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1、第1章 绪论1.1 研究背景和意义1.1.1 研究背景一直以来,人们都承认耐久性材料包含钢筋混凝土结构,所以大多数的建筑工程都忽略了耐久性问题,注意力都放在强度上,最终就导致混凝土结构耐久性从根本上就有缺点瑕疵。另外,有关的管理部门只重视钢筋混凝土结构的建设,忽略了后期的维护和修缮,导致大量混凝土结构出现裂缝、锈蚀、材料老化等现象。中国建筑科学研究院的调查表明,大部分建筑物使用寿命远远达不到设计年限1。如果不及时发现钢筋混凝土结构中出现的问题,很大可能会危及到人们的生命、财产安全,甚至会给国家造成巨大的损失。例如银川某体育馆工程发生局部坍塌,致使9人当场死亡8人不同程度的受伤;陕西省西安市某科
2、技公司7层办公楼瞬间倒塌,事故造成12人当场死亡,5人不同程度的受伤。然而,影响钢筋混凝土结构耐久性的因素很多,并且各个因素之间相互作用、彼此影响,但是目前我国的检测技术水平不高,关于钢筋混凝土结构失效的原因尚不能得出准确而又完整的结论。另一方面我们评定针对钢筋混凝土结构的失效程度也没有一个权威的标准,和各种影响因素之间没有具体的关系,所以很难精确地进行描述。从而也就变成了技术人员研究过程中到现在还无法突破的难题,如何加强钢筋混凝土结构的耐久性,延长使用寿命,是如今面临的一个非常艰巨的任务。1.1.2 研究意义钢筋混凝土结构的应用范围非常广,造价非常实惠,成本很低,另外他又结合了混凝土和钢筋两
3、者的优点,所以钢筋混凝土成为目前建筑土木工程优选的材料。钢筋混凝土结构的耐久性就是在环境、材料、荷载水平等因素的作用下,在设计要求的目标使用寿命内,不用花大量的资金来修缮维护从而保持它的安全、使用功能和外观要求的能力2。钢筋混凝土结构具备的基本条件中最薄弱的一点就是耐久性,钢筋混凝土结构的使用寿命是由耐久性的优劣决定的。 因为长时间以来人们都把钢筋混凝土认为是一种耐久性的材料,从始至终没有在意钢筋混凝土结构的耐久性问题。在使用过程中只注重低成本高回报。虽然后来很多的国家逐渐重视起来钢筋混凝土结构的耐久性,要求在建筑过程中必须具有耐久性这一基本条件,但是都没有明确写在文本条例中,直到20世纪60
4、年代一些发达国家发现,在40年代后建造的土木工程都出现了裂缝、坍塌,甚至更严重的破坏。钢筋混凝土结构的耐久性研究具有非常重要的作用,首先对之前的钢筋混凝土工程进行耐久性检查,对已经出现的一些耐久性问题提出合理化的改善措施;其次为未来的钢筋混凝土工程奠定基础,防患于未然,对影响钢筋混凝土结构耐久性的因素提前做好准备,因此提高工程的施工质量,必然会给社会生活以及国民经济带来更有利的影响。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状人类开始使用混凝土建造土木工程是在波特兰水泥发明出来之后,钢筋混凝土耐久性问题层出不穷,逐渐暴露的问题越来越多。最开始是为了了解海上建筑工程当中混凝土的腐蚀情况才进行的
5、混凝土研究。波特兰水泥最开始被用于建造防洪堤、海上码头等,这些建筑物长时间被海浪冲击、泥沙磨损,耐久性失效问题非常严重。后来当第一批钢筋混凝土被用在工业建筑方面上,相关专业领域的专家开始思考是否在大气环境中的一些化学活性物质的侵蚀下钢筋混凝土还能正常使用,包括其耐久性的问题。29世纪19年代末期,钢筋混凝土结构被大量用于工业建筑当中,暴露的耐久性问题各种各样,类型不一,这一现象引起广大学者对耐久性问题进行有价值的针对性研究。ElMaaddawy制作钢筋混凝土梁,4组钢筋混凝土梁不承受荷载、另外的4组受到60%荷载(4 点弯曲)的限制,因此钢筋混凝土构件受到荷载的压力时会对其长期性能产生什么样的
6、影响?通过研究显示:当钢筋质量的损失 20%时,两个类型的梁的锈蚀量大致相同。试验结果表明:承受荷载的水平对钢筋混凝土构件中钢筋的总体锈蚀率没有影响3。2012年,苏联学者AA Bekov和BM Moskowwen开始研究钢筋在混凝土中的锈蚀问题,得出了解决混凝土保护层最薄壁结构中的抗腐蚀性和高强度问题的方法4。1.2.2 国内研究现状何世钦对一系列钢筋混凝土梁施加 4 点弯曲持续荷载,并采用 3.5%盐水加速腐蚀,分别用理论计算和实测方法确定梁中纵向受拉钢筋最终锈蚀率,通过对持续荷载作用下锈蚀梁、加载后卸载锈蚀梁、持续加载不锈蚀梁和未施加荷载参考梁的对比试验,研究不同荷载作用对钢筋混凝土梁中
