[學習]鋼筋混凝土構件的變形、裂縫及混凝土結構的耐久性

1、鋼筋混凝土構件的變形、裂縫及混凝土結構的耐久性,第一節(jié)：概述第二節(jié)：鋼筋混凝土構件裂縫寬度驗算 第三節(jié)：鋼筋混凝土受彎構件的撓度驗算 第四節(jié)：混凝土結構的耐久性,§9．1 概述,,,,,,,,安全性,,適用性,,耐久性,,,結構功能,本章主要講述的是正常使用極限狀態(tài),安全性,是結構在設計使用期限內(nèi)，應能承受正常施工、正常使用時可能出現(xiàn)的各種作用。在作用（如地震）或偶然事件（如爆炸）發(fā)生時及發(fā)生后，結構能保持整體穩(wěn)定

2、，不致發(fā)生連續(xù)倒塌。,安全性是通過承載力的計算和構造措施來保證的，前面幾章對拉、壓、彎、剪、扭及其復合受力狀態(tài)的承載力計算公式和相應的構造措施做了系統(tǒng)介紹。,拉,彎,壓,剪,扭,,簡單受力狀態(tài),偏心受拉,偏心受壓,,復合受力狀態(tài),剪扭,彎扭,彎剪扭,壓彎剪扭,適用性,結構的適用性是通過正常使用極限狀態(tài)的驗算來滿足的，包括裂縫和變形的驗算。通過計算使裂縫寬度和變形不超過規(guī)范規(guī)定的限值。,是結構在正常使用荷載作用下具有良好的工作性能，如

3、不產(chǎn)生影響使用的過大撓度或振幅，不產(chǎn)生讓使用者感到不安的裂縫等。,結構構件不滿足正常使用極限狀態(tài)的危害性要小，其相應的可靠指標β值相對要求較小，故裂縫寬度及變形的計算時采用荷載標準值和材料強度的標準值。,為了方便，驗算裂縫寬度及變形時，只按荷載效應的標準組合并考慮長期作用的影響進行計算。,構件的變形及裂縫寬度都隨時間而增大，對于正常使用極限狀態(tài)，應按荷載效應的標準組合及準永久組合分別加以驗算。,耐久性,結構在所處的工作環(huán)境中，在設計使用

4、年限內(nèi)，在正常維護條件下不需要進行大修就能完成預定功能的能力。如混凝土不發(fā)生嚴重風化、腐蝕、脫落，鋼筋不發(fā)生銹蝕等。,耐久性是通過滿足耐久性規(guī)定與規(guī)范限值(如混凝土保護層最小厚度、最低混凝土強度等級等)實現(xiàn)的?；炷两Y構應根據(jù)使用環(huán)境類別和設計使用年限進行耐久性設計。,§9．2 鋼筋混凝土構件裂縫寬度驗算,裂縫,裂縫,微觀裂縫,宏觀裂縫,變形引起的裂縫,荷載引起的裂縫,裂縫寬度驗算主要指的是荷載引起的裂縫,,,,,裂縫寬度,是

5、指受拉鋼筋重心水平處構件側表面上的混凝土的裂縫寬度。,,試驗量測表明，沿裂縫深度，裂縫寬度是不相等的，由于受到鋼筋的約束，近鋼筋處回縮變形小，構件表面處回縮大,裂縫特點,1在使用荷載作用下，對于工作在正常使用階段的受彎構件來講，處于受彎全過程的第Ⅱ階段，此時:,①裂縫基本“出齊”，即裂縫的分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。,②由于材料的不均勻性以及截面尺寸的偏差等因素的影響，裂縫的出現(xiàn)具有某種程度的偶然性，因而裂縫出現(xiàn)的間距和寬度是不均勻的。,③平均裂

6、縫間距和平均裂縫寬度是有規(guī)律性的，平均裂縫寬度與最大裂縫寬度之間也具有一定的規(guī)律性。,2當荷載長期作用,①由于混凝土的滑移徐變和拉應力的松馳，將導致裂縫間受拉混凝土不斷退出工作，使裂縫開展寬度增大；,②混凝土的收縮使裂縫間混凝土的長度縮短，這也會引起裂縫的進一步開展。,裂縫控制等級,結構構件正截面的裂縫控制分為三級。裂縫控制等級的劃分應符合下列規(guī)定：,一級— 嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件，按荷載效應標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應產(chǎn)生

