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城市基础设施耐久性研究前沿报告
作者:   时间:2014年06月30日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
 

(杜修力,北京工业大学)

1.1 研究背景及意义

混凝土结构的耐久性是指结构在正常设计、施工、使用和维护条件下,在规定的时间内,由于结构性能随时间的劣化,但仍能满足预定功能的能力。结构耐久性还可以定义为结构在化学、生物或其它不利因素的作用下,在预定的时间内,其材料性能的劣化不致结构出现不可接受的失效概率,或指结构在设计要求的目标使用期内,不需要加固处理而能保证其安全性和适用性的能力[1]。混凝土结构是地上与地下建筑物结构中最主要的结构形式,随着城市化进程的高速发展,地面空间日益陷入拥挤局面,有效利用地下空间已经成为城市发展的重要战略方针。如北京市的地下空间包括地铁、地下公路、地下人行过道街、地下停车场、地下管线、地下商业服务设施及地下人防设施等。目前北京共有地下空间20749处,面积1865万平方米,到2020年,北京市的地下空间更是将达9000万平方米。地上结构因直观可见,便于检测、监控和分析,其耐久性的研究开展较深入。但是,地下结构与复杂的岩土地质条件紧密联系,其耐久性状况难以观测和试验,因此目前仍缺乏对地下混凝土结构耐久性的系统性研究。地上与地下建筑物结构耐久性的异同点可以做如下概括[2]

1)地上与地下建筑物结构耐久性的相同点

a.两者使用的工程材料相同,都是以钢筋和混凝土为主要构筑材料,在材料和构件层次的耐久性研究方面有相似的地方。

b.在耐久性的研究思路、方法和手段上,地下结构可借鉴地面结构的众多成功经验,比如按耐久性影响因素分类进行单一或综合分析,以及按抗力衰减规律或试验回归建立数学模型的思路等。还可以借鉴随机概率的方法、可靠性原理、神经网络预测法和专家系统等进行研究分析。

c.在分析相同的影响因素时,其对地面结构与地下结构的耐久性破坏机理是相同的,比如考虑化学作用时的碳化机理或氯离子电化学腐蚀原理等,以及混凝土收缩、温度应力产生裂缝,冻融循环破坏原理等都是相同的。

2)地上与地下建筑物结构耐久性的不同点

a.地面结构主要与空气介质接触,其环境影响主要取决于空气中CO2及其他侵蚀性物质含量;而地下结构由于处在地下条件中,含水丰富时,不可避免存在地下水压力及其渗透问题,同时水体中还将传输各种侵蚀性物质;

b.地下结构埋于岩体中,其承受周围岩土应力及外荷载作用的特点及应力状态受多种不确定性因素影响而存在不稳定性变化的特点也是明显不同于地面结构的。应力状态将影响结构内力及孔隙率,从而影响渗透性和耐久性;

c.地下结构由于沿线及纵向岩土介质的不均质性和固结特性,以及运营期的外部不同步荷载或邻近施工影响,可能的复杂地质运动及地应力重分布等,都将造成结构物的不均匀沉降而致可能产生裂缝,裂纹同时也可使钢筋混凝土腐蚀进一步加剧;

d.地下结构由于必须在复杂地下条件中修建,面临各种困难,因此施工工艺及质量问题对地下结构耐久性影响的研究将是不可回避的。

据统计,世界各地由于混凝土的耐久性问题造成了巨大的经济损失[3-5]。美国的混凝土工程价值约为60000亿美元,而每年用于维修或重建的费用高达3000亿美元;英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达200亿英镑;日本每年仅用于房屋结构维修的费用就达400亿日元以上。美国国家材料顾问委员会报道:大约235000座混凝土桥梁的桥面板,部分使用不到20年就产生不同程度的破坏,而且每年还将增加35000座劣化。GerwickKhannaShayanQuick等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现象[6]

国内也存在混凝土结构耐久性过早劣化的问题。据统计:北京地铁在投入运营几年后就出现隧道内部水管腐蚀穿孔等问题[7],大型的水管迸裂事故平均约每4天就有1起。北京西直门立交桥,建成不到二十年,多处出现严重的病害,加上交通流量的限制,不得不拆除重建;京石公路在建成后35年出现裂缝;北京大北窑立交桥建成后仅使用10年就不得不拆掉[8]。南京水科院曾对宁波北仑港10万吨级矿石码头进行过调查,发现该码头使用不到10年,其前承台板有50%左右就发生了严重的锈蚀破坏[9]。惠州港1992年所建3.5万吨级油码头,到1999年发现纵梁混凝土保护层严重剥落,钢筋大部分锈蚀、外露,不得不于2001年末停产3个月进行大修,龄期仅8年。2001年河海大学对某港西大堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查发现,该工程虽使用不到四年,但已出现严重的钢筋锈蚀、保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断现象[9]。铁路隧道1997年调查,发生裂损数量约占当年隧道总量的10%,初衬漏水严重,受腐蚀而裂损数量占13.2%2003年,铁路秋季检查发现,失格隧道占隧道总量的65.5%,严重漏水1763座,严重腐蚀隧道1948座。

地下基础设施耐久性不良导致其维护周期和使用寿命缩短,严重时还会威胁人民群众的生命财产安全。同时由于经验上的不足及相关基础理论研究的欠缺,完全照搬地面或水工结构耐久性的理论与方法又明显存在差异,因而目前对该类课题加紧立项、开展深入而系统的研究显得尤为重要。因此,地下基础设施的耐久性问题急需解决。

1.2 国内外混凝土耐久性研究现状

混凝土结构耐久性一直是各国关注的问题,影响混凝土结构耐久性的主要因素有[9]:冻融循环、碳化、钢筋腐蚀、化学腐蚀、海水侵蚀和应力耦合破坏等。针对这些影响混凝土耐久性的主要因素,国内外学者用不同的方法对混凝土结构耐久性进行了大量的研究,并取得了丰硕的成果。

