计施工的思考。混凝土由于其具有经济、耐久、节能等众多优点,而成为重要的建筑材料,其应用范围十分广泛。作为目前世界最大宗的人造建筑材料,其在给人类带来巨大文明进步的同时,也面临由此造成的严峻的资源、能源和环境问题。传统意义上的混凝土由于自身结构材料和使用环境的特点,还存在着严重的耐久性问题,已不能满足混凝土行业的绿色可持续发展的要求。1. 绪论1.1 混凝土耐久性问题的提出我国是一个发展中大国，正在从事着为世界所瞩目的大规模基本建设，而财力有限，能源短缺，资源并不丰富，因此科学合理设计，优质的施工质量来提高混凝土结构耐久性及防腐性。延长结构使用寿命是摆在我们面前的一个很重要的课题和任务。强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，因此以往工程中习惯上只重视混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。混凝土的耐久性是使用期限内结构保证正常功能的能力，关系到结构物的使用寿命，随着结构物老化和环境污染加重，混凝土耐久性问题已引起了各主管和广大设计施工者们重视。混凝土一直被认为是坚硬、密实、能够长期使用的浇筑石体，其强碱性环境使内部钢筋处于保护状态下而不会发生锈蚀，因此，对混凝土（钢筋混凝土）结构的使用寿命期望值很高，忽略了混凝土结构耐久性问题，导致对混凝土结构耐久性研究的相对滞后，为此付出了巨大的代价。1.2 混凝土耐久性的概念混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。混凝土结构耐久性所包含的内容为：抗渗性，指混凝土抵抗液体和气体渗透的能力；抗冻性，指混凝土抵抗冰冻的能力；抗腐蚀性，指混凝土在各种侵蚀性液体和气体中，抵抗侵蚀的能力；混凝土的耐热性，指混凝土在高温作用下，内部结构不遭受破坏，强度不显著丧失，具有一定化学稳定性的性能；碱骨料反应，碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。 2 混凝土结构耐久性问题的分析如上一章所述，混凝土耐久性是指混凝土在实际使用过程中抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。主要包括抗冻性、抗渗透性、抗碱集料反应，抗腐蚀等几个方面。本章将从冻融破坏、渗透破坏、碱骨料反应、混凝土的碳化、钢筋锈蚀、化学侵蚀六个方面对混凝土结构发生耐久性失效的原因及影响因素进行论述。2.1 混凝土冻融破坏混凝土冻融破坏是指混凝土在饱水或潮湿的状态下，由于环境中温度的正负变化，导致混凝土内部松弛产生疲劳应力，反复的冻融循环造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的破坏现象。混凝土发生冻融破坏后，破坏作用不断积累，裂缝不断扩大和深入，由外向里，直至混凝土破坏，而其现象就是从表层开始向内逐层剥落。当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最终严重影响了结构的长期使用。2.1.1 破坏机理混凝土冻害机理的研究始于20世纪30年代，有静水压假说、渗透压假说等。但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的、完全反映混凝土冻害机理的理论。直至现在，被广大科研学者接受的最有价值的解释是静水压假说和渗透压假说的结合，这种结合奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。(1) 静水压假说：硬化混凝土的孔隙有凝胶孔、毛细孔、空气泡等。各种孔隙之间的孔径差异很大。水转变为冰时体积膨胀9，在冰冻过程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液冰冻膨胀，迫使未结冰的孔溶液从结冰区向外迁移。孔溶液在可渗透的水泥浆体结构中移动，必须克服粘滞阻力，因而产生静水压，形成破坏应力。静水压假说能解释成熟混凝土冰冻破坏的许多表现，它在引气混凝土方面的应用也较成功。但从水压力本质来理解它的作用应是瞬时性的，随着时间进展危险理应逐渐消失才对。然而试验说明：混凝土冰冻破坏有时随时间而日益剧烈、严重。在水泥浆冰冻时，水分的运动大多不像通常设想那样，远离冰冻地点而去，而恰恰是趋向冰冻地点；再次冰冻时的膨胀一般情形是随冷却速率增加而下降。这些都是静水压假说难以解释的。