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混凝土结构耐久性控制与寿命设计

作者:原创论文网 时间:2018-09-28 11:28 加入收藏

摘要

  1、引言

  一直以来, 混凝土被看做是可以长期使用、密实的浇注石体, 混凝土的碱性环境保护中处于其内部的钢筋不受的锈蚀。基于此, 人们对混凝土结构使用寿命给以重视, 然而对混凝土结构耐久性重视不足, 造成研究混凝土结构耐久性相对滞后。在宏观上混凝土结构耐久性不良其表现为开裂从而导致混凝土发生损坏, 最终影响建筑物的使用寿命, 因此, 对混凝土结构的耐久性必须要给以重视。

混凝土结构耐久性控制与寿命设计

  2、混凝土结构耐久性影响因素分析

  第一, 环境对混凝土耐久性的影响。混凝土结构工作环境直接影响其耐久性。因此, 混凝土结构设计时对所处环境要充分考虑。结构材料在一定环境下随着时间的推移, 其性能不会发生显着退后, 从而容易满足设计使用寿命;但是对恶劣环境而言, 为了使混凝土结构满足设计使用寿命需要采用针对性措施。基于此, 为了对混凝土结构耐久性进行合理设计, 需要基于工作环境对混凝土结构的影响程度以及材料退化情况进行区分。

  第二, 使用寿命对混凝土结构耐久性的影响。使用寿命可以划分为以下形式: (1) 技术性使用寿命。混凝土结构使用到承载力、结构整体性等某项技术达到不合格的程度时, 就达到其技术性使用寿命。 (2) 功能性使用寿命。和使用功能相关, 混凝土结构不能使功能使用要求达到满足。 (3) 经济性使用寿命。新建混凝土结构比原有混凝土结构保留更加经济。

  第三, 状态控制设计对混凝土结构耐久性的影响。混凝土结构使用寿命明确之后, 设计混凝土结构的关键是控制状态。主要是对混凝土结构使用寿命失效事件的确定、混凝土结构失效的解决对策等。

  第四, 混凝土结构材料制备设计对其耐久性的影响。国内外在混凝土结构耐久性的设计过程中都对材料制备设计给以重视。材料制备设计涵盖高性能混凝土、小环境的改变、惰性材料的选择、构造处理、阻止反应等。

  第五, 可修复能力设计对混凝土结构耐久性的影响。混凝土结构运用过程需要进行检修, 在运营过程中确保混凝土结构可修复性是可修复设计的关键。混凝土结构可修复设计一方面可以使混凝土结构运营时期性能满足设计性能要求, 另一方面使正常维修周期延长, 能够使维修费用降低。

  第六, 混凝土结构状态监控设计对耐久性的影响。混凝土结构运营时期受到环境等因素的影响, 这些影响因素在设计过程中不能预测, 从而影响混凝土结构的耐久性, 基于此, 对混凝土状态要进行监控。

  3、确定混凝土结构破损的极限状态

  3.1、混凝土结构极限状态概述

  有效或可靠的混凝土结构指的是能够良好工作, 可以使使用功能得到满足。当不能满足使用功能, 不能良好工作时被叫做“失效”、“不可靠”。极限状态是对混凝土结构有效与失效的工作状态进行区分的标志。极限状态指的是混凝土结构可以使设计规定的某种功能要求临界状态达到满足, 当临界状态超过时, 混凝土结构不能使设计规定的功能得到满足, 从而失效。混凝土结构极限指标包括正常使用极限状态、承载能力极限状态。

  (1) 混凝土结构正常使用极限状态:当混凝土结构达到耐久性或者是实用性某一项规定的极限值的状态, 即混凝土结构已经达到其使用功能的某一极限值。《混凝土结构设计规范》限定了正常使用的极限状态混凝土结构的裂缝宽度。

  (2) 混凝土结构承载能力极限状态。当混凝土结构已经达到最大承载力状态或者是达到不适宜继续承载的变形状态, 此时混凝土结构因为几何形状变化明显, 不能使用。

  3.2、确定混凝土结构极耐久性破损极限

  第一, 混凝土结构破损。宏观层面上混凝土结构耐久破坏状态表现为开裂、剥落等, 实际上是混凝土材料性能和原始状态发生背离。冻融作用、硫酸盐腐蚀、碱骨料反应等都是影响混凝土结构耐久性的因素。基于混凝土破损形态, 混凝土破损包括有序破损与无序破损。有序破损指的是混凝土结构有规律性的破损, 具有可预测性。一般基于混凝土结构裂缝长度或者裂缝宽度进行有序破损的表征。无序破损指的是因为混凝土收缩、环境等造成混凝土材料发生破损, 无规律可寻, 度量非常困难。基于损伤度对混凝土破损状态进行表征, 通过下式进行估算。

  其中, t表示时间常数;∑δi (t) 表示任意时刻混凝土结构内部的缺陷状态;∑δi (t0) 表示混凝土结构初始发生缺陷状态;∑表示材料在初始时刻的体积、面积等状态量。当不存在缺陷时, D0=0。

