混凝土结构耐久性设计一书由人民交通出版社于2007-02-01出版。
本书主要研究混凝土耐久性和结构使用寿命设计,全面讨论了氯盐环境下钢筋混凝土结构的耐久性问题。全书包括四部分:混凝土耐久性、氯盐环境钢筋混凝土耐久性设计、提高混凝土抗锈蚀性能、国内外混凝土结构耐久性设计。本书将有助于我国混凝土结构耐久性设计方面的研究和应用工作。
本书可供混凝土结构耐久性研究、设计及工程施工人员和相关专业师生参考使用。
前 言
应用高性能混凝土可使结构的耐久性得到很大提高,但由高性能混凝土建成高性能混凝土结构还需要依靠精细施工来实现。国内外经验表明,混凝土对环境作用的抗力不够只是一个方面,施工质量差则是混凝土结构耐久性不良的主要原因之一。挪威的工程经验表明,做好工程结构的施工,海洋严酷环境下的混凝土结构耐久性比陆上混凝土要好,其原因是增加了保护层厚度、应用了优质混凝土、具有良好的质量保证体系和严格的质量控制措施,从而保证了高性能混凝土的质量,得以建成高性能的混凝土结构。
多种环境侵蚀会损害混凝土耐久性,但其中最主要的是钢筋锈蚀引起的混凝土开裂、剥落,钢筋断面减小,粘结力丧失,最终导致使混凝土结构破坏,缩短使用寿命。钢筋锈蚀现象中最多最严重的是由氯盐引起的钢筋锈蚀,可使结构不能使用或需重新修复,造成巨大的经济损失。
海工建筑物和公路桥梁常因氯盐引起钢筋锈蚀而使结构遭到破坏,我国东南沿海的海港码头建成10年即有部分构件开始锈蚀开裂,虽然混凝土材料选择、组成设计和结构施工都在规范的要求下进行,但没有保证耐久性。
各行业有关混凝土规范都提出了耐久性要求,例如规定了最大水灰比、最少水泥用量、保护层厚度等,遵守这些相关规定,可使混凝土的耐久性得到一定程度的改善,但是在使用环境下能够"耐久"多长时间,能够安全使用多少年则没有明确提出。
由多次工程失败的教训认识到,提高初建费用、完善保护措施、减少修复费用是最经济的结构设计,从而使工程经验和耐久性研究进展到一个新阶段--使用寿命设计。
无论是氯盐引起的钢筋锈蚀、碳化引起的锈蚀,还是硫酸盐侵蚀或冻融破坏,都是侵蚀离子或物质经过表层侵入混凝土,积聚到一定浓度引起腐蚀发生。而钢筋外层有足够的厚度,混凝土有好的抗力就可以延缓离子的侵入,保证结构的耐久性。因此,有足够厚度的优质混凝土保护层是保证结构有预期使用寿命的基础。
如果把环境中影响混凝土耐久性的物理作用和化学反应视作一种破坏力,那么混凝土结构在环境荷载作用下逐渐劣化,失去其使用性能,甚至对结构安全构成危害。虽然结构设计保证有足够的承载能力,但最终结构是因为耐久性不良而受到破坏,这说明在结构设计的同时需要做好耐久性设计。例如临界浓度的氯离子侵入到钢筋而使钢筋锈蚀,锈蚀发展导致混凝土开裂剥落,如果知道海洋环境的氯荷载、侵入速度、锈蚀速度,知道混凝土的锈蚀抗力,就可根据保护层厚度计算出结构混凝土的使用年限。
现阶段的使用寿命设计具有不确定性,为保证结构的耐久性,需要做大量的工程调查和试验,需要对结构实时检验测定影响其使用寿命的各个参数,修正使用寿命设计,及时维护与修复以保证结构达到设计的使用寿命。
本书主要讨论氯盐环境下钢筋混凝土结构的耐久性,共分四个部分;
第一部分介绍了外界环境引起的混凝土耐久性问题,如抗冻性、硫酸盐侵蚀,碳化引起的钢筋锈蚀,同时简单地讨论了传输过程。在大型混凝土工程中碱集料反应已经引起了广泛的注意。基础、桥梁工程中常遇到较大尺寸的混凝土结构,水泥用量较多,混凝土温度较高,本书也讨论了滞后钙矾石生长引起的膨胀危害。
第二部分详细、深入地讨论了氯盐引起的钢筋锈蚀。氯离子对混凝土的侵入是一个复杂的过程,有表面吸收、渗透、抽吸、扩散等,但一般结构是经表层吸收后在较长时间内经过扩散侵人到保护层内部的。氯离子在混凝土中传输的同时产生结合,混凝土成分与水化产物结合,吸附氯离子,延缓氯离子的侵入,推迟其在钢筋处到达临界浓度的时间,即延缓了钢筋开始锈蚀的时间。临界氯离子是一个范围,不是一个数值,本章介绍了氯盐环境下钢筋混凝土结构的耐久性并初步提出了使用寿命设计。由于影响使用寿命的因素和环境作用较为复杂,尚难明确判定,因此使用寿命设计具有不确定性,需要继续完善。