7、钢筋锈蚀及梁变形性能和剩余承载力的影响5。研究结论显示:当荷载效应增加,钢筋腐蚀的速率也随之加快,另外,荷载梁连续施加,钢筋的腐蚀面积也不断扩大,并且不均匀的现象也会愈加突出,因此荷载越大对钢筋的腐蚀就越严重张俊芝采用钢筋混凝土梁,控制荷载量为混凝土理论极限承载力的15%进 行2点加载在人工模拟气候环境(5%的盐雾加速腐蚀)试验室,模拟计算了受压区的混凝土中氯离子的扩散系数,预测了钢筋混凝土梁中钢筋的初始锈蚀时间,并对比分析了在相同环境因素、相同配合比、相同腐蚀时间下的无荷载作用时和荷载作用下的混凝土氯离子的扩散系数,研究了荷载因素对钢筋初始锈蚀时间的影响6。结果表明:在保护层厚度都一致的情况
8、下,混凝土中钢筋腐蚀的速度会随着压力的增大而加快;在表面压力都一致的情况下,混凝土中钢筋的腐蚀速度会随着保护层的加厚而减慢。2015年牛狄涛对混凝土结构耐久性与寿命预测,结果表明我国相关规范条例在考虑混凝土结构耐久性时缺乏在一定时间内的变化情况,与混凝土结构耐久性及使用寿命的实际情况不符7。2013年付静对钢筋混凝土桥梁耐久性进行分析研究,结果表明大多数桥梁在3-10年内即开始出现钢筋锈蚀、表面裂缝、混凝土碳化等病害,降低了桥梁的承载能力,缩短了桥梁的使用寿命8。2014年周履对桥梁耐久性发展的历史与现状进行研究并提出两点建议:在旧桥的修复及老化问题上进一步克服;在确定新建桥梁方案时,将使用周
9、期费用作为经济比较的重要依据9。1.3 研究内容和方法1.3.1 研究内容章节中的具体阐述是按照下面思路进行的:第一部分是绪论,主要包含的内容有钢筋混凝土结构耐久性的研究背景和意义,国内外研究现状以及研究内容和方法。第二部分是钢筋混凝土结构耐久性相关理论,详细的分析了钢筋混凝土结构耐久性,归纳内容为耐久性的定义及其特点、钢筋混凝土结构的特性以及它出现的问题特点和对结构的评定。 第三部分是剖析对钢筋混凝土耐久性造成影响的因素,分别从环境、材料、施工三个方面进行分析,深入研究了各方面对钢筋混凝土结构耐久性的影响。第四部分是改进措施,根据上述章节对钢筋混凝土结构耐久性影响因素的分析,提出一系列切实可
10、行的优化措施。第五部分是对整篇论文的总结。1.3.2 研究方法主要运用的研究方法是:文献调查法。在写论文之前去图书馆查阅大量的资料,互联网在线阅读、购买相关知识书籍等方式已经查找了很多关于钢筋混凝土结构耐久性的资料,对目前钢筋混凝土结构耐久性的现状有了一定的了解,从而针对此现状分析影响因素并制定相应措施。综合研究法。针对可能出现的耐久性问题,从环境、材料、施工方面入手,理论结合实际,分析影响钢筋混凝土结构耐久性的因素,并列出可行性的优化措施。第2章 相关理论综述2.1 耐久性的定义对于耐久性的定义不能一概而论,它关系到研究的内容以及影响因素,本文对于耐久性研究的前提是钢筋混凝土结构10。因此以
11、此前提作为基础,本文在提出定义之前,对于耐久性定义的全面了解了国内外研究的最新进展,因此通过整理给出的定义为:结构的耐久性是指结构在指定的使用年限内,在外界环境因素作用下保持其性能的能力11。耐久性是作为钢筋混凝土结构最基本的一个条件,实践表明使用时间越长,筋混凝土结构的耐久性越好,但是人们思想不够足够的对其重视。关于钢筋混凝土结构耐久性的影响因素有很多,通过大量的实践数据和相关资料得出:钢筋混凝土耐久性的影响因素可从两个方面进行分析,一方面从外部因素来说,外部因素主要指环境因素,它包括气温的冷热、空气的干湿、冻融破坏甚至化学介质的侵蚀破坏,另一方面的内部因素来讲,它主要包括其结构的设计类型、