(2) 渗透压假说：渗透压假说认为，由于混凝土孔溶液中含有钠、钾、钙等盐类，大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。这个浓度差的存在使小孔中溶液向已部分冻结的大孔迁移。即使是浓度为0的孔溶液，由于冰的饱和蒸汽压低于同温下水的饱和蒸汽压，小孔中的溶液也要向已部分冻结的大孔溶液中迁移。可见渗透压是孔溶液的盐浓度差和冰水饱和蒸汽压差共同形成的。2.1.2 影响因素对于影响混凝土冻融破坏的主要因素总结起来大致有以下四个方面：（1）水灰比：水灰比越大，使凝土孔隙率越大，导致混凝土的吸水率增大，最终导致混凝土结构冻融破坏严重；（2）孔结构和孔隙特征：连通毛细孔易吸水饱和，使混凝土冻害严重；若为封闭孔，则不易吸水，冻害就小；（3）饱水度：若混凝土的孔隙非完全吸水饱和，冰冻过程产生的压力促使水分向孔隙处迁移，从而降低冰冻膨胀应力，对混凝土破坏作用就小；（4）混凝土自身强度：在相同的冰冻破坏应力作用下，混凝土强度越低，冻害程度就越高。2.2 混凝土渗透破坏混凝土结构的渗透破坏是指气体、液体或者离子等有害介质在混凝土中渗透、扩散或迁移，最终导致混凝土结构受到破坏。混凝土结构发生渗透破坏后，有害介质首先破坏结构表层混凝土，导致混凝土中发生钢筋锈蚀、碱骨料反应等变化，而这些变化多数伴随着体积的膨胀，膨胀产生的应力又使得混凝土进一步开裂，从而进一步加大混凝土的渗透性，使得有害介质的入侵更加迅速，导致混凝土结构循环往复产生更大范围的破坏。因此混凝土的渗透性给有害介质提供了入侵的通道，而有害介质与混凝土发生的破坏性反应则增大了混凝土的渗透性，两者相互促进，最终严重影响混凝土结构的耐久性。2.2.1 破坏原因混凝土具有多种粒径的孔隙，连通的孔隙会成为气体、液体或有害介质进入混凝土的通道，导致混凝土破坏。混凝土的渗透机理是水与混凝土表面接触时，压力差和毛细孔压力不断促使水分向混凝土内部迁移。随着水分迁移的深入，水与毛细孔壁摩擦阻力增大，渗水速度随渗透深度的增加成比例下降。当水达到混凝土相反的一侧时，毛细孔压力就会改变方向，阻碍水分的渗出。若压力差大于孔壁摩擦阻力和毛细阻力，则水将从混凝土相反的一侧滴出；若压力差小于摩擦阻力和毛细孔阻力，则水的迁移为毛细孔迁移，此时的迁移速度取决于混凝土背水面水分的蒸发速度。2.2.2 影响因素影响混凝土渗透性的因素主要有水灰比、骨料最大粒径、混凝土养护方法、水泥品种、外加剂等因素。具体影响情况为：（1）混凝土的水灰比会影响混凝土孔隙的大小和数量，进而直接影响混凝土结构的密实性。水灰比越小，混凝土越密实，其抗渗性越好，反之亦然。（2）由于骨料和水泥浆的界面处易产生裂隙和较大骨料下方易形成孔穴，因此在水灰比相同时，混凝土骨料的最大粒径越大，其抗渗性能越差；（3）蒸汽养护的混凝土，其抗渗性较潮湿养护的混凝土要差。在干燥条件下，混凝土早期失水过多，容易形成收缩裂缝，因而降低混凝土的抗渗性。而在潮湿环境中或水中硬化的混凝土，不但总孔隙率降低，而且孔径也较小。这就增加了混凝土密实性，提高了混凝土的抗渗性；（4）水泥的品种、性质也影响混凝土的抗渗性能。水泥的细度越大，水泥硬化体孔隙率越小，强度就越高，则其抗渗性越好；（5）在混凝土中掺入某些外加剂，如减水剂等，可减小水灰比，改善混凝土的和易性，因而可改善混凝土的密实性，即提高了混凝土的抗渗性能；2.3 碱骨料反应混凝土中的碱与混凝土中的活性骨料发生反应，生成膨胀性物质，导致混凝土发生膨胀破坏，称为碱骨料反应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性，而其反应一旦发生很难阻止，更不易修补和挽救，被称为混凝土的“癌症”。2.3.1 破坏原因碱骨料反应主要可分为碱与硅酸、碱与碳酸盐及碱与硅酸盐三种反应。（1）碱-硅酸反应：是分布最广、研究最多的碱骨料反应，该反应是指混凝土中的碱组分与骨料中的活性SiO2之间发生的化学反应，其结果是导致骨料被侵蚀，生成碱-硅酸凝胶，并从周围介质中吸收水分而膨胀，导致混凝土开裂。（2）碱-碳酸盐反应：是指混凝土中的碱与碳酸盐矿物产生化学反应引起混凝土的地图状开裂。碱-碳酸盐反应是孔溶液中的碱与骨料中的白云石之间的反应。这一反应不是发生在骨料颗粒与水泥砂浆的表面，而是发生在骨料颗粒的内部，水镁石Mg（OH）2晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土的内部应力，导致混凝土开裂。