7、拉應力；,二級— 一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件，按荷載效應標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度標準值；而按荷載效應準永久組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不宜產(chǎn)生拉應力；,三級— 允許出現(xiàn)裂縫的構件，按荷載效應標準組合并考慮長期作用影響計算時，構件的最大裂縫寬度不應超過表4-3規(guī)定的最大裂縫寬度限值。,對于預應力混凝土結構構件，處于一類環(huán)境時，可允許開裂，應進行最大裂縫寬度的驗算；處于二、三類環(huán)境時，不允許出現(xiàn)裂縫，應

8、分別以二級及一級裂縫控制等級驗算；,鋼筋混凝土構件的裂縫控制等級均為三級，即鋼筋混凝土構件均需進行裂縫寬度驗算予以保證。,平均裂縫間距,裂縫出現(xiàn)后，開裂截面混凝土向裂縫兩側回縮，在回縮的那一段長度l中，混凝土與鋼筋之間有相對滑移，產(chǎn)生粘結應力τ。通過粘結應力的作用，隨著離裂縫截面距離的增大，鋼筋拉應力逐漸減??；混凝土拉應力由零逐漸增大，距離裂縫l處，粘結應力消失圖(9-2(c))，混凝土和鋼筋又具有相同的拉伸應變，各自的應力又趨于均勻分

9、布。,平均裂縫間距,,,,,,,,,,令,乘以1.5,,,,,,,,,,混凝土和鋼筋間的τu、τ cr、τ ，均與混凝土抗拉強度基本成正比例關系，故可取ft/ τ m為常數(shù)。,平均裂縫間距與混凝土保護層有一定關系。應適當考慮混凝土保護層厚度的影響。,鋼筋表面特征同樣影響平均裂縫間距，對此可用鋼筋的等效直徑deq代替d。,,當混凝土保護層厚度c不大于65mm時，對配置帶肋鋼筋混凝土構件的平均裂縫間距可按下列公式計算,平均裂縫寬度,,,,,

10、,裂縫寬度為裂縫出現(xiàn)后鋼筋與外圍混凝土在裂縫間距之間的相對滑移總和。故wm等于平均裂縫間距內(nèi)鋼筋與相應水平處構件側表面混凝土伸長的差值,,設裂縫間縱向受拉鋼筋的拉應變不均勻系數(shù)為ψ，在荷載效應的標準組合下，鋼筋并未達到屈服，采用其彈性模量。,,令,,,分析表明，αc與配筋率ρte、混凝土保護層厚度c等有關，但變化幅度不大。為簡化計算，對軸心受拉、受彎及偏心受力構件，可統(tǒng)一取αc=0.85。,裂縫處的鋼筋應力,⑴軸心受拉構件,,⑵矩形、T

11、形、倒T形和I形截面偏心受拉構件,,大小偏心受拉構件的σsk計算可統(tǒng)一由下式表達,⑶受彎構件,為了簡化計算，對矩形、T形和I形截面受彎構件,對受壓區(qū)合力點取矩，得,⑷矩形、T形、倒T形和I形截面偏心受壓構件,對于偏心受壓構件，η的計算較為復雜，為簡便起見，近似地取,,,,γ´ f受壓翼緣增強系數(shù)，等于受壓翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值,對受壓區(qū)合力點取矩，得,,,,e軸向壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離,偏心構件的的

12、l0/h>14時，還需考慮側向撓度的影響，引入偏心距增大系數(shù)ηs，可近似地?。?,最大裂縫寬度及其驗算,確定最大裂縫寬度的方法,裂縫間距和裂縫寬度的分散性比較大，在構件中的最大裂縫寬度要比平均裂縫寬度大得多。wmax,s可由平均裂縫寬度乘以τs求得。,長期荷載作用下，受拉區(qū)混凝土將產(chǎn)生收縮、滑移徐變，受壓區(qū)混凝土也將產(chǎn)生徐變，因此，裂縫寬度亦將不斷增大。wmax可由wmax,s乘以τl求得，τl=1.5。,最大裂縫寬度在概率下的含

