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1、混凝土构造耐久性设计方法与寿命预测研究进展_金伟良文章编号:1000-6869(2007)01-0007-07混凝土构造耐久性设计方法与寿命预测研究进展金伟良,吕清芳,赵羽习,干伟忠(浙江大学构造工程研究所,浙江杭州310027)摘要:由混凝土构造耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土构造耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合构造全生命周期成本(SLCC)的理念;其次总结了构造耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,以为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映构造使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要
2、求下的混凝土构造耐久性失效极限状态;确定表征材料与构造耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。关键词:混凝土构造;耐久性;构造全生命周期成本(SLCC);综述中图分类号:TU375文献标识码:AResearchprogressonthedurabilitydesignandlifepredictionofconcretestructuresJINWeiliang,LBQingfang,ZHAOYuxi,GANWeizhong(DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract
3、:Thispaperstartswiththedefinitionofconcrete-structuraldurability.ThenitpresentsthatdurabilitydesignmethodshouldbecombinedwiththetheoryofStructuralLife-CycleCost(SLCC)basedonthesurveyoftherecentdurabilitydesigntheories.Moreover,thecurrentsituationofevaluationandlifepredictionofdurableconcretestructur
4、esaresummarized,whichmakesitnecessarytodetermineadurabilityindexreflectingservicelifeandadynamiclife-assessment文档视界2022/81254a35a6c30c2259019e6agz5ovfzl2ys.st,severalbasicproblemsinthisdomainarebroughtforth,includingdefinitionofdurabilitylimitstateforconcretestructuresundergivenenvironmentalconditio
5、nandusagerequirement,determinationofindexesandparametersrepresentingthedurabilitycharactersofmaterialsaswellasstructuresandestablishmentoftheoryforanalysisofdurabilitydynamicdetectiondata.Keywords:concretestructure;durability;structurallife-cyclecost(SLCC);summary基金项目:国家自然科学基金重点项目/氯盐侵蚀环境的混凝土构造耐久性设计与
6、评估基础理论研究0(50538070)赞助。作者简介:金伟良(1961),男,浙江大学构造工程研究所所长,教授。收稿日期:2006年8月0概述混凝土构造是目前使用最为广泛的构造形式,由于混凝土构造材料本身和使用环境的特点,使混凝土构造不可避免地存在耐久性问题。自混凝土构造问世以来,大量的混凝土构造提早失效大多源于混凝土构造耐久性的缺乏。当前欧美等发达国家每年用于已有工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1/2以上。我国在役以混凝土为主体的构造在数量上居于绝对支配地位,混凝土构造耐久性问题愈加突出,存在着/南锈北冻0的耐久性毁坏特征。5中国腐蚀调查报告61指出,建筑部门的腐蚀年损践约为100