1.2.1 国外混凝土耐久性研究现状

20世纪初,混凝土结构的耐久性问题就已经成为国际学术机构或国际学术会议讨论的重要课题之一。国际材料于结构实验学会(RILEM)于1960年专门成立了混凝土中钢筋锈蚀技术委员会,并设立了混凝土结构损伤等级评定工作小组104—DCC”1957年美国混凝土协会ACI专门成立了混凝土耐久性委员会ACI2011992ACI201委员会编制了耐久性混凝土指南1988年日本土木学会混凝土委员会成立耐久性设计委员会,提出耐久性设计基本方法指南。此后美国和欧洲发达国家对混凝土耐久性问题开展了大规模研究,出版了多种指南、标准、报告和论文集,促进了混凝土结构耐久性水平的提高。

1.2.2 国内混凝土耐久性研究现状

我国混凝土结构设计长期沿用按强度设计混凝土结构的传统模式,对混凝土结构耐久性研究相对滞后,从20世纪80年代才开始重视混凝土结构的耐久性问题。1991年在全国钢筋混凝土标准技术委员会的提议下成立了混凝土结构耐久性学组。建设部把混凝土耐久性及耐久性设计作为八五科技攻关项目,由清华大学和中国建筑科学研究院承担[10]1994年,国家基础性研究重大项目(攀登计划B)重大土木与水利安全性与耐久性的基础研究的正式立项,促进了我国在腐蚀钢筋混凝土结构耐久性研究方面的迅速发展,现已取得了大量的基础性研究成果。中国工程院土木水利建筑学部于2000年立项启动了工程结构的安全性与耐久性的咨询项目。九五期间设立了重点工程混凝土安全性研究国家重点科技攻关项目,十五期间设立了新型高性能混凝土及其耐久性的研究国家重点科技攻关项目,出版了大量的研究报告和专著,整体提高了我国的研究水平 [345811]。铁道部门 [12-15]则重点针对铁路混凝土耐久性进行了研究编写了《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》、《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》、《铁路混凝土工程施工技术指南》、《客运专线高性能混凝土技术条件》等针对铁路建设混凝土结构耐久性相关技术标准和指南。2008年住建部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了由清华大学主编和建科院的单位和大学参编的《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476),规范全面的总结了我国近年来的工程实践经验并借鉴了现行的国际标准。该规范对混凝土结构耐久性设计的基本原则、环境作用类别和等级的划分、设计使用年限、混凝土材料的基本要求、有关的结构构造措施以及一般环境、冻融环境、氯化物环境和化学腐蚀环境下的耐久性方法进行了详细规定。同时,该规范也指出,混凝土结构耐久性的问题十分复杂,不仅环境作用本身多变,带有很大的不确定性和不确知性,而且结构材料在环境作用下的劣化机理也有诸多问题有待进一步明确。我国幅员辽阔,各地环境条件与混凝土原材料均存在很大差异,应充分考虑当地的实际情况。

1.3 地下工程混凝土结构耐久性研究现状及存在的问题

美国、法国和德国等上世纪六十年代以来为提高燃料贮藏库、地下管线、停车场的耐久性而进行了系列的研究工作,主要在材料性能和构造措施方面[16-18];日本于1994年研究了地下混凝土结构的水密性耐久性评价模式[19];英国、台湾近年来对于地下水对地下工程结构的腐蚀性也做了部分研究工作[2021]Lomax等于2002年发表了阴极保护系统防治氯离子腐蚀地下蓄水池钢筋混凝土结构的研究成果[22]Mogilevskaya等早年曾对土体流变影响地下连续墙稳定性及耐久性的方式进行了初步研究[23]Escalante对土壤中钢筋腐蚀进行了测试研究[24];在地下侵蚀性环境中混凝土材料耐久性试验方面,美、英、韩等国也做了相应的研究工作[25-27];日本曾建立雨水渗流系统,对地下管线、U型沟、路基等的渗透性进行了近20年的观察研究[28]。在国内,关宝树、高波[29]曾总结日本在隧道剩余寿命研究中引入健全度的概念及方法,以及美国在工程结构损伤评估中引入结构损伤度的概念,并指出其优点与不足;李永和对采矿工程中的钢锚杆材料建立了锈蚀量的估算公式[30];全国土壤腐蚀网站[31]60年代初在全国不同地区埋设硅酸盐钢筋混凝土试件,30余年后发现腐蚀严重,结论是硅酸盐材料在地下的耐久性及耐腐蚀性能较差。造成地下工程钢筋混凝土过早劣化的主要原因是钢筋锈蚀及化学侵蚀作用,氯离子是造成钢筋锈蚀的主要原因之一,所以对钢筋混凝土氯离子渗透性的研究有着极其重要的意义。而化学侵蚀造成混凝土内部结构的破坏,往往能够加速氯离子的扩散,研究混凝土氯离子渗透性的同时,对混凝土的化学侵蚀(特别是硫酸盐、镁盐的破坏)对混凝土氯离子渗透性影响的研究同样重要。

1.3.1 地下工程混凝土材料的渗透性研究现状

地下工程结构混凝土所受的侵蚀较为复杂,而外部环境又无法改变,因此要改善地下工程结构混凝土的耐久性必须从减少混凝土的内部缺陷和改善其组成材料着手。混凝土的渗透性标志着水和侵蚀性离子在混凝土中渗透传输的难易程度,与混凝土的耐久性有着密切的关系,提高混凝土抗渗性是改善其耐久性的关键。自20世纪80年代,人们开始对混凝土抗渗性能进行重点研究,在服役期间的混凝土,尤其是地下结构的混凝土,其抗渗性能是始终变化的,与龄期、浆体水化程度、外界环境的侵蚀等因素环环相扣,与微裂纹的延伸扩展更是密切相关。正是因为涉及的影响因素太多,试验耗功耗时,因此,目前人们在这方面获得的研究成果还远远不能令人满意。

1)抗渗性测试方法

对于混凝土抗渗性的测试评价,早期的试验方法是依据流体力学中的达西定律,将混凝土视为多孔固体材料,用水的渗透系数来评价混凝土的抗渗性,即传统的水压力试验法。近年来越来越引起人们重视的有抗氯离子渗透试验法,以及气体渗透性试验法等。气体渗透法比较适合在现场测试,在我国应用相对较少,实验室测试以前两种为主。