（3）碱-硅酸盐反应：是指混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间间距增大，骨料发生膨胀，致使混凝土膨胀开裂。2.3.2 影响因素从碱骨料反应发生的条件出发，分析该种破坏的影响因素主要是：（1）活性骨料：引起混凝土碱骨料反应的主要因素是混凝土中含有碱活性的骨料。因此在施工中尽量选择无碱活性的骨料，在不得不采用具有碱活性的骨料时，应严格控制混凝土中总的碱量；（2）活性掺合料：掺用活性掺合料，如硅灰、矿渣、粉煤灰（高钙高碱粉煤灰除外）等，对碱骨料反应有明显的抑制效果。活性掺合料与混凝土结构中的碱起反应，反应产物均匀分散在混凝土中，而不是集中在骨料表面，不会发生有害的膨胀，从而降低了混凝土的含碱量，起到抑制碱骨料反应的作用；（3）水分：碱骨料反应要有水分，如果没有水分，反应就会大为减少乃至完全停止。因此，要防止外界水分渗入混凝土结构中以减轻碱骨料反应的危害。2.4 混凝土的碳化混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳气体渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应生成碳酸钙和水，使混凝土碱度降低的过程，这一过程又称混凝土的中性化。2.4.1 破坏原因碳化的化学反应式为：Ca（OH）2CO2CaCO3H2O混凝土的碳化反应结果有两个方面：一方面，反应生成碳酸钙和其他固态物质会堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续CO2的扩散，使混凝土密实度提高；另一方面，孔隙中的Ca(OH)2浓度及PH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。2.4.2 影响因素影响混凝土碳化的因素有很多，但概括其主要因素有两方面，一方面是材料因素，另一方面是环境条件因素。（1）材料方面：不同的水泥，其矿物组成、混合材量、外加剂、生料化学成分不同，直接影响水泥的活性和混凝土的碱度，对碳化速度有着重要的影响。一般而言，水泥中熟料越多，则混凝土的碳化速度越慢。不同的骨料品种和粒径级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响混凝土的密实性。其材质致密坚实，级配好的骨料混凝土，其碳化的速度较慢。水灰比的角度，在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，其混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，空气中的水分及有害物质较多的侵入混凝土内部，加快混凝土的碳化。（2）环境条件：温度对混凝土碳化表现在当温度下降较大时，混凝土表面收缩产生拉力，一旦超过混凝土的抗拉强度，使得混凝土表面开裂，为二氧化碳和水分渗入创造条件，加速混凝土碳化；另外，温度高时，二氧化碳在空气中的扩散系数较大，为其余氢氧化钙反应提供了有利条件，阳光的照射加速了其反应的碳化速度。另外，影响混凝土碳化程度的因素还有养护方法和龄期，混凝土强度，相对湿度，CO2浓度等等。2.5 钢筋锈蚀混凝土中水泥水化后，会生成碱性的氢氧化钙，导致混凝土孔隙中的水分有很高的碱性，在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，因此在正常情况下钢筋不会锈蚀；但钝化膜一旦破坏，在有足够水和氧气条件下会产生电化腐蚀。混凝土中钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。混凝土中的钢筋锈蚀后，一方面会使钢筋有效截面减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋混凝土之间的粘结作用下降。2.5.1 破坏原因混凝土中钢筋锈蚀的实质是电化学腐蚀。主要表现为钢筋在外部介质作用下发生电化学反应，逐步生成氢氧化铁（即铁锈）等，铁锈的体积会比原金属增大24倍，产生膨胀压力，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。2.5.2 影响因素钢筋锈蚀的开始是从钢筋周围的钝化膜破坏开始的，因此影响混凝土结构钢筋锈蚀的因素主要有：（1）混凝土液相pH值：钢筋锈蚀速度与混凝土液相pH值有密切关系。