7、0亿人民币,其经济损失以及对社会安宁性的冲击力之大不言而喻。随着我国东部地区经济的持续增长和西部大开发发展战略的施行,我国正以史无前例的宏大投资进行7第28卷第1期建筑结构学报Vol128,No112007年2月JournalofBuildingStructuresFeb12007着空前规模的基础设施建设,很多投资上亿的混凝土工程正在酝酿、设计或建设之中,这次建设高潮将持续一、二十年。然而,海洋气候等恶劣环境中重大混凝土构造的耐久性问题在理论上尚未完善解决,工程寿命能否到达设计要求,还是相当严峻的现实问题。这个问题假如不给予足够重视,就会犯下难以弥补的过错,将会严重阻碍我国经济的持续高速发展,
8、给国家和社会造成宏大的经济损失。在我国大兴土木的同时,潜在的风险也必须被重视:一方面,兴建混凝土工程消耗着大量能源与资源;另一方面,大量的混凝土工程由于耐久性劣化而产生巨额维护费用,提早退出服役的混凝土构造则产生大量的难以回收和处理的建筑垃圾。这些情况都有悖于可持续发展的基本国策。因而,提高混凝土构造的耐久性,延长混凝土构造的寿命,是个不容回避、必须高度重视的问题。正由于混凝土构造耐久性问题的重要性,近年来世界各国都越来越重视研究混凝土构造的耐久性,诸多的研究者从环境、材料、构件和构造等不同层面展开了研究,获得了系列研究成果,其中以材料层面的成果最为显著2-10,构件层面也积累了较多的试验、测
9、试和理论研究的成果11-31。由于影响混凝土构造耐久性的因素诸多,作用机理复杂,就目前所获得的研究成果而言,要真正运用于实际工程,实现混凝土构造全生命周期耐久性设计和寿命预测的要求,还有一定距离。下面将介绍混凝土构造层面耐久性研究的研究进展和发展趋势。1混凝土构造耐久性定义混凝土构造耐久性是指混凝土构造及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下,在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化经过,而不需要花费大量资金维修,也能保持其安全性和适用性的功能43。这个混凝土构造耐久性的定义实际上包含了三个基本要素32:(1)环境:构造处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中,并受其侵蚀
10、作用;(2)功能:构造的耐久性是一个构造多种功能(安全性、适用性等)与使用时间相关联的多维函数;(3)经济:构造在正常使用经过(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用,根据构造工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经历,可将混凝土构造的工作环境分成6大类33:1大气环境;o土壤环境;?海洋环境;?受环境水影响的环境;?化学物质侵蚀环境;?特殊工作环境。同时,构造耐久性是构造的综合性能,既涉及构造的承载能力、又涉及构造的正常使用以及维修等,反映了构造性能随时间的变化,这样就不可简单地把耐久性归入为承载能力状态或正常使用状态4-
11、5,9。而耐久性的经济性则体如今以较小的维修成本到达维持混凝土构造基本功能的要求,若业主要求延长构造使用寿命时则需适当的维修成本就可到达其目的。混凝土构造产生耐久性失效,是指由于在环境作用下,混凝土或钢筋的材料物理、化学性质及几何尺寸的变化,继而引起混凝土构件外观变化,不能知足正常使用的要求,导致承载能力退化,最终影响整个构造的安全。因而,混凝土构造的耐久性失效应考虑下面几个方面32:(1)构造外观或外表破损已不能知足正常使用或美学要求;(2)钢筋锈蚀或构造破损已导致构造承载力下降到不能允许的程度;(3)对构造进一步维修在技术上或经济上已经不可行。应当看到:混凝土构造耐久性的失效经过包含在混凝
12、土构造的建造、使用和老化的构造全生命经过,以及与构造全生命经过相对应的构造设计、施工和维护的各个环节。2混凝土构造耐久性设计在混凝土构造耐久性研究经过中,混凝土构造耐久性设计的思想也不断地被尝试引入构造设计和工程实践中,1989年欧洲出版了5CEB耐久混凝土构造设计指南634,1990年日本发布了5混凝土构造耐久性设计建议635,国际材料与构造研究实验联合会(RILEM)于1990年出版了5混凝土构造的耐久性设计636,欧盟在2000年出版了5混凝土构造耐久性设计指南637等等。我国在总结国内外研究成果的基础上,2000年公布了交通部行业标准5海港工程混凝土构造防腐蚀技术规范6(JTJ275)