传统的水压力试验法又分为稳定流动法、渗透深度法和抗渗标号法。三种方法各有优缺点:1)稳定流动法测量压力液体流过混凝土的流量、流速,适用于研究具有较高渗透性和强度不高的混凝土。2)渗透深度法测量压力液体穿透混凝土的深度,适用于研究具有低渗透性的混凝土。3)抗渗标号方法的特点是简单,适合工程上评价混凝土抗渗性能,但对于科学研究,该方法获得的数据不够精确。

随着混凝土材料和施工技术的发展,混凝土的抗渗性能大大提高,渗透系数的测试方法已不能满足工程和科研的需要。同时,由于要求对混凝土抵抗各种有害离子侵蚀的能力做出评价,产生出许多测试混凝土抗氯离子渗透性的方法。目前,测试混凝土氯离子渗透性的方法以外加电场加速扩散法为主,主要有:混凝土电通量法、快速氯离子迁移系数法(RCM法)、饱盐混凝土电导率法(NEL法)和Permit法。

混凝土电通量法最早被称为快速氯离子渗透试验法,也被称为直流电量法。这一方法于1987年被定为美国公路运输局标准试验方法,即AASHTO T-277[32],随后又被美国试验与材料协会制定的标准试验方法所采用,即ASTM C-1202[33]。我国于2009年将这一方法纳入普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)。混凝土电通量法的试验原理是,在直流电压作用下,氯离子会加速通过混凝土试件向正极方向移动,依据在规定时间内通过混凝土试件的电量高低来快速评价混凝土抗氯离子渗透的能力。该方法存在的问题之一是在长时间电压作用下溶液产生热量,实验数据受到干扰。快速氯离子迁移系数法,又称RCM法,就是通过外加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移过程,结合化学分析,计算得到氯离子在混凝土中非稳态迁移的扩散系数,从而确定混凝土抗氯离子渗透的性能。

英国贝尔法斯特女王大学的研究者开发了两种检测实体结构混凝土的渗透性的方法(PermitAutoclam)。其中Permit法是基于氯离子在电场作用下的迁移机理[34]。这是世界上唯一进入实用化的测量结构混凝土的氯离子渗透性的方法。英国科学家在开发这种方法时,主要基于英国的混凝土材料,使用纯硅酸盐水泥,没有涉及中国现在大量使用的矿物掺合料,结果处理公式中的经验常数只适用于英国的原材料和配合比。由于Permit法具有诸多优点,我国也有学者开始对其进行试验研究,阎培渝、杨进波研究了用该法对混凝土保护层抗氯离子渗透性进行现场测试的研究,为该法的使用提供了一些建议[35]

2)材料组分与配合比的影响

在矿物掺合料对混凝土抗渗性能的影响研究中,粉煤灰、矿渣和硅灰是被研究得最多的掺合料。关于掺加上述矿物掺合料能有效提高混凝土抗渗性能的文献很多,这一观点在世界范围内得到了广泛认可。除粉煤灰、矿渣等矿物掺合料外,还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。如Parviz等研究了聚丙烯纤维对混凝土抗渗性影响,认为混凝土渗透性不会受到合成纤维的影响[36]。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响,视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定,如果水养护不当则膨胀剂有可能产生负面作用。

3)荷载作用下混凝土抗渗性能研究现状

近年来研究人员逐步开展了荷载分别与碳化、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀和冻融循环共同作用下混凝土耐久性。

静载荷下微裂纹扩展对混凝土抗渗性的影响在定性分析荷载与变形作用对混凝土抗渗性能的影响机理方面。一般认为:在所施加的荷载不超过极限荷载的30%之前,粘结裂纹的增量可以忽略不计。如果荷载进一步增加,粘结裂纹在宽度和长度方面都将随之增加。荷载达到70%90%极限荷载时,在砂浆内部的微裂纹已经发展延伸,开始连接粘结裂纹:如果是高强混凝土,此时在骨料中也已经开始产生微裂纹:这样就在混凝土内部形成了一个复杂的裂纹网络[3738]。但是事实上实验结论与工程结果相差甚远。SamahaHover认为,当压缩静荷载值小于75%极限荷载时,荷载引起的微裂纹对混凝土的输送性能的影响不大[39]。当荷载超出此值后,混凝土对水流及离子运动的抵抗能力减小20%左右。LudirdjaBergerYoung进行了加载及渗透性试验来评价外荷载造成的混凝土内部损伤[40]。在对试件进行水渗透性试验之前,试件受到90%极限荷载作用,结果表明虽然此时已经在混凝土内部产生了显著的微裂纹,但水渗透性的增加值却不高。Kermaini[41]对三种配合比的圆柱体试件在应力水平S=00.30.40.50.60.7的情况下进行了压缩试验,施压时持荷五分钟,然后对试件进行压力水渗透试验,结果发现在应力水平为0.4时,混凝土的渗透性最小,应力水平超过0.4,混凝土渗透性急剧增加,当应力水平从0.4变化到0.7时,渗透系数从小于4×10-13变化到大于5×10-11 m·s-1。上述研究结论之所以相差如此悬殊,试验条件的不同是一个重要原因。不同的荷载形式对抗渗性能的影响是不同的。

在国外,法国学者Castel等对承受正常使用荷载钢筋混凝土构件进行了长达13年的试验,建立了碳化深度与应力之间的关系[42]Andrade.C等采用加速腐蚀的办法,研究了钢筋间距、钢筋搭接与腐蚀引起的裂缝宽度、承载力之间的关系[43]Weyers.R.E等研究了弯曲荷载引起的裂缝对氯离子扩散性能的影响[44]。在国内,袁承彬采用受拉杆对试件加载的方法,研究了压应力和拉应力作用下混凝土的碳化特性[45]