当pH值大于10时，钢筋锈蚀速度很小；而当pH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。（2）混凝土密实度和保护层厚度：混凝土越密实，破坏性介质越不容易进入混凝土腐蚀钢筋；保护层厚度对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，因此世界各国规范对保护层厚度都作了规定。（3）水泥品种和掺合料：粉煤灰等矿物掺合料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋锈蚀破坏。2.6 化学侵蚀一些侵蚀性介质，比如酸、碱、硫酸盐、压力动水等，侵入混凝土，可能会造成混凝土的化学腐蚀。化学腐蚀主要有三类，分别为溶出性侵蚀、溶解性侵蚀和膨胀性侵蚀。2.6.1 产生原因（1）溶出性侵蚀：对于一些密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动水中，水化产物Ca（OH）2会不断溶出并流失。Ca（OH）2的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，这些水化产物的溶出使混凝土的强度不断降低。（2）溶解性侵蚀：溶解性侵蚀分为酸侵蚀和碱侵蚀两类。当环境水的PH值小于6.5时，会对混凝土造成酸侵蚀；由于水泥的水化会生成碱性物质，因此混凝土中呈碱性，当碱在一定的浓度（15%以下）、温度（低于50）时，碱对混凝土的侵蚀作用很小，但是对于高浓度的碱溶液或者熔融状碱会对混凝土产生侵蚀作用。（3）膨胀性侵蚀：硫酸盐与混凝土的水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的膨胀性侵蚀。2.6.2 影响因素结构的密实程度和孔隙特征对混凝土化学侵蚀会有所影响；结构密实和孔隙封闭的混凝土，环境水不易侵入，故其抗侵蚀性较强。 3 提高混凝土耐久性的措施1) 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，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。2) 预防钢筋的锈蚀。常用的方法有环氧涂层钢筋，采用静电喷涂环氧树脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层，这种钢筋保护层能长期保护钢筋使其免遭腐蚀。此外，在混凝土表面涂层也是简便有效的方法，但涂料应是耐碱、耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料。还可掺加高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。还可研究新技术，开发新产品，如耐锈钢筋、阻锈钢筋等。 3) 避免或减轻碱集料反应。混凝土碱集料反应危害很大，一旦发生很难修复。当混凝土使用有碱活性反应的骨料时，必须从配合比出发，严格控制混凝土中的总碱含量以保证混凝土的耐久性。此外，外加剂特别是早强剂带来高含量的碱，为预防碱集料反应，在设计上应对外掺剂的使用提出要求。4) 加强施工管理。严格控制施工配合比，搅拌必须均匀，振捣必须到位，要严格遵守养护制度，可以用表面养护剂来改善养护条件，提高保水性，加速表面硬化。混凝土构件的侵蚀病害都是从表面开始的，在混凝土终凝前做好原浆抹面压光，增强表面密实度，也可采用表面浸渍和表面涂覆的手段来降低混凝土表面渗透性。 5) 防止混凝土的冻融破坏。混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力，目前只有加气混凝土才能有效提高混凝土的抗冻性。引气是提高混凝土抗冻性的主要参数。一般引气量4-8，同时，应避免采用吸水率较高的集料，加强排水以免混凝土结构被水饱和。在混凝土中掺加优质引气型高效减水剂，既能获得大量均匀分布的微小气泡，显著提高抗冻性，又能大幅度减小WC，从而保证混凝土强度不降低，甚至有所提高。6) 拌合及养护用水。混凝土拌合及养护用水，应考虑其对混凝土强度的影响。水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小。拌合水应检查其杂质情况，防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性。