13、2000)38,2004年中国土木工程学会编制了5混凝土构造耐久性设计与施工指南6(CCES01)2004)39,交通部行业标准5公路8工程混凝土构造防腐蚀技术规范6也即将发布,5混凝土构造耐久性评定标准6和5混凝土构造耐久性设计规范6已完成了起草工作。它们的问世对改善我国混凝土构造耐久性研究及其工程应用状况将起到积极的作用,也为混凝土构造的耐久性设计和延长工作寿命明确了方向。然而,这些规定仍然局限于环境分类和材料方面的要求,在构造材料和构造构造方面间接地反映了构造设计对耐久性和使用年限的要求,并且无法实现对混凝土构造耐久性的设计目的的量化规定。对于某些重要基础工程,欲确保100年(或120年
14、)的使用年限,尚缺乏普遍认可的基于可靠度分析并以混凝土耐久性作为设计指标的设计理论。目前混凝土构造耐久性设计方法基本可分成两大类。第一类首先源于欧洲5CEB耐久混凝土构造设计指南634,如国内的5海港工程混凝土构造防腐蚀技术规范6(JTJ275)2000)38、5混凝土构造耐久性设计与施工指南6(CCES01)2004)39等。这类方法首先按业主的意愿和经济实力确定构造的设计使用年限;再按构造的工作环境确定腐蚀等级;进而建立在设计使用年限内构造抵抗环境作用能力大于环境对构造作用效应的耐久性极限方程(如日本土木工程学会提出的指数评分法、ISO因子法、验算法等);最后利用极限状态法对耐久性极限状态
15、进行验算。耐久性设计的极限状态主要按适用性的要求确定,常以有害介质侵蚀到钢筋外表或混凝土保护层胀裂作为为耐久性极限状态。这些方法主要控制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度,详细为强度等级、水胶比、胶凝材用量、原材料选择、矿物掺和料、外加剂等。同时,要求在实验室条件下根据标准试验方法确定耐久性指标,如抗冻等级、扩散系数等。这类方法解决了耐久性构造要求和施工技术要求,细化了环境类别及其作用等级,提出了不同使用年限的不同要求。然而,这类方法体现的主要是材料层面的研究成果,显然不能直接介入构造使用寿命的预测计算模型;且这种计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致,不易为广大设计人员所
16、接受。第二类方法主要通过理论或经历的计算模型进行使用寿命预测,以为混凝土构造耐久性设计应包括计算和验算部分,以及构造要求部分。基于这种观念,有学者40提出下面的设计理念SGR其中,S为内力设计值,R为构造构件抗力设计值,G为耐久性设计系数,它是构造可靠指标的函数,G=fB(t)。这种设计方法形式简单,耐久性含义明确,且与我国现行5混凝土构造设计规范6(GB50010)2002)41采用的极限状态设计方法相一致,较能够为技术人员所接受与把握。但耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要对实际构造抗力衰减规律进行实测统计,才能进一步找出抗力随机衰减经过分析模型。由于每个地区抗力衰减规律难以
17、统计,并且即便是同一地区,由于使用环境不同,其抗力衰减规律也有所不同。因而,耐久性设计系数的计算不易实现。我国5混凝土构造设计规范6(GB50010)2002)41也涉及了耐久性方面的规定,但混凝土构造设计仍以考虑荷载作用下的构造安全性为主,而对混凝土构造在长期使用经过中由于环境因素所引起的材料性能劣化的影响考虑很少;对于混凝土工程的经济性,主要考虑的是构造建设时期的初期投入费用,而未考虑由于耐久性缺乏出现劣化现象而产生大量的追加维护费用,以及提早退出服役的混凝土构造产生大量的建筑垃圾回收和处理的后续费用等。因而,基于可持续发展的基本国策,本文以为应在混凝土构造设计中引入全生命周期成本的理念,
18、综合考虑混凝土构造工程在全生命周期中各种外界和内部因素的影响,以及由此引起混凝土构造使用性能和维护成本的变化,研究基于构造全生命周期成本(StructuralLife-CycleCost,简称SLCC)的混凝土构造耐久性设计基础理论,并提出相应的设计方法。这对于完善混凝土构造耐久性理论体系及其工程应用,都有着重要意义,也是混凝土构造耐久性设计的必然发展趋势。3混凝土构造耐久性评估与寿命预测方法在环境腐蚀介质的作用下,由于混凝土构造的性能不断劣化,构造的实际使用寿命往往要短于设计使用寿命。怎样根据构造检测或监测结果对在役混凝土构造进行性能评估,并据此揣测其剩余使用寿命,一直是土木工程学科非常关注