13、義是具有95%保證率的相對最大裂縫寬度。,最大裂縫寬度的計算,綜合參數(shù)αc、τs、τl、β的影響，引入構件受力特征系數(shù)αcr=αcτsτlβ表示。,《規(guī)范》規(guī)定對矩形、T形、倒T形和I形截面的受拉、受彎和偏心受壓構件，按荷載效應的標準組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度可按下列公式計算,,,,,ρte按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向鋼筋配筋率；當ρte<0.01，取ρte=0.01,,矩形截面及T形截面,倒T形截面,,此處應特別

14、注意，T形截面和倒T形截面的受拉區(qū)是不同的。,最大裂縫寬度限值,(1)外觀要求:從外觀要求考慮，裂縫過寬將給人以不安全感，同時也影響對結構質量的評價。,,,,(2)耐久性要求:裂縫對結構的耐久性是非常不利的。,直接受雨淋的構件，無圍護結構的房屋中經(jīng)常受雨淋的構件，經(jīng)常受蒸汽或凝結水作用的室內(nèi)構件(如浴室等)，以及與土壤直接接觸的構件(如基礎等)，都具備鋼筋銹蝕的必要和充分條件，因而都應嚴格限制裂縫寬度。,處于室內(nèi)正常環(huán)境，因缺少銹蝕的充

15、分條件，不至銹蝕或雖有輕微銹蝕但不會影響承載力，因此裂縫寬度限值可放寬些。不過，這時還應按構件的工作條件加以區(qū)分。例如，屋架、托架等主要屋面承重結構構件，以及需作疲勞驗算的吊車梁等構件，均應從嚴控制裂縫寬度(見表9-1)。,最大裂縫寬度驗算,應滿足：,,,,⑴對于直接承受吊車荷載但不需作疲勞驗算的吊車梁,可將計算出的最大裂縫寬度乘以系數(shù)0.85。,⑸對于由荷載以外諸因素引起的裂縫，都不包括在內(nèi)。,⑵對e0/h0≤0.55的偏心受壓構件

16、，均能符合wlim的要求，規(guī)定不必驗算。,⑶對于斜裂縫寬度，當配置受剪承載力所需的腹筋后，使用階段的裂縫寬度一般小于0.2mm，故不必驗算。,⑷最大裂縫寬度均系指受拉鋼筋截面重心水平處的構件側表面裂縫寬度。,§9．3鋼筋混凝土受彎構件的撓度驗算,截面抗彎剛度的概念,由材料力學知，勻質彈性材料梁的跨中撓度可以表示為,或,在材料力學中，當梁的截面形狀、尺寸和材料已知時，梁的截面抗彎剛度EI是常數(shù)。,在鋼筋混凝土受彎構件中，由于混凝

17、土的裂縫和塑性變形影響，其剛度是變化的。由EI=M/φ知，截面抗彎剛度就是使截面產(chǎn)生單位曲率需要施加的彎矩值?；炷潦軓潣嫾膭偠鹊扔趶澗豈和曲率φ的比值。,在使用荷載作用下，處于帶裂縫工作狀態(tài)。由于鋼筋混凝土是不勻質的非彈性材料，從圖9-8中可以看出，該階段,M與φ間為非線性關系，即曲率φ比M增加的快。故剛度隨M增大而降低。,而且沿構件的截面抗彎剛度也是不均勻分布的。,此時，構件截面短期剛度與用材料力學彈性體公式表達的抗彎剛度EI已大

18、不相同。,荷載長期作用時，由于受壓混凝土的徐變和收縮，使混凝土的壓應變隨時間的增長而增大；,,裂縫間受拉區(qū)混凝土的應力松弛，受拉區(qū)混凝土與鋼筋之間的粘結滑移徐變，裂縫向上延伸，導致受拉混凝土隨時間不斷退出工作，鋼筋拉應變隨時間增大，構件的撓度也就不斷地增長，也就是說，截面的剛度將隨荷載的長期作用而降低。,驗算變形時，應按荷載效應的標準組合并考慮長期作用的影響計算。用長期剛度B代替，可得鋼筋混凝土簡支梁跨中撓度驗算公式,荷載效應的標準組合