海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护。 7) 针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境)，设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定：混凝土保护层厚度应按规范的规定增加40；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少。混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。8) 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，确保混凝土结构的正常使用。在使用中，应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质，并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查，在结构破坏超过一定的界限后，就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。4 案例分析洋山深水港东海大桥结构耐久性分析上海东海大桥工程是上海国际航运中心的集装箱深水枢纽港的三大重要配套工程之一，为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务，是我国第一座长距离跨海大桥。大桥起始于上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，全长32.5公里。按双向六车道高速公路的标准设计，桥宽31.5米，设计车速80公里/小时。大桥主体结构为混凝土结构，全桥混凝土用量约100万立方，设计使用寿命100年，于2005年5月建成通车东海大桥面临的耐久性问题东海大桥地处北亚热带南缘、东北季风盛行区，受季风影响冬冷夏热，四季分明，降水充沛，气候变化复杂，多年平均气温为15.8，海区全年盐度一般在10.00%32.00%之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。在海洋环境下混凝土结构的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起。主要表现形式有钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵蚀、溶蚀、碱集料反应和冲击磨损等。东海大桥位于典型的亚热带地区，严重的冻融破坏和浮冰的冲击磨损可不予考虑。镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土组分来避免。这样钢筋锈蚀破坏就成为最主要的腐蚀荷载。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发：一是海水中Cl-侵蚀，二是大气中的CO2使混凝土中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl-进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。在东海大桥周边沿海码头调查中亦证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于Cl-渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响东海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土中的Cl-渗透速度。东海大桥结构的耐久性设计构件暴露部位的划分根据我国交通部海港工程混凝土结构防腐技术规范（JTJ275-2000）有关条文规定，海水环境结构部位划分为大气区、浪溅区、水位变动区及水下区。根据国内外海工混凝土的实践经验，混凝土结构中钢筋腐蚀最严重的是浪溅区，其它依次是水位变动区、大气区、水下区。长期处于水下的混凝土结构由于缺乏供氧条件，钢筋腐蚀极为缓慢。因此，在东海大桥设计时应根据各构件所处的环境条件，有针对性地采取不同的防腐蚀要求和措施大桥结构构件的耐久性设计大桥主结构（混凝土钻孔桩、承台、墩柱和箱梁等），根据所处的环境，取不同的保护层厚度，采用高性能混凝土为基本措施；对于混凝土保护层相对较小且位于浪溅或潮差区等部位，采用混凝土外保护涂层等附加措施。