19、的热门问题。就混凝土构造耐久性评估方法而言,国内外学者9已开展了大量的工作。王晓刚42提出用于混凝土构造耐久性评估的模糊综合评估法,这一方法充分反映了各种因素关联性和随机性的特点,所得结果较为可信。卢木等43还提供了一套钢筋混凝土构造耐久性的评估方法,能够客观地分析和处理现场检测数据,有助于评估者选择适宜的评估指标,进而得到构造的性能状况及剩余寿命评价。日本清水株式会社研究所给出了一种对建筑物综合评价的方法,该方法通过三次调查进行综合评价,最大程度地降低了人为因素的影响,构造严密,条理清楚,已在日本得到广泛采用44。1993年ACIcommittee364的5修复前混凝土构造的评估指南645,
20、具体阐述了混凝土构造评估的细节步骤。Sabnis等46结合工程实际建立了一种构造分级评估系统,该系统采用标准化表格形式,应用方便。王铁成47讨论了开裂特征值与混凝土强度、裂缝宽度的关系,为钢筋混凝土构造损伤几何形态及耐久性的定量评价提供了新的解析手段。邸小坛等33根据混凝土裂缝宽度对钢筋混凝土构造耐久性影响的模糊特性,建立了裂缝宽度从属耐久性失效的从属函数,提出了构造耐久性失效的模糊概率计算方法,并建议了构造耐久性状态的划分标准。除裂缝外,有研究综合考虑了钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反响等因素长时间作用使构造呈劣化的趋势,并引入可靠度理论进行综合性评估48。也有不少学者利用模糊理论对混凝土构造
21、进行综合的耐久性评估49-51。综上所述,目前混凝土构造耐久性评估方法主要能够分为三类:(1)根据构造检测和监测结果,由有经历的技术人员作出评估,这就是所谓的传统经历法;(2)随着基础科学和计算机学科的发展,借助于模糊数学、神经网络等人工智能手段的综合评估方法;(3)基于可靠度理论的混凝土构造耐久性评估法。关于混凝土构造耐久性寿命预测的研究,目前的主要理论包括三大类:(1)钢筋脱钝寿命理论52-54,这种理论以侵蚀介质侵入到钢筋外表引起钢筋脱钝作为混凝土构造耐久性失效的极限状态,以此来预测构造构件的寿命;(2)混凝土开裂寿命理论55-57,这种理论以钢筋锈蚀引起钢筋外表混凝土出现裂缝作为失效准
22、则,预测构造构件的寿命;(3)抗力寿命理论58-61,这种理论将抗力作为时变随机变量,将荷载视为随机变量或随机经过,分析抗力衰减的构造可靠度,通过可靠度指标变化函数来预测构造构件的寿命。由于工程实际问题的复杂性,混凝土构造耐久性评估和寿命预测中会碰到大量随机的、模糊的以及不完善的信息,而且很多信息是不定性的,难以将其定量化,这种信息不确定性的分析还处于初级阶段,尚无较为合理的混凝土构造耐久性评估形式。因此在实际工程应用中,仍然是以经历判定为基础,以运用层次分析法来进行混凝土构造的耐久性评估为多。目前这些寿命预测方法基本停留在单环境因素作用下混凝土构件的评估与寿命预测,并不能真正实现混凝土构造耐
23、久性全经过的性能评估与寿命预测。随着混凝土构造耐久性理论的深化研究,有学者32,62在总结前人工作的基础上,提出了基于全生命周期的混凝土构造耐久性评估的概念。为了能尽量准确地对在役混凝土构造进行寿命预测,本文以为完善下面两方面研究工作至关重要:(1)构造的使用寿命是材料本质特征的反映,必须寻找耐久性指标,建立其与混凝土的密实度、孔构造等表征混凝土内部构造的特征参量以及钢筋锈蚀速度、锈蚀量等之间的关系。(2)对已存在耐久性问题的在役混凝土构造,须建立混凝土构造动态评估体系,实现根据不断积累的检/监测耐久性指标数据,对混凝土构造进行动态评估,建立寿命预测模型。根据现行行业标准,目前我国对在役混凝土
24、构造耐久性的评估,主要根据试验室快速试验获取的参数以及现场同条件构件破损试验结果,并依靠有经历的技术人员对构造进行现场检测,综合作出评价提出处理意见,同时间接揣测构造的剩余使用寿命。由于该评估方法的数据有限、间断,且无动态反应,因而根据这些不完备信息对混凝土构造进行评估是不准确的,在此基础上建立的基于各种数学模型的构造剩余寿命预报精度更是难以期望。因而,对于在役混凝土构造,提出基于不断积累的检/监测数据的动态评估方法,并据此建立混凝土构造耐久性寿命评估体系,是一项非常重要和有意义的工作。同时,由于实际预测混凝土构造使用寿命较现行的构造耐久性评估方法复杂得多,现有的标准缺乏以给出构造使用寿命的适