1.3.2 硫酸盐侵蚀破坏研究现状

混凝土硫酸盐侵蚀是指水泥水化产物和硫酸盐之间的一系列相互交叉的物理化学过程,这些硫酸盐一些来自于外部侵蚀环境,一些源于混凝土内部,在硫酸盐侵蚀过程中既有化学反应也有物理变化,十分复杂[46]。由于混凝土硫酸盐侵蚀问题的多样性与复杂性,使得人们对有关混凝土硫酸盐侵蚀的许多问题至今仍不完全清楚,不同研究者的观点与结论有很大差别,甚至有些研究者自身的观点与试验结果也不一致[47]

1)硫酸盐侵蚀破坏机理

水泥混凝土硫酸盐侵蚀破坏的过程是,环境中的硫酸盐离子进入混凝土内部,与水泥石中一些固相组分发生化学反应,生成一系列难溶的盐类矿物,这些矿物一方面可形成钙矾石、石膏等膨胀性产物从而引起混凝土的膨胀、开裂、剥落和解体,另一方面也可使硬化水泥石中的C-S-H等有效组分溶出或分解,导致水泥石强度和粘结性能损失。其破坏类型大体有以下三种:钙矾石结晶型、石膏结晶型、硅灰石膏型硫酸盐侵蚀(TSA),其中,TSA侵蚀过程虽然缓慢,但它能直接破坏C-S-H凝胶的胶结能力。另外,有研究表明,通过降低C3A含量制成的抗硫酸盐水泥虽然可以防止钙矾石结晶型侵蚀,但却不能防止硅灰石膏型硫酸盐侵蚀[48]。但是对此也有不同意见,高润东等在三种工况中进行的研究表明,硫酸盐的主要侵蚀产物均为钙矾石,没有检测到明显的石膏型侵蚀和TSA型侵蚀[49]。由此可见,在侵蚀破坏机理方面还缺乏深入全面的系统研究,对破坏产物的形成条件,硫酸盐侵蚀的类型等还有待更准确的研究。

2)硫酸盐侵蚀测试与评价方法

硫酸盐侵蚀的测试与评价方法,主要分为室外检测与室内加速试验两类。室外检测主要是通过对服役混凝土结构某部位的性能进行检查,进而评估该结构的健康状况。目前应用的主要方法有:表面硬度法、超声波测量法、表面波谱分析法等。实验室加速测试是将混凝土试件浸泡于硫酸盐溶液中,通过膨胀率、质量损失率、抗折强度比和干湿循环次数等来判断其抗硫酸盐侵蚀能力。

膨胀率对比法有ASTM C-1012Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution》和ASTM C-452Standard Test Method for Potential Expansion of Portland-Cement Mortars Exposed to Sulfate》。这两种方法都是以混凝土浸泡后的膨胀量作为评价指标,其中前者的适用范围较宽。将膨胀量作为评价指标并不能广泛适用,因为有些类型的硫酸盐侵蚀并不会引起较大的膨胀。

有些学者提出以质量损失率作为评价指标,但在硫酸盐侵蚀初期,生成的水化产物会填充混凝土孔隙,导致重量增大,且在后期,难以确定该去掉破坏到何种程度的浆体和骨料,因而该方法仍存在一定问题[50]

2008年,中国建筑材料联合会提出了《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB749-2008),该方法以浸泡在规定浓度的硫酸盐侵蚀溶液和水中试件养护到规定龄期,以抗折强度之比确定抗硫酸盐侵蚀系数作为评价指标。但是使用该方法对于反映混凝土的抗硫酸盐侵蚀破坏缺乏说服力。同时,也有一些试验方法采用试件抗压强度比或弹性模量比作为评价指标。总体说来,由于在侵蚀破坏初期,侵蚀产物对混凝土内部孔隙有填充作用,短期提高了混凝土的强度,使用强度对比法得到的试验结果与实际不符,故采用混凝土的力学性能来反映其抗硫酸盐侵蚀能力的方法还存在着不足。

2009年,由中国建筑科学研究院主编,参考有关国际标准和国外先进标准修订的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB50082)以能够经受的最大干湿循环次数来表示混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,规定了抗硫酸盐侵蚀试验方法的适用范围、目的、评价指标和所用试件的要求等。评价指标以混凝土抗压强度耐蚀系数下降到不低于75%时的最大干湿循环次数(抗硫酸盐等级)来表示。该方法指出混凝土在硫酸盐环境中,同时耦合干湿循环条件的实际环境经常遇到,硫酸盐侵蚀在耦合干湿循环条件对混凝土的损伤速度较快;当抗压强度耐蚀系数低于75%,混凝土遭受硫酸盐侵蚀损伤就比较严重了。

1.3.3 氯盐环境下地下工程混凝土结构钢筋腐蚀研究现状

在氯盐环境下,因氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀问题尤其引起人们的重视。根据调查资料表明,处于海洋环境下的离岸工程、跨海大桥、海港码头以及北方严寒地区需要撒除冰盐化冰的路桥工程,导致钢筋锈蚀的主要原因是由于氯离子的锈蚀,因此各国学者对此现象进行了深入广泛研究。

研究资料表明,氯离子的侵蚀破坏原理主要是它通过激活钢筋表面铁原子,使其失去电子成阳极,发生电化学反应导致钢筋锈蚀,目前较为公认的氯离子去钝化机理是由Adam NevillePoley等提出的解释[51]:氯离子与氢氧根离子争夺腐蚀产生的铁离子Fe2+形成易溶的FeCl2·4H2O,它从钢筋阳极区向含氧量较高的混凝土孔隙迁移,分解为Fe(OH)2沉积于阳极区周围,同时放出氢离子和氯离子,使它们又回到阳极区,从而使阳极区附近的孔隙液局部酸化,氯离子再带出更多的二价铁离子。新鲜的混凝土是呈碱性的,其pH值一般大于12.5,使钢筋表面形成一层由Fe2O3·nH2OFe3O4·nH2O组成的致密氧化膜,厚度约为26nm,可保护钢筋免以生锈。该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当pH≤11.5时,钝化膜就会处于不稳定状态,当pH≤9.88时,该钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。氯离子是极强的去钝化剂,氯离子进入混凝土达到钢筋表面吸附于局部钝化膜时,可使该处的pH值迅速降低,可使钢筋表面pH值降低到4以下,从而破坏钢筋表面的钝化膜。氯离子本身并不构成腐蚀产物,它在腐蚀过程中不消耗,仅作为促进腐蚀的中间产物,起催化作用。但只有钢筋表面的氯离子必须积累到一定的浓度,即所谓的临界氯离子浓度时,才能够完成这个交换过程。HausmanLambert[52]认为对于Cl-内掺混凝土Cl-/OH-的临界值是0.6,对于Cl-外掺混凝土Cl-/OH-的临界值是3,而一旦达到这一浓度,钢筋表面的钝化膜开始破坏,钢筋开始发生锈蚀并不断地进行下去,因为氯离子再锈蚀过程中不会被消耗。但在不均匀的混凝土中,常表现为局部锈蚀。