19、作用下受彎構件的截面抗彎剛度，簡稱為短期剛度，記作Bs。,,短期剛度,混凝土結構設計中，用到截面抗彎剛度的有兩種情況。,⑴是指預應力混凝土受彎構件，它包括要求不出現(xiàn)裂縫的構件(可近似地把混凝土開裂前的M-φ曲線視為直線，,⑵是指帶裂縫工作的鋼筋混凝土受彎構件。此處主要講述鋼筋混凝土受彎構件的截面抗彎剛度。,,,構件出現(xiàn)裂縫后，沿構件軸長，其受拉鋼筋及受壓混凝土的應變分布是不均勻的，在裂縫截面處最大，裂縫間為曲線變化(圖)。,,鋼筋混凝土

20、受彎構件Bs計算公式的建立,截面剛度則是裂縫截面處最小，裂縫中間截面處最大。,,這種各截面剛度的不均勻分布給撓度計算帶來了困難。,,,此中的關鍵是得出平均曲率的表達式,由于構件的撓度是反映沿構件跨長變形的綜合效應，因此，可以通過平均剛度加以表征。,截面抗彎剛度是使截面產(chǎn)生單位曲率需要施加的彎矩值，利用平均曲率有,幾何關系,在平均裂縫間距內(nèi)，各水平纖維的平均應變沿梁截面高度的變化符合平截面假定,ΔOAB∽ΔCDE：,平均曲率的表達式！,,

21、,,,的表達式？,物理關系,工作在第Ⅱ階段的受彎構件，鋼筋采用鋼筋的彈性模量，而混凝土采用其變形模量。,,鋼筋應變：,裂縫處,,的表達式！,混凝土應變：,,平均裂縫間距內(nèi),,鋼筋：,混凝土：,引入應變不均勻系數(shù),平衡關系,對受壓區(qū)合力點取矩，得,,裂縫處,,受拉鋼筋的重心取矩，得,,受壓面積為bx0=ξ0bh0 ，平均壓應力ωσck,為了簡化計算，令,,,,,,,,,短期剛度Bs的一般表達式,,,,,,,,,,,,,取,,,,,,參數(shù)的

22、討論,,,,,裂縫截面處內(nèi)力臂系數(shù)η,ηh0是縱向受拉鋼筋合力點至受壓區(qū)合力點的距離，η是內(nèi)力臂系數(shù)。,,式中，Mk、Es、h0、As為已知值，εsk可根據(jù)變形量測求得，因此，η值即可算出。前面講過，為了簡化計算，對矩形、T形和I形截面受彎構件,,,,,,,,,,,,裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)ψ,系數(shù)ψ=εsm/εsk。隨著荷載的增大，εsm與εsk間的差距逐漸減小，亦即ψ值逐漸變大，而此時混凝土參與工作的程度越小。反之ψ值越小，

23、混凝土參與工作的程度越大；,,,如果ψ=1，裂縫間受拉混凝土全部退出工作。,系數(shù)ψ的物理意義就是反映裂縫間受拉混凝土對縱向受拉鋼筋應變的影響程度。,,,,,,,,,,系數(shù)ψ反映了裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻的程度，ψ值越小，應變越不均勻；反之，ψ值越大，應變越均勻；當ψ=1時，應變完全均勻；當然ψ值不可能大于1。,,ψ的大小還與ρte有關。當ρte較小時，說明參與受拉的混凝土相對面積大些，對縱向受拉鋼筋應變的影響程度也相應大些，因而ψ就

24、小些。,從受力角度看，所受彎矩越大，構件開裂越嚴重，剛度Bs越低，其影響實際隱含在ψ中，若其他條件相同，Mk增大時σsk亦增大，因而ψ增大，Bs則相應的減小。,ψ值還受到截面尺寸的影響，即ψ隨截面高度的增加而增大。,,,,,,,,,,采用一個綜合的系數(shù)ζ以代替多個分離的系數(shù)，便于通過試驗直接驗證。,受壓區(qū)邊緣混凝土綜合影響系數(shù)ζ,,如果是T形截面， ζ還與受壓翼緣面積有關，其影響用受壓翼緣加強系數(shù)γ´ f表示,,,,,,,,,