25、宜信息。因而需要建立新的标准体系,新的评估标准应具有通用性,且应包括环境特性的描绘、耐久性指标确实定、耐久性检/监测方法、耐久性动态评估方法、材料寿命预测及构造寿命预测结果的报告等。104混凝土耐久性构造层面研究的关键问题根据上述混凝土构造耐久性层面研究内容的总结,以为混凝土构造层面尚缺乏下面几方面的基础理论研究:(1)界定一定环境和使用要求下的混凝土构造耐久性失效极限状态;(2)确定表征材料与构造耐久特征的指标与参数;(3)建立耐久性动态检测数据分析理论。图1混凝土构造耐久性特征时间与构造可靠指标的关系Fig11Therelationoftheconcrete-structuraldurab
26、ilityeigen-timeandstructuralreliabilityindex确定耐久性极限状态是混凝土构造耐久性设计和寿命预测的关键问题,目前尚无定论。根据混凝土材料和构件的劣化经过,依次能够选择不同的劣化状态作为耐久性极限状态,如图1中所示的特征时间t0,t1,t2和t3等。特征时间确实定不仅与构造的耐久性性能指标有关,而且与构造的安全适用可靠指标有关。已有研究成果33,37,39-40,42,52-59表明:各个特征时间确实定并不是绝对的。与此相应的耐久性失效极限状态既可能是正常使用和外观美学的要求,也有可能是构造安全性的要求。从混凝土构造安全储备的角度出发,很多学术观点推荐将
27、t0和t1对应的极限状态作为耐久性失效极限状态;也有学者提出构造寿命极限能够取其可靠指标B值下降到某一水平常所需要的时间,对应于时间t2和t3。为了建立基于性能的混凝土构造全生命耐久性设计理论和寿命预测体系,必须首先确定不同环境和使用条件下耐久性失效极限状态。混凝土构造耐久性设计和寿命预测必需要通过混凝土构造耐久性参数的表达来实现。目前通常是将混凝土保护层厚度和氯离子浸透系数作为表征混凝土构造耐久能力的参数,事实上,这两个参数仅能表征0t0阶段(钢筋锈蚀诱导阶段)混凝土构造的耐久性;由于钢筋锈蚀而导致构造劣化阶段(钢筋锈蚀发展阶段t0t3)的耐久性参数目前尚未见诸报道。而构造劣化阶段耐久参数确
28、实定与合理表征对混凝土构造耐久性设计和寿命预测至关重要,必需要重点研究和明确表达。寿命预测的准确性还依靠于合理的耐久性检测与评估方法。科学的检测与评估应该在混凝土构造中埋入耐久性传感器,动态地、长期地获取混凝土构造的耐久性发展情况和混凝土构造原体耐久性关键参数的信息反应;根据在时间轴上不断积累的监测和检测数据,对混凝土构造进行动态评估,并在此基础上建立构造寿命预测模型。要实现这个目的,首先必须建立混凝土构造耐久性健康监测与检测完善的理论与实用的方法,这样科研和工程技术人员不但能够在某一时刻对混凝土构造耐久性状况进行检测与分析,还同时能够通过健康监测体系实现对混凝土构造耐久性参数的实时观测与分析
29、。健康监测是一个近年来兴起的新兴研究领域,混凝土构造耐久性监测的理论和方法并不成熟。目前,在德国、丹麦和日本等发达国家已经开场研究和应用混凝土耐久性监测理论和技术63,而我国尚无研究全面监测混凝土构造耐久性能的报道。因而,为了到达在役混凝土构造的耐久性动态评估和剩余寿命预测的目的,建立混凝土构造耐久性健康监测与检测理论与实用方法非常必要。5结束语我国目前已处于土建工程新建和维修并存的时期,面临的耐久性问题是发达国家2030年前曾经遇到过的问题,发达国家为此已经付出了宏大代价。为11了避免重蹈覆辙,对混凝土构造耐久性进行深化系统的研究,解决混凝土构造耐久性设计、评估和寿命预测中的关键问题,完善混
30、凝土构造耐久性设计、评估和寿命预测方法是我国科研工作者的迫切任务。本文分析了混凝土构造耐久性设计、评估和寿命预测的研究现状,并就该研究领域的发展方向提出了一些观点。同时,提出了在混凝土构造耐久性设计、评估和寿命预测中尚存在的一些基本问题,包括:(1)怎样界定给定环境和使用要求下的混凝土构造耐久性失效极限状态;(2)怎样确定表征材料与构造耐久特征的指标与参数;(3)怎样建立耐久性动态检测数据分析理论。这些问题亟待广大从事混凝土构造耐久性研究的学者和科技人员共同研究,以早日建立基于SLCC理念的耐久性设计理论体系和混凝土构造的耐久性动态评估与寿命预测体系。这对于完善混凝土构造耐久性研究体系,以及将
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