施惠生[53]对氯离子含量对混凝土中钢筋锈蚀的影响进行了研究,讨论了氯离子加速钢筋锈蚀速率的机理和出现稳定锈蚀期的原因。王胜先等研究了在氯盐环境下新型阻锈剂对钢筋混凝土阻锈作用的影响,发现新型阻锈剂可以有效的抑制钢筋锈蚀[54]。谢燕等研究了内掺氯离子对钢筋锈蚀的影响及不同材料对氯离子的固化,发现有效铝酸盐含量高的水泥及矿渣、粉煤灰的加入均能提高对氯离子的固化能力,有效降低钢筋锈蚀的危害。何世钦对氯离子侵蚀砼的影响因素进行了试验分析。AVScotta[55]给出了砼水饱和度对氯离子扩散过程影响的函数关系。Stephen[56]建立了砼氯离子扩散系数与温度的关系。Rasheeduzzafar[57]等研究了海洋环境下钢筋锈蚀发展的过程,建立了锈胀开裂时间与混凝土胀裂时钢筋锈蚀量的经验计算式。

对于混凝土结构中钢筋锈蚀量预测计算模型的研究可以分为两大类,即理论模型和经验模型。在理论模型方面有,Bazant基于锈蚀反应物质质量守恒原理、Fick第一扩散定律以及静电化学反应方程针对海洋环境混凝土结构推出了钢筋锈蚀量计算物理模型[58];在钢筋锈蚀过程中考虑扩散浓差极化与OH-扩散浓差极化的刘西拉模型[17];牛荻涛、王林科、王庆霖等人基于电化学理论建立的混凝土保护层开裂前后钢筋锈蚀量的的牛荻涛预测模型[59]等。在经验模型研究方面,国外的Morinaga通过快速锈蚀实验,在考虑氧气浓度、氯离子含量、环境温湿度等参数变化的情况下,建立了因氯盐侵蚀与碳化引起的钢筋锈蚀速率计算经验公式[60];国内的邸小坛等通过实际结构的耐久性调查资料和现场长期暴露实验,提出了以混凝土抗压强度等级、保护层厚度及钢筋直径为主要参数,并根据养护条件、混凝土成分组成和外界环境可加以修正的钢筋截面损失率预测公式[61]

1.3.4 硫酸盐环境下地下工程混凝土结构钢筋腐蚀研究现状

硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性的一项重要内容,同时也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境水侵蚀。近年来,在铁路、公路、矿山和水电工程中都发现了地下水对混凝土结构物的硫酸盐侵蚀破坏问题。土壤的地下水是一种硫酸盐溶液,其浓度超过一定限值时就会对混凝土产生侵蚀作用。在污水处理厂、化纤工业、制盐、制皂业等厂房附近的地下水中,硫酸盐浓度较高,经常发现混凝土结构物的硫酸盐侵蚀破坏现象,越来越引起工程界以及各方面的广泛关注。

硫酸盐侵蚀会导致混凝土膨胀变形及强度、刚度等力学性能降低,并显著地降低结构的承载能力,使结构安全性下降。硫酸盐侵蚀涉及硫酸根离子在混凝土中的传输、离子与混凝土组分之间的化学反应、膨胀变形以及应力导致混凝土损伤破坏等多方面的问题,是混凝土耐久性研究的热点之一。1892年米哈艾利斯发现腐蚀的混凝土中有一种针状晶体,称之为水泥杆菌”[62],这也就是后来所说的钙矾石,他能使硬化的混凝土开裂。随后的100多年里,各国学者对硫酸盐侵蚀进行了大量的研究,积累了丰富的文献资料。美国农垦局、标准局[63]对含硫酸盐水对混凝土的腐蚀破坏行为做了大量的试验室和野外实地试验,得到以下结论:混凝土的密实性和不透水性对混凝土耐久性有重要意义,当混凝土比较密实和硅酸盐水泥熟料中C3A含量不超过5.5%时,才具有较高的抗硫酸盐性。D.G.Millen[64]进行大量实验再次证明:低渗透性和无蜂窝的密实混凝土对耐久性极为重要。Mehta[65]的研究说明,含硅粉混凝土抗硫酸盐的腐蚀较好,但抗硫酸氨腐蚀较差。Dustan[66]研究认为粉煤灰中CaOFe2O3的含量是含粉煤灰混凝土抗硫酸盐性能的主要影响因素。Famatha[67]进行大量实验表明低水胶比由于渗透性降低,推迟了钙矾石反应。Lucialis[68]研究表明含矿渣超细粉的混凝土试件,随着浸泡龄期的增长,抗压、抗腐蚀系数有所提高,说明由于掺入矿渣,提高了抗硫酸盐的性能,抗压强度能适当提高。Jakckey[69]指出硅粉能与铝酸盐反应,明显的降低水泥浆中能与硫酸盐反应生成膨胀性的复盐。