25、,,,,,,,,,,,,受彎構件剛度B,計算撓度時必須采用按荷載效應的標準組合并考慮荷載效應的長期作用影響的長期剛度B。,對翼緣位于受拉區(qū)的倒T形截面，《規(guī)范》建議θ應增大20%。,,,,最小剛度原則,“最小剛度原則”就是在簡支梁全跨長范圍內(nèi)，按最小的截面抗彎剛度，計算撓度。當構件上存在正、負彎矩時，可分別取同號彎矩區(qū)段內(nèi)│Mmax│處截面的最小剛度計算撓度。,,撓度驗算,采用最小剛度作為本段剛度，使結果偏大；,材料力學的撓度公式，未計

26、剪跨段的剪切變形，和斜裂縫的不利影響，使撓度計算值偏小。,一個偏大，一個偏小，大致可以相互抵消，誤差不大。,,,,,(1) 保證建筑的使用功能要求,混凝土構件的變形限值,(2) 防止對非結構構件產(chǎn)生不良影響,(3) 保證人們的感覺在可接受的程度之內(nèi),吊車梁的撓度過大會妨礙吊車的正常運行；樓板撓度過大會影響精密儀表的使用；屋面構件和挑檐的撓度過大會造成積水和滲漏等。,防止結構構件變形過大會使門窗等活動部件不能正常開關，防止非結構構件如隔墻

27、及天花板的開裂、壓碎或其它形式的損壞等。,防止厚度較小或跨度太大的單塊板站上人后產(chǎn)生過大的顫動或明顯下垂引起的不安全感。防止在可變引起的振動對人的不良感覺等。,,,,,表中l(wèi)0為構件的計算跨度 ,計算懸臂構件的撓度限值時，其計算跨度l0按實際懸臂長度的2倍取用。,表中括號內(nèi)數(shù)值適用于使用上對撓度有較高要求的構件,對于簡支梁，跨間為同號彎矩，可采用材料力學公式計算。對于連續(xù)梁或框架梁，其跨間彎矩變號，可按彈性結構力學方法計算,,,,,Bs

28、對撓度的影響,如果撓度驗算不符合要求，可增大截面高度或減小構件跨度，選擇合適的配筋率ρ。同時選擇合適的水灰比和水泥用量等因素,配筋率ρ的影響,選擇合適的配筋率,截面形狀的影響,受拉翼緣 受壓翼緣都會使B s有所增大。,混凝土強度等級的影響,提高Bs的作用不大。,截面有效高度h0的影響,提高Bs的作用不大。,,B對撓度的影響,跨度l0對撓度的影響,凡是影響混凝土徐變和收縮的因素都將導致剛度的降低，撓度將增大。,l0越大，f越大。選定足夠

29、的截面高度或較小的跨高比l0/h,,,11.５ 混凝土結構的耐久性,§9．3混凝土結構的耐久性,◆混凝土結構應能在自然和人為環(huán)境的化學和物理作用下，滿足在規(guī)定的設計工作壽命內(nèi)不出現(xiàn)無法接受的承載力減小、使用功能降低和不能接受的外觀破損等的耐久性要求。◆耐久性是指結構在預定設計工作壽命期內(nèi)，在正常維護條件下，不需要進行大修和加固滿足，而滿足正常使用和安全功能要求的能力?！魧τ谝话憬ㄖY構，設計工作壽命為50年，重要的建筑物可

30、取100年?！艚陙?，隨著建筑市場化的發(fā)展，業(yè)主也可以對建筑的壽命提出更高要求。對于其它土木工程結構，根據(jù)其功能要求，設計工作壽命也有差別，如橋梁工程一般要求在100年以上。,混凝土結構使用壽命,,,無損傷,劣化開始，可修補,,毀壞,廢棄,,,11.５ 混凝土結構的耐久性,碳化,一、影響混凝土結構耐久性的因素,內(nèi)部因素： 混凝土強度 滲透性 保護層厚度 水泥品種 標號和用量 外加濟等,外部因素： 環(huán)境溫度