  第二, 混凝土结构耐久性破损极限分析。通常而言, 混凝土结构达到耐久性极限时依法是正常使用极限的范围, 国家规范规定了混凝土结构在荷载作用下裂缝的最大宽度, 但是并没有明确规定混凝土结构在非荷载作用下裂缝的最大宽度。工程实践表明基于荷载裂缝规定对非荷载裂缝宽度进行限制比较苛刻。基于此, 需要理论研究和工程实践相结合对混凝土结构耐久性破损极限进行确定。

  第三, 确定混凝土结构破损状态。基于混凝土破损状态可知, 前两个破损极限状态具有显着界限, 也就是钢筋周围的有害离子的浓度达到混凝土表面临界破损状态, 对于混凝土结构极限破损状态三裂缝限值, 基于对实际工程结构尺寸的考虑, 一般建议0.6mm。基于对混凝土结构破损极限状态的分析, 确定破损极限状态系统。

  4、混凝土结构耐久性控制与寿命设计

  4.1、混凝土结构极耐久性控制

  混凝土结构耐久性设计的主要方法包括: (1) 在混凝土结构表面或者是内部进行比如FRP等控制载体的添加使耐久性提高; (2) 可以基于对设计参数的调整、改性等提高混凝土结构的性能, 使其耐久性提高; (3) 保护层对改性的混凝土材料进行应用。

  4.2、混凝土结构极使用寿命设计

  基于混凝土结构不同破损极限状态阶段, 对其使用寿命进行设计。

  第一, 混凝土结构破损极限状态1:钢筋混凝土有害介质在钢筋表面、聚集浓度等使钢筋发生锈蚀的极限浓度要求的时间可以使混凝土结构设计需求得到满足。基于式进行控制。

  其中, Cccr表示临界的氯离子浓度;r Cc表示临界离子浓度的分项系数;W B表示水胶比;kce, cl表示环境系数;Δx表示保护层余量;t0表示配制实验时间;r Rc1表示抗力分项的系数。

  第二, 混凝土结构破损极限状态2:基于混凝土结构钢筋周围裂缝衍生直至出现表观的临界裂缝, 基于设计确保发展裂缝时间不低于该阶段混凝土设计寿命。该阶段中钢筋锈蚀率和电流密度是对该阶段混凝土结构寿命造成影响的主要参数。

  其中, Δx1表示混凝土的表面达到临界破损状态时腐蚀钢筋的深度;icor表示腐蚀电流。

  第三, 混凝土结构破损极限状态3:基于该阶段设计使表观临界裂缝到耐久性破损极限值的时间应该不低于该阶段结构设计寿命。

  其中, Δx2表示混凝土的极限破损状态时腐蚀钢筋的深度;icor表示裂缝发展阶段腐蚀电流。

  5、混凝土结构耐久性设计对策

  第一, 混凝土保护层的厚度应该保证足够。混凝土结构高碱度能够在钢筋的表面形成钝化膜, 从而保护起到对钢筋进行保护, 混凝土结构保护层能够对外界环境的腐蚀介质、水分渗入、氧气等进行有效阻止。混凝土保护层的保护效果和混凝土结构保护层厚度、密实度等联系紧密, 因此, 基于混凝土结构保护层厚度的适当增加使混凝土结构耐久性提高, 从而使混凝土结构使用寿命延长。

  第二, 对混凝土材料进行合理选择, 对配合比进行科学确定。混凝土结构设计过程中对混凝土材料与材料的配合比进行何来正确的选择, 能够使混凝土结构密实性提高, 使混凝土结构的抗裂性、抗冻性、抗渗性等提高。

  第三, 对具有良好性能的外加剂进行合理应用。混凝土结构中对外加剂进行合理的添加可以使混凝土结构的耐久性提高。外加剂的应用应该对生产厂家推荐的使用量、使用方法、注意事项、化学成分等给以重视。

  第四, 混凝土结构中钢筋发生腐蚀的一个重要原因是氯盐的污染, 因此, 为了使混凝土结构耐久性提高应该对氯盐含量进行限制。

  第五, 对混凝土结构进行合理设计。通过对混凝土结构几何形状、截面尺寸等的合理设计, 合理确定混凝土结构表面积和截面积的比例, 在混凝土结构的几何表面尽可能不为侵蚀性物质提供停留的区域, 从而使混凝土结构耐久性提高。

  参考文献
  [1]李星, 韩彬彬.混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展[J].建筑与文化, 2013 (10) .
  [2]张陆璐.钢筋混凝土结构耐久性研究[J].四川建材, 2012 (4) .
  [3]郝挺宇.结构混凝土耐久性检测技术现状与展望[J].工程质量, 2016 (2) .
  [4]吴富民.结构疲劳强度[M].西北工业大学出版社, 1985.
  [5]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].国防工业出版社, 2003.

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