从五十年代开始,我国的一些科研单位和院校如中国建筑材料科学研究院、中国铁道科学研究院和水利水电科学研究院等都曾针对具体工程破坏实例,对混凝土硫酸盐侵蚀问题进行广泛的研究,取得了许多有益的科研成果,并制定了环境水侵蚀判定标准和比较不同水泥抗硫酸盐侵蚀能力的国家标准试验方法。孙伟[70]院士研究表明混凝土在MgSO4溶液中腐蚀,腐蚀溶液中的硫酸根离子和镁离子共同作用导致混凝土产生剥落型破坏;其相对动弹性模量和质量随腐蚀时间先下降、后稳定、最后加速下降。梁咏宁[71]Na2SO4MgSO4溶液中混凝土腐蚀破坏机理进行了研究,结果表明混凝土的硫酸盐腐蚀破坏是一个复杂的物理化学过程,不同种类的硫酸盐溶液中混凝土的破坏机理不尽相同。彭一春[72]研究发现干湿循环的腐蚀速度最快;水胶比的降低、掺入粉煤灰均提高了混凝土的抗盐侵蚀性能,但引气剂的引入降低了混凝土的抗盐侵蚀性能。马孝轩[73]等通过试验提出采用C3A含量低的水泥、掺用活性混合材、提高混凝土的密实性和抗渗性、采取表面保护等措施可以有效地提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。

硫酸盐对钢筋混凝土的钢筋腐蚀破坏尚未有统一的认识。Cornet[74]Schikorr[75]的研究表明,硫酸根的去钝化作用导致钢筋发生腐蚀。Gouda[76]的研究也表明在碱性模拟溶液中,硫酸根能造成钢筋腐蚀破坏,但未对其腐蚀破坏机理进行研究。刘晓敏[77]等的研究表明,SO42-不会直接造成钢筋腐蚀,在有Cl-存在时,其对钢筋腐蚀具有抑制作用。孙伟[70]等研究表明,腐蚀初期,氯盐腐蚀溶液中硫酸盐存在提高了混凝土抗氯离子扩散能力,后期降低了混凝土抗氯离子扩散能力。庄其昌[78]等对钢筋在混凝土模拟孔溶液中的腐蚀进行了研究,研究表明,氯盐溶液中SO42-的存在使钢筋锈蚀速度变为原来的23倍。目前,硫酸盐和荷载耦合作用下对钢筋混凝土的钢筋锈蚀破坏报道较少。

1.3.5 载荷耦合作用下地下工程混凝土结构钢筋腐蚀研究现状

实际中的工程结构往往是承受各种荷载作用的,因此在研究各种环境下的混凝土耐久性时,必须要考虑到荷载作用这个大环境,只有这样才能真实的反应实际情况,研究成果才更具有参考和指导价值。

方永浩[79]对持续压荷载作用下混凝土的渗透性进行了实验研究,结果表明压荷载的存在会影响混凝土的渗透性能。易伟健[80]进行大量实验表明,由于持续荷载的作用,发生钢筋锈蚀的混凝土梁的承载力明显降低。金伟良[10]等研究了海洋侵蚀环境作用下混凝土梁的抗弯性能,提出了锈蚀混凝土梁的弯曲破坏失效机理。何世钦[81]等研究了不负载下锈蚀梁、负载下锈蚀梁和一组参考梁的对比试验,结果表明荷载对钢筋锈蚀有明显影响,荷载作用能够加速梁中钢筋锈蚀,从而使梁的挠度增大,剩余承载力减小。孙富学,孙钧等以实际工程为背景,通过试验分别研究不同荷载工况(无荷载、承受拉应力、承受压应力)条件下氯离子的扩散特性[82]。孙伟、余红发等详细研究了混凝土在弯曲荷载-冻融、弯曲荷载-氯盐、弯曲荷载-复合盐、弯曲荷载-盐湖卤水反应下,混凝土的损伤过程以及氯离子在混凝土中的扩散行为[83];孙伟等研究了冻融循环与荷载双因素作用、硫酸盐侵蚀与荷载协同作用下的损伤机理[2]。惠云玲[84]和冷发光[85]先后研究了荷载作用下由氯离子侵蚀引起的混凝土中钢筋锈蚀。Sanchun Yoon[86]等对荷载和钢筋锈蚀之间的相互作用以及两者共同对结构寿命的影响进行了研究,结果表明荷载水平和加载时间是决定钢筋开始锈蚀时间和锈蚀过程的重要因素。Goitseone Malumbela[87]通过试验研究发现,钢筋锈蚀水平决定了持续荷载作用下的梁的纵向应变、挠度和梁实际承载力。T.Vidal[88]等对长期处于荷载和氯盐环境下的钢筋混凝土梁的锈蚀过程和结构性能进行了研究,结果表明临界氯离子浓度可以作为钢筋开始锈蚀的预测标准,同时钢筋和混凝土间的粘结性能也是一个决定因素。Andrade.C等采用加速腐蚀的办法,研究了钢筋间距、钢筋搭接与腐蚀引起的裂缝宽度、承载力之间的关系[89]Weyers.R.E等研究了弯曲荷载引起的裂缝对氯离子扩散性能的影响[90]Frederic Legeron[91]研究发现在疲劳荷载作用下,钢筋锈蚀程度是影响钢筋混凝土压弯构件延性的重要因素,延性随锈蚀程度的增加而降低。RFrancoisMaso JC[92]研究了钢筋混凝土梁在荷载作用下混凝土中氯离子渗透性以及对混凝土中钢筋锈蚀的影响,结果表明反复荷载作用不仅降低混凝土结构的力学性能,而且大幅度降低了抗氯离子侵蚀性能。

1.3.6 CCCW研究现状

水是导致水泥混凝土结构和钢筋混凝土结构耐久性损坏的重要物质,混凝土的软水侵蚀、冻融破坏、碱集料反应、钢筋锈蚀和硫酸盐腐蚀等都离不开水的作用。防水是提高水泥混凝土结构耐久性的重要措施。提高混凝土的防水性能有掺加矿物掺合料的高致密性混凝土、低水胶比混凝土、表面防水涂料和混凝土引气等技术措施。涂覆防水涂料是提高混凝土防水性能的主要措施之一。防水材料大体可分为柔性防水材料和刚性防水材料[93]两类。水泥基渗透结晶型防水涂料(Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing materials,简称CCCW)是有效的刚性防水材料,它具有渗透结晶、耐腐蚀、增加混凝土密实度和提高混凝土强度的特性,能在混凝土内部生长成枝蔓状针形结晶体,这种结晶体成为混凝土的一个组成部分,能防止水的渗透,达到永久防水的目的。