12、钢筋外部防护层的厚度以及直径的大小、选用的水泥类型和骨料的配比、混凝土中水和灰的占比等。这些因素对结构使用性能和安全性能的影响,构成了结构耐久性问题12。2.2 耐久性的特点(1)结构的寿命是耐久性的核心。(2)避免出现误导性因素。(3)经济问题是直接导致耐久性优劣的关键因素。所以不可避免的就会涉及结构的维修成本、建设成本,只有把这两个因素提前做好规划才能保证对结构耐久性做出客观公正全面的评价。2.3 钢筋混凝土结构耐久性问题特点清华大学陈肇元院士曾撰文指出:“建筑物的耐久性是建筑物及其构件在给定的期限内并在各种作用下维持其功能的能力” 13。国际标准结构可靠性总原则中也明确指出:“结构与结构
13、构件的耐久性是指其在工作寿命期内,在适当的维护条件下在其所处环境中保持正常工作的能力” 14。以下三个特征是钢筋混凝土结构耐久性最显著的:(1)大多数钢筋混凝土结构都需要几年甚至几十年的时间,造成损坏的速度非常缓慢。(2)绝大多数结构耐久性问题并不是单一因素作用的结果。例如海洋当中的混凝土工程,有混凝土不断地碳化、钢筋在荷载作用下缓慢的腐蚀,还有海洋当中氯离子日积月累的侵蚀和冻融破坏,还包括海水、海沙的冲击和磨损,甚至海洋当中生物的侵蚀等问题。(3)绝大部分都是从钢筋混凝土结构表面开始损坏的,因此,在混凝土结构耐久性的研究中, “皮肤病” 成为业界另一研究方向。2.4 钢筋混凝土结构耐久性评定
14、钢筋混凝土结构的耐久性评定是通过实地考察收集大量数据、图片等进行研究分析,应用符合实际的方法,最后确定未来结构的耐久性。但是钢筋混凝土结构不是只受单个方面的影响,是各种复杂因素综合作用下的结果,因此必须针对多种因素共同综合评估分析。 由于当前研究水平的限制,关于结构耐久性的评定方法做了简单总结,主要包括如下:基于部件耐久性损伤权重的耐久性评估、基于模糊综合评估的耐久性评估、基于可靠度的可靠性评估、以及多级灰色评估。中国的钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定标准根据部件的剩余寿命和目标寿命相对比给出了各种结构耐久性等级标准。曾给出各种结构耐久性评定等级标准,按构件剩余寿命和目标使用年限之比分级。在19
15、86 年的日本工程建筑学会编制的混凝土结构设计、施工、维护耐久性指南中,针对不同类型建筑物和结构建立了目标耐久性等级。与此同时我国相关领域的学者也提出了各种不同类型的评估方法。如改进的三级模糊综合评判方法、层次分析法(AHP 法)等。第3章 钢筋混凝土结构耐久性的影响因素本章节从环境、材料和施工这三方面分析了钢筋混凝土结构耐久性的影响因素。其中冻融破坏和碱骨料反应破坏是环境方面的主要影响因素;钢筋的腐蚀、混凝土的裂缝和碳化是材料方面的重要影响因素;施工方面主要是技术水平和管理水平的限制,以下主要对这三个方面进行分析。3.1 环境方面的影响3.1.1 混凝土冻融破坏冻融破坏对钢筋混凝土结构耐久性
16、产生了间接性的巨大影响。继续研究发现,混凝土表面上微孔隙中的水是致使混凝土冻融破坏的开始。它本身就是一个表面有很多孔隙的复合性材料,外部有水就会随着孔隙进入混凝土内部,当外部环境温度低于0摄氏度时,渗透进混凝土内部的水将冻结,进而使混凝土的体积膨胀增大。微孔隙体积变大,孔隙外壁就会受到压力变形。温度升高,微孔隙中的冰融化以后,就可能使孔隙外壁产生拉应力,反复冻融,就会产生微小的裂缝,时间越长就会使混凝土开裂,甚至导致更严重的后果。钢筋混凝土结构在出现冻融破坏时,通常会有两个主要表现形式,一个是产生裂缝,另一个是剥落。裂缝主要是水随着混凝土表面无数个小孔隙进入混凝土内部,温度很低导致水结冰,混凝
17、土的小孔隙就会被撑大,导致出现裂缝。剥落主要是用食盐给建筑工程除冰时,混凝土表面会发生物理反应,产生鱼鳞状的片状突起,时间一长就会脱落。所以在严寒地区评估混凝土结构耐久性最重要的指标之一就是冻融破坏。3.1.2 碱骨料反应破坏碱骨料反应是指在搅拌水泥、外加剂和水等这些掺合料时,他们当中含有一些渗入混凝土空隙中的可溶性碱,并且在混凝土硬化后,与骨料中的碱逐渐发生的一种反应15。(1)碱骨料反应机理 进而产生裂缝。该反应也是碱骨料反应当中最重要的表现形式。存在于骨料之中的一些活性碱与白云石结合发生化学反应,这种反应就是指碱碳酸盐反应。在反应当中吸取充足的水分,在吸收水分的同时增加混凝土的体积,从而
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