结合结构设计对构件混凝土的强度等级要求，并考虑施工工艺和环境条件，对各部位混凝土采取的具体耐久性方案如表1。表1 东海大桥海上段混凝土结构耐久性方案结构部位海洋环境分类保护层厚度/mm混凝土强度等级混凝土品种辅助措施钻孔灌注桩水下区、桩头水位变动区70C30大掺量掺合料砼上部为不拆除的钢管套承台水位变动区、浪溅区90C40高性能砼水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层墩柱水位变动区、浪溅区70C40高性能砼水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层箱梁大气区40C50高性能砼桥面板大气区40C60高性能砼塔柱下部为水位变动区、浪溅区、上部为大气区70C50高性能砼水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层相应的施工工艺为确保结构耐久性设计的实现，具有优良可靠的施工程序和工艺是必须的。东海大桥的混凝土工程在施工中依据浇筑部位的特点制定了合理的工序，采用了不少先进的技术和工艺，其中具有代表性的是：1、钻孔灌注桩混凝土工程（1）浇筑采用两艘120型拌和船拌机拌制自密实混凝土，拌和时间不少于130s。而后由拌和船上的布料杆直接输送至孔上的导管中。输送水平距离和垂直距离约38米，浇注时长610小时。（2）养护因钻孔灌注桩外围为钢护筒，厚度16mm，故不采取养护措施。2、超长超大混凝2、土箱梁混凝土工程（1）浇筑海上现浇箱梁混凝土浇筑由一艘拌和船拌制砼，拌和时间不少于130s，首先由拌和船布料杆将砼输送至箱梁顶面，再由1台输送泵将砼输送至指定地点(垂直距离2030米，水平距离10160米)，采用插入式振捣器捣实，薄层(每层厚度小于30cm)连续浇注，浇注时长58小时。陆上预制箱梁混凝土浇筑由不少于6台搅拌运输车代替搅拌船，其它与海上浇筑类似（2）养护西引桥采用木模，具有较好的保温效果，浇注完成后覆盖一层塑料布进行保湿养生，待砼终凝后，撤去塑料布，覆盖两层湿土工布，专人定期洒水养生，模板拆除后，在其表面喷养护剂。并在箱梁埋设传感器监测温度，控制内外温差小于15度。东引桥采用钢模，在其外喷聚胺脂保温材料进行保温，东引桥由工期较紧，采用蒸汽养生，采用4t蒸汽锅炉，设一根133mm总管达到施工处，设三根75mm分管，箱内一根，间隔50cm设一3mm喷汽孔，箱顶二根，间隔1米设一根长15米的4分管，该管间隔50cm设一3mm喷汽孔。控制升温速度每小时不大于10度，降温每小时不大于3度，静养610小时，蒸养6272小时，降温1215小时，强度达到后继续养生不少于15天。3、墩柱及超高桥塔混凝土工程（1）混凝土浇筑采用两台强制式搅拌机(90型、60型拌和机)拌制混凝土，每小时理论生产砼方量100方。拌和时间不少于130s。采用砼输送车输送，达到平台后采用一台60型输送泵输入墩身顶面设串筒下料，自由高度小于2米，薄层连续浇注，插入式振捣器捣实。浇注时间38小时。（2）混凝土养护在模板外喷聚胺脂保温材料保温，浇注完成后在砼表面覆盖湿麻袋与土工布，专人养护，定期用淡水喷洒，埋设温度传感器监测温度，降温达到规定要求后拆除模板，模板拆除后立即喷养护剂，养护喷完后围挂二层土工布外包一层塑料布，进行保温保湿，养护期不少于15天。4、承台及大体积主桥承台混凝土工程（1）混凝土浇筑引桥采用两台强制式搅拌机(90型、60型拌和机)拌制混凝土，每小时理论生产砼方量100方。主桥除采用上述搅拌机外，另用砼拌和船辅助生产，拌和时间不少于130s。采用砼输送车输送，达到平台后采用两台60型输送泵输入承台中，薄层(每层厚度不超过30cm)连续浇注，插入式振捣器捣实。引桥浇注时间610小时，主桥浇注时间1224小时。（2）混凝土养护承台浇注收浆完成后，在砼的表面覆盖若干层麻袋及土工布保温保湿，在承台外侧喷聚胺脂保温材料进行保温。在砼内部设冷却水管降温，中间埋温度传感器，采用电脑监测温度，控制内外温差小于25度，砼表面覆盖麻袋与土工布，再盖一层塑料布与三色布保温保湿，表面保持12cm的水，防止承台失水，冬季施工时合理安排工期，在0度与入模温度低于5度时停止施工，选择在气温较高的天气时施工，保温保湿措施同上。养生水采用淡水，养护期不少于15天5 结论与展望从前文可以看出，混凝土结构的耐久性是混凝土结构的重要方面，也将是决定该混凝土结构是否成功的关键所在。