第三部分介绍了当今提高混凝土性能抵抗氯盐侵蚀的一些技术。采用高性能混凝土和控制渗透性模板衬里可以大大提高混凝土抗氯离子侵入的性能,阻锈剂可以保护阳极、提高临界氯离子浓度或保护阴极和阳极、提高抗氯盐腐蚀的能力。许多体积较大的混凝土结构常因存在温度梯度而产生裂缝,避免或减少混凝土早龄期开裂,对于提高混凝土耐久性十分必要。本书还介绍了自密实混凝土,优质白密实混凝土可以减少人为失误对质量的损害。
第四部分摘译了欧盟的"混凝土耐久性设计与再设计"(Duracrete)及其应用实例,同时介绍了国内外几座跨海大桥为保证100年使用寿命的混凝土耐久性技术。
本书部分内容是中交集团和中交集团桥隧重点实验室的研究成果,同时本书引用了大量的参考文献,谨此对这些文献的作者表示感谢。
刘秉京
2006年7月
第一部分 混凝土耐久性第1章 混凝土的传输性质 3
1.1 孔隙与传输过程 3
1.2 影响传输的因素 7
参考文献 10
第2章 抗冻性 11
参考文献 18
第3章 碱-集料反应 19
参考文献 23
第4章 滞后钙矾石生成 24
4.1 DEF反应机理 24
4.2 DEF试验 26
4.3 温度界限 32
参考文献 33
第5章 碳化引起的钢筋锈蚀 34
5.1 碳化及影响因素 34
5.2 使用寿命估算 39
5.3 碳化和氯离子的共同作用 42
参考文献 44
第二部分 氯盐环境钢筋混凝土耐久性设计第6章 氯盐引起的锈蚀 47
6.1 锈蚀机理47
6.2 影响因素50
6.3 碱含量对混凝土化学环境和钢筋锈蚀的影响54
参考文献59
第7章 氯离子在混凝土中的扩散59
7.1 氯离子的侵人59
7.2 龄期影响66
7.3 水灰比69
7.4 粉煤灰、矿渣和集料72
7.5 干湿循环对氯盐侵入的影响79
7.6 裂缝84
7.7 海洋环境的暴露试验94
7.8 除冰盐环境公路暴露试验107
7.9 测定扩散系数的试验方法115
参考文献117
第8章 混凝土结合氯离子的性能121
8.1 拌和时引入的氯离子122
8.2 外界氯离子侵入133
8.3 结合对氯离子扩散和结构使用寿命的影响147
8.4 暴露试验与工程调查151
参考文献156
第9章 临界氯离子浓度159
9.1 引起钢筋开始锈蚀的氯离子浓度159
9.2 影响因素164
9.3 波特兰水泥协会的试验179
9.4 有关氯离子临界值的规定188
9.5 标准与规范188
参考文献192
第10章 表面氯离子浓度194
参考文献200
第11章 氯盐环境钢筋混凝土结构使用寿命201
参考文献214
第12章 概率性能基础的使用寿命设计215
参考文献225
第三部分 提高混凝土抗锈蚀性能
第13章 高性能混凝土229
13.1 高性能混凝土的定义230
13.2 高效减水剂232
13.3 辅助胶凝材料235
13.4 中交集团的试验241
参考文献249
第14章 阻锈剂251
14.1 概述251
14.2 亚硝酸钙254
14.3 MCI258
14.4 其他264
参考文献268
第15章 控制渗透性模板衬里269
参考文献275
第"章 防止混凝土早龄期热开裂276
16.1 低热混凝土276
16.2 温度-应力试验仪278
16.3 中港桥隧实验室的试验283
16.4 温度控制290
参考文献294
第17章 自收缩(自干燥) 295
17.1 概述295
17.2 欧盟ConLife的试验302
17.3 孔隙相对湿度的影响306
17.4 养护方法和收缩减低剂309
参考文献312
第18章 自密实混凝土314
18.1 概述314
18.2 中港桥隧实验室的试验317
18.3 收缩、徐变和弹性模量319
18.4 氯离子扩散系数323
参考文献325
第四部分 国内外混凝土结构耐久性设计
第19章 几座大桥的混凝土技术329
19.1 大贝尔特工程329
19.2 厄勒海峡大桥与隧道345
19.3 加拿大联盟桥354
19.4 杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性方案361
参考文献364
第20章 耐久性设计与再设计(摘译自Duracrete)366
第21章 荷兰西谢尔德隧道使用寿命设计398
参考文献403