31、 濕度 CO2含量 侵蝕性介質等,,11.５ 混凝土結構的耐久性,1、混凝土的凍融破壞,◆ 混凝土水化結硬后，內(nèi)部有很多毛細孔。在澆筑混凝土時，為得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多些?！?多余的水份滯留在混凝土毛細孔中。低溫時水份因結冰產(chǎn)生體積膨脹，引起混凝土內(nèi)部結構破壞?！?反復凍融多次，就會使混凝土的損傷累積達到一定程度而引起結構破壞?！?防止混凝土凍融破壞的主要措施是降低水灰比，減少混凝土中多余的水份

32、。◆ 冬季施工時，應加強養(yǎng)護，防止早期受凍，并摻入防凍劑等。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,2、混凝土的堿集料反應,◆ 混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液產(chǎn)生化學反應稱為堿集料反應?！?堿集料反應產(chǎn)生的堿-硅酸鹽凝膠，吸水后會產(chǎn)生膨脹，體積可增大3~4倍，從而混凝土的剝落、開裂、強度降低，甚至導致破壞?！?引起堿集料反應有三個條件：⑴混凝土的凝膠中有堿性物質。這種堿性物質主要來自于水泥，若水泥中的含堿量（Na2

33、O，K2O）大于0.6%以上時，則會很快析出到水溶液中，遇到活性骨料則會產(chǎn)生反應；⑵骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃質火山石、安山石等含SiO2的骨料；⑶水分。堿骨料反應的充分條件是有水分，在干燥環(huán)境下很難發(fā)生堿骨料反應。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,3、侵蝕性介質的腐蝕,⑴硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學反應，生成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土破壞。硫酸鹽除在一些化工企業(yè)存在

34、外，海水及一些土壤中也存在。當硫酸鹽的濃度（以SO2的含量表示）達到2‰時，就會產(chǎn)生嚴重的腐蝕。⑵酸腐蝕：混凝土是堿性材料，遇到酸性物質會產(chǎn)生化學反應，使混凝土產(chǎn)生裂縫、脫落，并導致破壞。酸不僅存在于化工企業(yè)，在地下水，特別是沼澤地區(qū)或泥炭地區(qū)廣泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植質也呈酸性，對混凝土有腐蝕作用。⑶海水腐蝕：在海港、近海結構中的混凝土構筑物，經(jīng)常收到海水的侵蝕。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2

35、SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸鎂對混凝土有較強的腐蝕作用。在海岸飛濺區(qū)，受到干濕的物理作用，也有利于Cl-和SO4的滲入，極易造成鋼筋銹蝕。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,4、混凝土的碳化,◆ 混凝土中堿性物質（Ca(OH)2）使混凝土內(nèi)的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕?！?但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質發(fā)生反應，使混凝土的Ph值降低。其他物質，如SO2、H2S，也能與混凝土中的堿性

36、物質發(fā)生類似的反應，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化?！?當混凝土保護層被碳化到鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋的銹蝕。此外，碳化還會加劇混凝土的收縮，可導致混凝土的開裂?！?因此，混凝土的碳化是混凝土結構耐久性的重要問題。◆ 混凝土的碳化從構件表面開始向內(nèi)發(fā)展，到保護層完全碳化，所需要的時間與碳化速度、混凝土保護層厚度、混凝土密實性以及覆蓋層情況等因素有關。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[1] 環(huán)境

37、因素◆ 碳化速度主要取決于空氣中的CO2濃度和向混凝土中的擴散速度?？諝庵械腃O2濃度大，混凝土內(nèi)外CO2濃度梯度也愈大，因而CO2向混凝土內(nèi)的滲透速度快，碳化反應也快。◆ 空氣濕度和溫度對碳化反應速度有較大影響。因為碳化反應要產(chǎn)生水份向外擴散，濕度越大，水份擴散越慢。當空氣相對濕度大于80%，碳化反應的附加水份幾乎無法向外擴散，使碳化反應大大降低?！?而在極干燥環(huán)境下，空氣中的CO2無法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反應也無

38、法進行?！?試驗表明，當混凝土周圍介質的相對濕度為50%~75%時，混凝土碳化速度最快。環(huán)境溫度越高，碳化的化學反應速度越快，且CO2向混凝土內(nèi)的擴散速度也越快。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[2] 材料因素◆ 水泥是混凝土中最活躍的成分，其品種和用量決定了單位體積中可碳化物質的含量，因而對混凝土碳化有重要影響?！?單位體積中水泥的用量越多，會提高混凝土的強度，又會提高混凝土的抗碳化性能?！?水灰比也是影響碳化的主要因素。