水泥基渗透结晶型防水材料在开拓工程应用的过程中,最初用于全地下混凝土结构的外表面防水,后来发现它在背水面(结构内表面防水)有它的特殊效果,特别是在污水处理池和地面生活用水贮水池等类似工程的应用中颇为理想。

水泥基渗透结晶型防水材料是1942年德国化学家劳伦斯·杰逊(Lauritz Jensen)在解决水泥船渗漏水的实践中发明的。该种材料由普通硅酸盐水泥、石英砂或硅砂和带有活性功能基团的化学物质组成。加水拌合后,调配成可以涂刷或喷涂的浆料。它不仅可以形成一个有效的防水涂层,而且其含有的活性化学物质可向混凝土内部渗透,与混凝土中的水分、游离的活性物质产生化学反应,形成不溶的结晶体,进而靠结晶体增长填塞毛细通道。这些结晶体,通常可以增长到0.4mm,即高于混凝土毛细管径的最大尺寸,从而使混凝土致密、防水。

60年代中期,该类材料从欧洲引进到北美,1966年在加拿大取得广泛应用,多伦多国贸大厦、卡尔加里(Calgary)市加拿大石油总部内防水、加拿大污水处理厂和生活用水贮水池等均采用了该种防水材料。由于其抗渗性能与自愈性能好,粘结力强,防钢筋锈蚀且对人体无害,易于施工等优点,该种材料在欧洲、美国、日本、新加坡等国家与地区也得到了推广使用,主要用于地下工程、水利工程、水池、污水处理等结构防水中。

我国于1994年在上海地铁1号线南端的修补堵漏中取得应用。从上世纪90年代初开始,其他同类产品,相继进入中国市场。在上海、北京、广州、武汉、重庆、大连、杭州、乌鲁木齐等地获得较多的应用。90年代中期开始从国外引进活性化学物质(母料)国内生产。已大量应用于地下工程、地铁工程、饮用水厂、污水处理池、桥面、隧道、水利工程、核电站等方面,防水效果显著,受到工程界的好评。目前,进入中国市场的水泥基渗透结晶型防水材料品牌见表1-1

1-1 进入中国市场的水泥基渗透结晶型防水材料品牌

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
        

商品名称

       
        

中国市场译名

       
        

产品国别

       
        

FORMDEX

       
        

防挡水系列

       
        

德国

       
        

KRYSTOL

       
        

KRYSTOL系列防水材料

       
        

加拿大

       
        

KOESTER

       
        

KOESTER NB1系列防水材料

       
        

德国

       
        

PENETRON

       
        

膨内传系列

       
        

美国

       
        

PERMAQUIK

       
        

PQ系列

       
        

加拿大

       
        

VANDEX

       
        

稳挡水系列

       
        

瑞士

       
        

DIPSEC

       
        

滴赛系列

       
        

法国

       
        

XYPEX

       
        

赛帕斯

       
        

加拿大

       
        

CRYSTAL SEALER

       
        

捷邦104

       
        

澳大利亚

       

水泥基渗透结晶型防水材料的研究主要有三个方面,一是应用研究,采用进口材料进行防水的施工后的效果研究;二是采用进口母料,配以大宗材料进行性能、应用和检测研究;三是研究机构和大学进行的母料开发,以及其性能的全面研究。研究也获得相关科研项目的支撑,如:武汉理工大学承担的《渗透结晶型防水材料赋予混凝土裂缝自愈合性能的研究》(科技攻关项目:十一五国家科技支撑计划);南京林业大学和深圳大学开展的《渗透结晶型涂料对混凝土碳化的影响》(国家自然科学基金资助项目);武汉理工大学开展的《渗透结晶型防水材料中母料生产的质量检测》(高校博士点科研专项基金项目);中南大学开展的《渗透结晶型防水材料的防水机理试验》(湖南省自然科学基金资助项目),广州市地下铁道设计院科研资助项目和中铁二十五局集团科技创新计划资助项目)。典型的国家发明专利为,水泥基渗透结晶型防水材料(申请号:200920196706.4),建筑用水泥基渗透结晶型防水材料及其制备方法(申请号:03116791.8),一种水泥基渗透结晶型防水剂(申请号:200910227545.5)。

我国的国家标准《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB18445)在200231日开始实施,是在国外无同类标准可参照采用的基础上制定的,对材料的抗渗压力、第二次抗渗压力以及渗透压力比进行了强制规定,也充分体现了该种材料需在渗透和结晶方面的优越性能。国家质量监督检验检疫总局、建设部颁布的《地下工程防水技术规范》(GB 50108)中纳入了该种材料,在《地下防水工程质量验收规范》(GB 50208)中对验收水泥基渗透结晶型防水(CCCW)材料也做了规定,从而为该材料的推广应用起到了重要的推动作用。

1.3.7 存在的问题

从已有的研究成果可以看出,对于地上混凝土结构的耐久性研究成果相对较多。但在地面空间日益紧张,大力发展地下空间的大背景下,单独针对地下混凝土结构耐久性的研究水平、技术手段、实用效果等各方面还存在诸多问题,主要表现在以下几个方面:

1)由于地下结构与非均质性、流变性的复杂岩土地质条件紧密联系,其环境侵蚀条件和应力状况复杂多变,各个因素间有叠加、正负效应的交互作用,是个极复杂的过程,当前集中于单个因素评价结构混凝土耐久性的研究难以反映地下结构实际工程的服役状况,所以耐久性状况难以观测、试验和模拟结构物的实际破坏规律。

2)在耐久性影响因素分析中,目前主要考虑的是环境因素,如碳化、侵蚀性离子等,对在力学因素和环境因素共同作用下的耐久性研究很少。即使考虑了力学因素,都是在卸载以后测试,并没有在持续荷载过程中测试,与结构实际情况明显不符。

