混凝土结构耐久性与裂缝控制中值得探讨的几个问题

混　　凝　　土

Concrete　

全国建筑科学核心期刊

ChinaBuildingScienceCorePeriodical　

混凝土结构耐久性与裂缝控制中值得探讨的几个问题

高小建,　巴恒静

(哈尔滨工业大学材料学院,哈尔滨　150006)

[摘　要]　耐久性与裂缝控制是目前土木工程界的主要研究前沿,本文就此方面研究中存在的问题进行了分析,并提出

自己的看法。

[关键词]　结构耐久性　材料耐久性　裂缝控制　钢筋保护层[中图分类号]　TU528101　　　[文献标识码]　A　　　[文章编号]　1002-3550(2001)11-0012-02

　　混凝土是目前世界上应用最广泛、用量最多的人造建筑材料,据统计全世界平均每人每年混凝土用量达一吨多———总计约60亿吨左右。相对于其它材料,混凝土既廉价又耐久可靠,因而在建筑、工业、交通、国防、公益事业和住宅区等基础结构中得到普遍应用。混凝土的特点是抗压强度高,因而长期以来,人们一直以抗压强度作为评价混凝土优劣的最重要指标,使混凝土的发展也就成为不断提高强度的过程。然而高强度混凝土的应用,要求有更高素质的施工人员和更细致的施工过程,因而用常规方法施工建造的高强度混凝土工程并不象当初人们所设想的那么耐久。

到1970年,第六届国际预应力会议上,开始有人提出“混凝土耐久性与其强度同等重要”。当时许多发达国家每年用于建筑维修上的费用已经超过了新建费用,如英国1978年的建筑维修费上升到1965年的3176倍,1980年的建筑维修费占建设总费用的2/3。1987年,美国国家材料咨询委员会发表的一份报告所

族兴旺,因此更应该注意耐久性问题。另外,中国北京申奥成功,今后几年将会有许多大型奥运场馆设施需要建设,也会面临如何解决好混凝土工程耐久性的问题。我们应该以此为契机,进一步加强混凝土耐久性研究,从而为国家节约资金、降低能耗、减少资源浪费、保护环境做出贡献。

混凝土工程的耐久性是指在暴露于具体使用环境下其抵抗各种物理和化学作用破坏的能力。因而对耐久性的研究包含着非常丰富的内容,如抗渗、抗冻融、抗Na2SO4侵蚀、抗冲刷等,国内外学者对这些方面的研究很多,但对提高实际工程的耐久性效果甚微。裂缝控制同样是一个复杂的、多学科交叉研究课题,目前存在着许多争议和问题。因此本文结合作者研究实践就此方面存在的几个问题提出看法,以引起讨论。

1　混凝土开裂与耐久性的关系

混凝土结构的劣化破坏过程,除少数情况如磨蚀等外,无不涉及到各种有害介质从外部向内部的渗透

或迁移作用。因而通常将混凝土的抗渗性(或密实度)作为反映耐久性的一个综合性指标。而混凝土材料的渗透性与它的各种缺陷,如孔隙特征、裂缝状况等密切相关。从历史发展过程看,早在2000年前建造的素混凝土结构,像古罗马万神殿和欧洲几个古典建筑,它们仅由硬化缓慢的石灰—火山灰水泥构筑而成但却保存完好;相反地,20世纪里由波特兰水泥建筑的钢筋混凝土结构却很快地恶化。暴露于像除冰盐、海水等腐蚀环境下,桥梁、停车场、海底隧道和其它水下结构物在还不到20年龄期就出现了严重的耐久性问题。1944年,美国公路局对加利福尼亚、俄勒冈州、华盛

提供的资料表明:混凝土桥梁板,其中大部分是修建于20世纪40年代以后,正面临着普遍的耐久性问题。据

估计,全美国约有253,000座桥梁处于不同程度的破坏状态,其中一些使用还不到20年;而且这个数字还在以每年35,000座的速度增长。美国联邦公路署1989年提交给美国国会的一份报告《国家公路和桥梁现状》中指出,积压着有待维修的桥梁需花费1550亿美元。另据统计,美国各州桥梁正在以比它们建造快50%的速率损坏,也就是说:每建造两座新桥,就有3座已有的桥梁正遭破坏。同样在世界其它各国,也都普遍存在着严重的混凝土工程耐久性差的问题。

目前我国正处于大规模的基础建设时期,如举世瞩目的三峡水利工程、青藏铁路、南水北调、西气东输等,都是国家投资几百亿、几千亿的大型建筑工程,它们的建设和运转情况直接关系到国家的经济发展和民

[收稿日期]　2001-10-25

顿、怀俄明州等地区的混凝土桥梁进行了一个广泛的调查。被调查的大约有200个桥梁,桥的使用年限从3年到30年不等。结果表明:1930年以后建造的混凝

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土结构不如1930年前的耐用。例如,1930年以前建造的桥有67%保存良好,而1930年以后的桥梁只有27%没出问题。根据Burrows研究分析:1930年以前修建的波特兰水泥混凝土结构劣化破坏与裂缝无关;而1930年之后的混凝土往往因开裂引起劣化破坏。特别是近几年来,随着矿物掺合料和高效减水剂的应用,使混凝土结构致密、孔隙细化。按理说,混凝土结构的抗渗性和耐久性应该大幅度地提高,而事实上由于各种宏观和微观裂缝的存在,目前混凝土结构并没有以前的混凝土结构那么耐久。各种开裂是导致目前混凝土结构耐久性差的主要原因。