39、在水泥用量不變的條件下，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率也越大，密實性就越差，CO2的滲入速度越快，因而碳化的速度也越快。◆ 水灰比大會使混凝土孔隙中游離水增多，有利于碳化反應。◆ 混凝土中外加摻合料和骨料品種對碳化也有一定的影響。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[3] 施工養(yǎng)護條件混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護條件影響混凝土的密實性，因而對碳化有較大影響。此外，養(yǎng)護方法與齡期對水泥的水化程度有影響，進而影響混凝土的碳化。所以保證混凝土施

40、工質量對提高混凝土的抗碳化性能十分重要。[4] 覆蓋層,不同飾面材料的碳化深度比,,11.５ 混凝土結構的耐久性,5、鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最關鍵問題。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,◆ 當混凝土未碳化時，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學過程?！?當混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會發(fā)生銹蝕的電化學反應?！?鋼筋銹蝕產(chǎn)生的鐵銹（氫氧化亞鐵

41、Fe(OH)3），體積比鐵增加2~6倍，保護層被擠裂，使空氣中的水份更易進入，促使銹蝕加快發(fā)展?！?氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能?！?當構件使用環(huán)境很干燥（濕度<40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕?！?而裂縫的發(fā)生為氧氣和水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時也使混凝土的碳化形成立體發(fā)展。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,◆ 但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，銹蝕程度與荷載產(chǎn)生的橫向裂

42、縫寬度無明顯關系，在一般大氣環(huán)境下，裂縫寬度即便達到0.3mm，也只是在裂縫處產(chǎn)生銹點?！?這是由于鋼筋銹蝕是一個電化學過程，因此銹蝕主要取決于氧氣通過混凝土保護層向鋼筋表面的陰極的擴散速度，而這種擴散速度主要取決于混凝土的密實度?！?裂縫的出現(xiàn)僅是使裂縫處鋼筋局部脫鈍，使銹蝕過程得以開始，但它對銹蝕速度不起控制作用?！?因此，防止鋼筋銹蝕最重要的措施是在增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度。,,11.５ 混凝土結構的耐久

43、性,鋼筋銹蝕引起混凝土結構損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴重銹蝕時，會導致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導致混凝土保護層脫落，習稱“暴筋”，從而導致截面承載力下降，直至最終引起結構破壞。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,鋼筋銹蝕引起混凝土結構損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形

44、成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴重銹蝕時，會導致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導致混凝土保護層脫落，習稱“暴筋”，從而導致截面承載力下降，直至最終引起結構破壞。,面積減小屈服強度降低粘結力降低,,11.５ 混凝土結構的耐久性,鋼筋銹蝕引起混凝土結構損傷過程如下，首先在裂縫寬度較大處發(fā)生個別點的“坑蝕”，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”，同時向裂縫兩邊擴展，形成銹蝕面，使鋼筋有效面積減小。嚴重銹蝕時，會導致沿鋼筋長度出現(xiàn)縱向裂縫，甚至導致混凝土保護

45、層脫落，習稱“暴筋”，從而導致截面承載力下降，直至最終引起結構破壞。,除增加混凝土的密實度和保護層厚度外，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋等措施來防止鋼筋的銹蝕。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,二、結構工作環(huán)境類別,◆混凝土結構的耐久性與結構工作的環(huán)境有密切關系?！敉唤Y構在強腐蝕環(huán)境中要比一般大氣環(huán)境中的使用壽命短?！魧τ诓煌h(huán)境，可以采取不同措施來保證結構使用壽命?！羧缭趷毫迎h(huán)境，一味增加混凝土保護層是不經(jīng)濟的，效果也不一定