对于影响地下结构耐久性的关键因素——混凝土的抗渗性研究虽然取得明显进展,但是目前还没有建立抗渗性能指标与耐久性指标之间的明确数值联系。在微观结构对渗透性的影响方面,大多集中于对水泥浆体的测试,对混凝土的研究存在不足,数据不够丰富。其次,对氯盐、硫酸盐与载荷共同作用下钢筋腐蚀的研究相对较少,针对粉煤灰、矿渣等掺合料对混凝土结构钢筋锈蚀影响的研究,没有考虑不同溶液和载荷作用对他们的影响;对硫酸盐和疲劳荷载共同作用下的混凝土结构钢筋锈蚀研究,没有得出在疲劳荷载和硫酸盐共同作用下的钢筋锈蚀规律;缺少对不均匀钢筋锈蚀膨胀力发展变化规律的研究。

近些年国内对渗透结晶防水材料也展开了研究,但对该材料中导致氯离子含量对钢筋产生腐蚀研究不是很多。当使用高氯离子含量材料涂覆混凝土表面,材料中含有的氯离子会对钢筋造成的腐蚀,当混凝土表面存在裂缝时,腐蚀风险会更大。因此,需要研制低氯离子含量的渗透结晶防水材料。

3)多因素作用下地下混凝土耐久性的研究仍缺乏可靠的混凝土耐久性损伤规律的定量分析。尚无各个环境因素、荷载对混凝土耐久性影响叠加、正负交互效应的确切描述,也没有适合地下工程的耐久性寿命预测模型,均有待完善。

1.4  道路国内外研究和应用现状

作为道路工程的重要组成部分,路面工程在修建成本以及后期养护方面都占有着极为重要的地位。虽然从全国有铺装的路面里程总数来看,水泥混凝土路面是高于沥青混凝土路面的,但在已建成的高速公路路面工程中,沥青路面结构占到了90%以上,所以对沥青路面修建及养护技术的掌握对我国高速公路的建设管理至关重要。近几十年来,全世界的道路工程师都对沥青铺面技术进行了全面而深入的研究和探讨,并且已取得了很多显著的成果。在路面材料方面,针对沥青及沥青混合料建立起了一系列的材料性能试验及规范;在路面结构设计方面已由早期的经验法逐步过渡到力学经验法,并将现代电子计算技术应用到了路面结构设计的程序之中;在路面施工技术方面也建立起了相应的施工技术规范,并且还在逐渐重视沥青路面的施工质量控制。同时,随着近些年低碳绿色交通理念的大力贯彻落实,出现了一系列铺路新技术和新材料,如橡胶沥青技术、温拌沥青技术和再生沥青技术等。

但是必须指出的是,尽管将沥青用于铺面已取得了很辉煌的工程应用,但是由于沥青材料自身的复杂性,目前对沥青及沥青混合料路用性能的研究依然处于非常关键的阶段,还存在着很多亟待解决的关键问题。而这所有问题的核心议题即为如何准确的评价、预测并保证沥青路面的耐久性。通常来讲,可将沥青及沥青混合料的路用性能简单的按照温度分区划分为高温(抗车辙)性能、中温(抗疲劳)性能和低温(抗裂)性能三种类型,在我国北方寒冷地带对低温性能要求较高,而高温抗车辙性能和中温抗疲劳性能则是任何地区的沥青路面都难以回避且必须面对并解决的首要问题。

以车辙问题为例,目前对车辙的产生及发展一般认为,车辙病害主要是由竖向的压密型车辙和横向的流动性车辙两部分组成。例如,Paterson1987年提出,由行车荷载引起的车辙有两种解释:一是压密变形;二是塑性流动变形。压密变形主要是由于行车的进一步压实作用引起,通常伴随着体积变化,有些情况下石料被压碎也会导致沥青混凝土的垂直变形;塑性流动变形没有体积变化,只表现为沥青混凝土的横向剪切流动,导致轮迹带下陷两侧隆起。美国SHRP-A-318(1991)的研究报告认为车辙是行车的压密变形和沥青混凝土横向流动变形共同作用的结果,且大部分来自于剪切变形,主要原因为表面层的沥青层承受了过大的应力。Epps等人(1998)对美国的AASHTOWest Track试验路进行了长期的观察研究,发现当基层强度足够时剪切流动变形是车辙的主要原因而不是压密变形。面层厚度为15cm(6 in)时,车辙局限于表面的5~7.5 cm(2~3 in)。我国长安大学张登良教授(1998年)将车辙的产生划分为3个阶段:开始阶段的压密过程、沥青混合料的流动以及矿质骨架的重新排列及矿质骨架的破坏。WaelKaloushWitczak总结前人的结论认为:当基层强度足够的时候车辙主要产生于沥青面层,其机理为沥青混凝土的剪切流动变形。并把车辙分为两个阶段:第一个阶段认为车辙是各结构层(主要是土基)垂直变形的累积,因而更强调压实工艺;第二阶段认为车辙与各层材料的稳定性有关,主要是沥青混凝土的剪切变形。

在我国目前已经建成的高速公路路面结构中,大都采用了强度较高的半刚性基层,可以认为车辙问题主要发生在沥青面层,而只要控制好施工时各结构层的压实度,压密型车辙又是可以控制在较小范围内的,因此对于我国的高速公路沥青路面结构而言,由于沥青材料抗剪切能力不足而导致的横向流动性车辙是我们要着重研究并探讨的主要问题。

关于抗疲劳性能,美国从上世纪50年代起经过长期的试验和理论研究已经在沥青及沥青混合料的疲劳理论、试验评价方法、疲劳模型方面有了较为系统的成果。我国的研究相对起步较晚,但随着UTMAMPT等先进试验设备的不断进口使用,很多研究人员也在弯曲梁疲劳试验、直接拉伸试验、间接拉伸试验方面做出了初步的成果。可以预见,随着沥青再生技术的不断推广,疲劳裂缝将取代车辙成为沥青材料路用性能的首要考虑问题。

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