混凝土的破坏绝非某一孤立原因造成的，而是与其它综合不利因素有关，由于混凝土原材料的复杂多变，施工条件的波动，混凝土结构本身的复杂与不断发展。环境条件的多样性和复合作用等，造成混凝土耐久性研究高度复杂。 5.1 总结本文所论述的影响混凝土结构耐久性的六个方面因素及提高混凝土结构耐久性三个方面措施并不是独立的，它们之间相互联系、相互影响。提高混凝土结构耐久性的问题现在并不仅是从单一方面对其进行预防和维护就能起到很好的作用。随着混凝土结构使用范围和环境的日异变化，混凝土结构的耐久性问题会越来越复杂。 5.2 展望从混凝土的耐久性研究现状可以看出，耐久性的研究今后应从以下几方面入手。（1）有必要在地方政府的领导和扶持下，集中有限的人力、物力和财力，成立一个以研究混凝土耐久性为核心的地方科研基地，这个科研基地可以依托科研院所或高等院校。结合本地实际，对本地区的经济和社会发展影响较大的重要混凝土结构工程进行全面调查。并对原材料进行试验研究，为本地区混凝土工程的耐久性从材料筛选到工程施工提供指南。 （2）材料耐久性方面。应从碳化及钢筋腐蚀机理出发，建立合理的数学模型。碳化是钢筋锈蚀的直接外因，钢筋锈蚀导致了构件的耐久性降低。目前的研究已经表明了并非碳化至钢筋表面才引起钢筋锈蚀，因此应加强碳化的研究，即对碳化应有足够的认识。（3）开发混凝土结构的钢筋锈蚀状态的无损检测技术将是一个新的研究方向，它将随着其他相关学科的发展而发展。如果能在这方面取得突破，那么混凝土结构耐久性评估的费用将大大得到降低，大范围、系统的检测与评估将成为可能。另一方面，耐久性评估的结果也将更精确、更可靠。（4）氯离子是导致混凝土结构耐久性失效最主要的原因之一。氯离子渗透模型可以预测钢筋锈蚀开始时间和锈蚀程度，目前已有不少氯离子侵入混凝土的模型。考虑到氯离子渗入和混凝土碳化能够共同作用对混凝土的耐久性造成影响，以及钢筋所在位置对氯离子侵入混凝土的影响。氯离子渗入模型还需要进行进一步深入的研究。 （5）选择最合适耐久性的结构类型和构件尺寸，若要混凝土具有良好耐久性的结构形式，在设计时主要原则是缩小表面积。对易于发生耐久性问题的结构或构件部位，在设计中应通过合理的地选择结构构件截面的几何形状，使其不能形成侵蚀性物质的停留区，构件的截面积与表面积应具有适当的比例。（6）加强服役结构耐久性研究。目前的研究模型从室内试验出发的较多，因此在模型中往往含有水灰比。水灰比与混凝土碳化速度确实有很好的相关性，但对于服役结构，水灰比是一个很难确定的量。因此利用水灰比来评价服役结构存在困难。对于服役结构的耐久性评价应从现有的、可测的因素出发，客观评价其使用性能。（7）关于钢筋混凝土结构在承载能力极限状态下的目标可靠指标的研究已相对成熟，但是关于钢筋混凝土结构在正常使用极限状态下的目标可靠指标的研究才刚刚起步。因此今后也应该在这方面进行更多的研究。它的成果将是钢筋混凝土结构的耐久性设计的重要依据。 通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究。一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法，另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究。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。混凝土结构的耐久性是一个涉及环境、材料、设计、施工等多种因素的复杂问题，要解决好这个问题需要进行多方面的工作。钢筋混凝土结构耐久性应由正确的结构设计、材料选择以及严格的施工质量来保证。同时应注意对其在使用阶段实行必要的管理和维护。只有这样，才能保证和提高混凝土结构的耐久性，才能保证我国建筑事业的可持续发展。参考文献1 张万山，王小四.空气质量的研究.环境学报，2000，34(6):13-17.2 张完善.有色金属材料.第二版.大连：金属工业出版社，1998.89-90.3 张完善，刘六，等.第五届科学管理国际会议论文集.北京：管理工程出版社，2001.18-19.4 张完善，刘六.校园环境与学风建设.城市日报，2002年3月5日，第2版.5 Borko H, Bernier C L.Indexing concepts and methods.New York: Academic Pr.,1978.6 叶国华，郑亚平. 浅谈混凝土结构的耐久性设计与施工J. 科技信息( 科学 教研)，2007，(20) .