46、好?？稍跇嫾砻娌捎梅雷o涂層。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,三、耐久性極限狀態(tài)與耐久性設計,◆ 混凝土結構的耐久性極限狀態(tài)，是指經(jīng)過一定使用年限后，結構或結構某一部分達到或超過某種特定狀態(tài)，以致結構不能滿足預定功能的要求?！?但經(jīng)過簡單修補、維修，費用不大，可恢復使用要求的情況，可以認為沒有達到耐久性極限狀態(tài)?！?只有當嚴重超出正常維修費允許范圍時，結構的使用壽命才終止。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,三、耐久性極限狀態(tài)

47、與耐久性設計,[1] 對于不允許鋼筋銹蝕的構件和環(huán)境，混凝土保護層完全碳化，即鋼筋脫鈍的時間T1。不允許鋼筋銹蝕的構件和環(huán)境有：預應力混凝土構件；低溫環(huán)境；反復荷載作用；塑性鉸區(qū)；采用鋼絲作主要受力鋼筋的構件；重要的、有紀念性的建筑物。[2] 鋼筋銹蝕后截面損失率達到某一值T2 ，如1~5%，可依耐久性等級而定。該極限狀態(tài)可為一般混凝土結構采用，因為鋼筋從脫鈍到喪失承載力還有相當長的時間，鋼筋截面損失1~5%對結構承載力的影響還不

48、是很嚴重。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[3] 結構或構件的可靠指標降低到某一允許值T3。隨著時間的推移，因荷載的作用、環(huán)境變化引起的材料老化、損傷，結構材料的性能逐漸下降，結構可靠度隨時間逐漸降低，失效概率逐漸增大。當可靠指標降低到不可接受的程度時，則認為達到了耐久性極限狀態(tài)。但結構經(jīng)過維修，其可靠度將提高。[4] 徐變位移達到某一限值。徐變是混凝土的一項性質，有些結構甚至是重大結構因徐變過大而發(fā)生破壞，這也可認為是一種

49、耐久性破壞。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,◆ 對結構壽命的計算還是一個很困難的問題，目前主要對基于混凝土碳化和鋼筋銹蝕所需要時間的計算?！?T1為混凝土保護層完全碳化所需要的時間，若不容許鋼筋銹蝕，則T1即為結構壽命；◆ 若允許鋼筋有一定量的銹蝕，則可取開始出現(xiàn)沿鋼筋產(chǎn)生縱向裂縫的時間T1+T2作為結構壽命；◆ 若允許結構承載力開始下降，則可取結構壽命T1+T2+T3。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,四、保證耐久性的措

50、施,[1] 最小保護層厚度：◆ 為保證耐久性和鋼筋的粘結力，對一、二、三類環(huán)境一般建筑結構（設計工作壽命50年），《規(guī)范》規(guī)定了最小混凝土保護層厚度?！?對四、五類環(huán)境種的建筑結構，應按專門規(guī)定考慮?！?當對結構設計工作壽命有更高要求時（100年），混凝土保護層厚度應將表5-1的數(shù)值乘以1.4或采用表面防護，定期維修等措施。[2] 混凝土的要求：◆ 耐久性的另一個重要方面是混凝土密實性，因為密實性好對延緩混凝土的碳化和鋼

51、筋銹蝕有很大作用?！?提高混凝土密實性主要是減小水灰比和保證水泥用量?！?若混凝土種氯離子含量過大，則會對鋼筋銹蝕有惡劣影響。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[3] 裂縫控制：裂縫的出現(xiàn)加快了混凝土的碳化，也是使鋼筋開始銹蝕的主要條件。為保證混凝土結構的耐久性，必須對裂縫進行控制。《規(guī)范》根據(jù)結構構件所處環(huán)境類別，鋼筋種類對腐蝕的敏感性，以及荷載作用時間，將裂縫控制分為三個等級：一級：嚴格要求

52、不出現(xiàn)裂縫的構件；按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應產(chǎn)生拉應力。二級：一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件；按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不應大于混凝土抗拉強度標準值；而按荷載準永久組合計算時，構件受拉邊緣混凝土不宜出現(xiàn)拉應力，有可靠經(jīng)驗時可適當放松；三級：允許出現(xiàn)裂縫的構件；按荷載標準組合并考慮長期作用影響計算時，構件的最大裂縫寬度應滿足表11-6規(guī)定的限值。,,11.５ 混凝土結構的耐久性,[4] 其他措施◆ 對于結