混凝土结构耐久性问题的重要性

      众所周知,混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,是土木工程结构设计中的首选形式,其应用范围非常广泛[J。虽然随着新的结构计算理论的提出和新型建筑材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式,但可以肯定的是,混凝土结构仍然是最常用的结构形式之一。

      当然,这并不说明混凝土结构是十全十美的。事实上,从混凝土应用于建筑工程至今的近 200 年间,大量的混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效,达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的,有的是由于使用荷载的不利变化造成的,但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是海洋及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土结构的腐蚀,尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏,丧失了结构的耐久性能,这已成为实际工程失效的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。我国南方城市某港于 1956 年建成的一座码头,建成后于 1963 年对其调查时发现梁底部分有顺筋锈裂,虽然于次年进行了一次修补,但是使用 20 年后发现钢筋锈蚀更为严重,底板混凝因钢筋锈蚀而大面积脱落,露筋面积占底板的 21%,经多方论证后,不得不将上部结构拆除[2]。因此，耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。

      通过进一步的分析可以发现,引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。首先,虽然在许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性与耐久性,但是结构耐久性问题并没有充分地体现在具体的设计条文之中,而是在构造措施上对环境和耐久性问题予以考虑,使得结构设计中普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计。以中国 1989 年颁布的设计规范为例,其中除了一些保证混凝土结构耐久性的构造措施,只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性设计有关的参数,如混凝土结构的裂缝宽度等,但这些参数的控制对结构耐久性设计不起决定性的作用,并且这些参数也会随时间而变化“]。其次,不合格的施工也会影响结构的耐久性.常见的施工问题如混凝土质量不合格、钢筋保护层厚度不足都可能导致钢筋提前锈蚀。另外,在结构的使用过程中,没有合理的维护造成的结构耐久性降低也是不容忽视的,如对结构的碰撞、磨损以及使用环境的劣化,这一切都会使结构无法达到预定的使用年限。

      国内外统计资料表明,由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的,并且耐久性问题越来越严重。据调查,美国 1975 年由于腐蚀引起的损失达 700 亿美元,1985 年则达1680亿美元5],目前整个混凝土工程的价值约为 6 万亿美元,而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达 3000 亿美元,英国英格兰岛中部环形快车道上 11 座混凝土高架桥,当初建造费为 2800 万英镑,到 1989 年因为维修而耗资 4500 万英镑，是当初造价的1.6倍,估计以后 15 年还要耗资 1.2 亿英,累计接近当初造价的 6 倍7,这反映了结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性,即设计阶段对钢筋防护方面节省 1美元,那么就意味着:发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费 5 美元;混凝表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费 25 美元;严重破坏时采取措施将追加维修费 125 美元。在我国，混凝结构耐久性问题也十分严重,据 1986 年国家统计局和建设部对全国城乡 28 个省、市、自治区的 323个城市和 5000 个镇进行查的结果,目前我国已有城镇房屋建筑面积 46.76 亿 m%，占全部房屋建筑面积的 60%,已有工业厂房约 5亿 m,覆盖的国有固定资产超过 5000 亿元,这些建筑物中约有 23 亿 m 需要分期分批进行评估与加固。而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。另外据 1994 年铁路秋检统计[,在全国共有 6137 座铁路桥存在着不同程度的损伤,占铁路桥总数的 18.8%。

      由此可见，混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要解决的问题。鉴于该问题的重要性,国内外学者已经在混凝土结构耐久性领域开展了大量的科研工作，国内外研究进展将在本章 1.3 节中详述。这里,想要强调混凝结构耐久性的研究是具有时间和空间尺度的。对混凝土结构来说,其耐久性失效过程应该包含结构建造、使用和老化的生命全过程,其耐久性研究也应涉及结构生命全过程的每个环节(图 1-1),应该基于结构的全寿命开展混凝土结构耐久性研究。同时,传统的研究往往将混凝土结构的耐久性失效归属于材料问题,而忽视了混凝土结构耐久性所应具有的“结构”属性,混凝土结构耐久性的研究必须在材料层次的研究成果基础上,全面考虑研究对象的“结构”特点(图 1-2),从材料工程、结构工程和非均质材料力学等学科的交叉领域,对混凝土结构耐久性开展研究,建立与时间效应相一致的混凝土结构耐久性全寿命周期研究体系，这对于完善混凝土结构耐久性理论体系具有重要的作用,对指导实际混凝土工程设计、施工和维护也具有重要的应用价值。