由于裂缝的存在直接影响到混凝土的渗透性和耐久性。因此各国在考虑建筑物的耐久性与寿命时,都规定了一个允许裂缝宽度值。英国规范对暴露在特殊侵蚀环境条件下的允许裂缝宽度取为保护层厚度的4‰,而在一般情况下取允许裂缝宽为013mm。日本

而产生裂缝的可能性就小。在实际应用中,混凝土总是以不同形状的大尺寸构件形式出现,从而大面积的施工中难免会产生局部缺陷;另外这些构件都处于不同程度的约束条件下,往往因体积变形大而产生表面开裂。这些缺陷和裂缝往往成为混凝土耐久性下降的开始。这点在实践中表现非常突出:实验室制作的混凝土试件渗透性极低,其它耐久性指标也都满足要求,而同配合比的这种混凝土应用于实际工程时,却发现与抗渗性有关的如钢筋锈蚀、化学侵蚀性、抗冻融等耐久性能却不尽人意。对于脆性大、延性低、抗裂性差的高强、高性能混凝土更是如此。由此可见,随着混凝土和建筑技术的进步,基于小型试件的混凝土材料的耐久性,已不能反映实际混凝土工程结构的耐久性。212　人员素质和环境因素

长期以来,混凝土建筑行业在人们印象中是一种又脏又累、技术含量低、低收入、枯燥乏味的工种,从事混凝土现场施工的通常是一个流动性大、知识层次低的劳动群体。有人统计中国目前大约有1500万的农民大军活跃于建筑工地,这些人员绝大多数都没有经过职业培训,不懂专门的技术知识和施工方法,也就不能保证混凝土工程质量。人们通常所说的“豆腐渣工程”,一方面是偷工减料的结果,另一方面也与工人职业技能低下,施工质量差有关。同样在发达国家也存在施工人员素质低下的问题,如美国混凝土业2030年规划中指出,要把更多的重点放在教育方面,通过进一步改革和使用最新技术吸引人材,把该行业发展成为一个安全、高薪、具有挑战性的职业,从而在混凝土业中形成一个忠诚的、多样化的和技能熟练的劳动群体。

混凝土现场施工中的环境条件错综复杂,它对施工质量也会产生很大的影响。如高温天气下施工的混凝土表面水份过快蒸发就会导致干燥开裂;夏天时突然一场大雨可能使浇筑的大体积混凝土产生温度裂缝等。

相反,实验室的试件成型与制作基本上都是由专门的技术人员亲自操作,从配料计量、混合搅拌、振捣成型到标准养护等工序都是按照标准规范来精心完成,很少受环境条件变化的影响,因此制作的混凝土试件均匀性好、质量有保障。这样就可能使同一配合比的混凝土在实验室和实际工程中表现出的耐久性有所差异。

高强、高性能混凝土的出现,使混凝土成为一种高科技含量的产品,而这种混凝土的各项优越性能是建立在优选原材料、精确计量、充分搅拌、加强养护等条件的基础之上。如还像普通混凝土那样进行施工的话,它的优越性并不明显,甚至某些性能还不如普通混凝土。因此,高强、高性能混凝土施工中,因工人素质低和周围环境变化而带来的工程质量问题更是屡见不鲜。・未完待续・

土木工程协会根据环境条件和混凝土覆盖物对钢筋混

凝土的可容许表面裂缝宽度做了定义,具体如表1所示。

表1　允许的裂缝宽度Wlim

mm

容易使钢筋产生腐蚀的周围环境条件

一般腐蚀性严重腐蚀性

加筋混凝土螺纹钢筋或圆钢01005c01004c010035c

螺纹钢筋01005c01004c010035c

预应力混凝土预应力钢筋01004c010035c010035c　　变量“c”是钢筋保护层厚度,通常大约为20mm～30mm。

　　产生裂缝的原因通常分为硬化期间产生的和承载

过程中产生的两大类。其中硬化期间产生的裂缝最复杂,也最重要,也可能这时的裂缝宽度没有超过允许的裂缝宽度值,但是早期的微裂缝往往是后期宏观开裂的开始。除裂缝的宽度外,裂缝的深度、长度、走向、搭接和发展趋势都会对混凝土耐久性产生不同的影响。而目前恰恰又缺少这方面的研究,因此加强裂缝(宏观或微观)特征的研究将对解决混凝土结构耐久性发挥重要作用,也将成为一个新的研究发展方向。

2　试验结果与实际应用的差异

211　尺寸效应

众所周知,混凝土材料是一种复杂的多组份、多相复合材料,它的各种力学性能表现为明显的尺寸效应。例如通常边长为10cm比边长15cm的混凝土立方体试块的抗压强度高5%～10%;小尺寸试件常趋于塑性崩溃破坏,而大尺寸试件储存有大量的可供突然释放的能量,常发生快速断裂破坏。

相比之下,实验室中混凝土试件尺寸小,存在的缺陷就少;同时产生的体积变形不受约束或约束很小,因

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