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1、本科毕业论文（设计）题 目_ （封面格式，学院统一为黄色皮纹纸）学 院 专 业 年 级 _学 号 _姓 名 _指 导 教 师 _成 绩 _ 年 月 日 目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。0文献综述错误！未定义书签。1绪论51.1本课题的提出及主要工作51.2方法论52简诉损耗对工程结构的影响52.1引言52.2当前混凝土耐久性的研究背景62.3混凝土的破坏机理72.3.1钢筋腐蚀72.3.2冻融循环82.3.3软水作用82.3.4火灾的影响92.3.5化学侵蚀112.4海水中的混凝土132.5结论143分析用的结构、材料和方法144数据分析174.1结构1的数据分析1
2、74.2结构2的数据分析184.3结构3的数据分析184.4用欧拉方程检验结构1和结构2194.5总结235结论235.1结论235.1.1结构1的内力分析图245.1.2结构2的内力分析图295.1.3结构3的内力分析图346混凝土技术的展望39附录139附录259参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。混凝土结构的损耗分析周李静西南大学工程技术学院，重庆400716摘要：大多数结构设计者在设计时最关心的通常是材料的强度；但出于多种原因，现在还必须考虑混凝土的耐久性。尽管在大多数自然环境、沿海环境和工业环境下，组成、浇筑和养护都适当的混凝土通常表现出良好的耐久性，但混凝土结构过早劣化
3、的案例仍旧时有发生，这提醒我们要注意控制那些使混凝土耐久性缺乏的因素。对混凝土耐久性不利的因素有钢筋锈蚀、冻融循环、碱集料反应、硫酸盐侵蚀和收缩开裂等。特别注意了海水中的混凝土，因为暴露于海水中的混凝土结构，通常是各种物理和化学因素在同时作用；所以研究海水中混凝土的表现，可以使我们清楚的认识到实际影响混凝土结构耐久性问题的复杂性。本论文采用手算和ANSYS软件分别分析了在损耗发生后，结构刚度不断降低的情况下整体结构的内力是如何变化的，以及是否有足够的能力继续承载。关键词：钢筋腐蚀，冻融循环，软水作用，化学侵蚀，火灾影响，海水中的混凝土，耐久性Durability of ConcreteZHOU
4、 lijingCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract：Engineering Structures main functions are to remain intact during the design service life. However, the performance of engineering structures changes all the time. Generally speaking, degradation mech
5、anisms lead to decreasing performance. During the design stage, unforeseen maintenance and measures may cause high costs for repair and, in the most severe case, human casualties. Meanwhile, the environmental impact of structure is increased substantially over its whole service life time. As a resul
6、t, it is necessary to be acquainted with the knowledge of the long-term behaviour of materials, building components and structures for avoiding such problems.Key Words：Steel Corrosion in Concrete, Freeze-thaw attack, Soft Water Attack, Chemical attack, Fire damage, Performance of Concrete in Marine
7、Environment, Durability0文献综述工程结构的主要功能便是在设计使用年限内保持完整。然而，钢筋混凝土结构由于受到各种环境条件的侵蚀，往往在服役寿命期间其结构承载能力一直在改变直至遭到破坏。在设计年限内，许多现有的结构通常在使用不久的情况下便表现出明显的腐蚀，导致需要昂贵的维修费用，在更严重的情况下，还有人员的伤亡。在绝大多数案例中，往往是结构的耐久性不够或是忽略了正常的维护。国际混凝土界得泰斗Mehta教授曾论述到：“一些屹立了2000年之久的无筋混凝土结构，例如用缓慢硬化的火山灰石灰水泥建造的古罗马万神殿和欧洲的几条输水古道仍然完好；同时20世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝
8、土结构则迅速地恶化。当暴露在侵蚀环境，例如除冰盐和海水中，桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结构在不到20年的时间里就出现严重的耐久性问题。”正是出于对普遍存在的混凝土结构耐久性的担忧，对混凝土技术可持续发展前景的关注，使我们加大了对混凝土耐久性的研究。事实上，混凝土结构的过早破坏，已成为全世界普遍关注并日益突出的一大灾害。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Mehta教授在题为混凝土耐久性五十年进展的主旨报告中指出：“当今世界，混凝土破坏的原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。”现在总的达成一致意见是：40年代以来，混凝土建筑工业的
9、迅猛发展，通过对硅酸盐水泥组成成分的变化，在满足强度要求的同时，却不能很好地耐腐蚀、耐冻和保护钢筋。也就是说当今的混凝土结构比50年前更不耐久。而且由于除冰盐应用的日益广泛，水、土壤、大气污染的日益加剧，更加快促进了混凝土结构的破坏。由于各种不同的原因，现在的结构设计者在考虑建筑材料的其他许多方面，如力学性能和一次投入的同时，必须考虑到对结构耐久性的评价。从生态环境上考虑，耐久性的社会经济学意义十分重大。由于材料的失效而进行的结构修复和更新的成本费用日益提高，已占据了建筑总预算的很大一部分。例如，据美国标准局（NBS）1975年得调查表明，美国全年各种腐蚀损失为700亿美元，其中混凝土中钢筋腐
10、蚀损失占40%（280亿美元）。据估算，在工业发达的国家，建筑业全部资源的大约40%都被用于对现有建筑结构的维修和维护，而用于新建的仅占60%。结构更新成本的上升，加上日益强调使用寿命周期费用而非一次性造价，迫使工程师们越来越重视材料的耐久性问题。总之，无论是在国内还是在国外，由表面磨损、空隙里的盐结晶、冻融循环、混凝土碳化，特别是来自海洋或冷天撒盐化冰雪的氯化物污染引起的钢筋腐蚀破坏，日益成为严重威胁钢筋混凝土上部结构耐久性的最主要原因。由它造成的直接或间接损失远远超出人们的想象。目前我国正处于建设的高峰期，如果不吸取教训，重视提高混凝土的耐久性，延长工程使用寿命，那么若干年后，势必会像现在
11、的美、英等发达国家一样为混凝土结构的维护和维修付出昂贵的代价和承担严重的负担，从而会制约整个社会主义经济的健康、飞跃发展。所以，对混凝土结构耐久性的研究不仅可以延长结构的使用寿命周期和提高维修、维护技术，还可以将整个维修和维护费用降到最低。为了避免出现以上的问题，因此我们有必要熟悉材料的长期性能、构筑物和建筑结构。材料耐久性的好坏，直接影响到土木工程结构或构筑物的使用与安全。在现实生活中有的结构需要在维修之后才能继续使用。然而，现有结构和维护结构之间的相互作用会使对结构耐久性的评估更加复杂。对材料耐久性知识的掌握，使我们能在设计使用年限、环境循环周期和环境周期成本下更好的评估结构。因此，掌握材
12、料的耐久性不管是对结构的维修还是对结构耐久性的评估都是必要的。1绪论1.1本课题的提出及主要工作建筑材料的耐久性对工程结构起着至关重要的作用，通过ANSYS软件分析法和力矩分配法计算进行相关的比较分析，进而总结出材料损耗对结构影响的变化规律。本论文旨在通过分析总结提供比较全面的关于建筑材料耐久性相关方面的知识，以及如何确定设计使用年限和如何对钢筋混凝土结构更好的进行修补与维护。为了进行更详尽的分析，相关规范以及对门式框架结构的分析在本论文中均会有涉及。本论文的主要目标是：1为评估结构的服务年限提供相关方面的技术知识。2为评估结构损耗对结构稳定性的影响提供相关方面的技术知识。3分析结构构件的缺陷
13、对整个结构的影响。1.2方法论为了达到本论文的最终目的，文中给出的三个工程结构的例子分别采用了手算法和运用ANSYS软件的电脑分析法。这三个文中涉及的工程结构的例子分别是：刚性连接的长方形门式框架，长方形摇摆架，两跨度刚性连接的门式框架。首先，采用力矩分配法对结构进行分析。然后，用ANSYS软件在电脑中建模分析。最后，比较两种分析的方法的数据，会发现结果有细微的差别。这是因为运用ANSYS软件的电脑分析考虑了轴力的影响，而力矩分配法计算时我们通常会忽略轴力的影响。2简诉损耗对工程结构的影响2.1引言由于各种不同的原因，现在的结构设计者在考虑建筑材料的其他许多方面，如力学性能和一次投入的同时，必
14、须考虑到对结构耐久性的评价。从生态环境上考虑，耐久性的社会经济学意义十分重大。由于材料的失效而进行的结构修复和更新的成本费用日益提高，已占据了建筑总预算的很大一部分。例如，据美国标准局（NBS）1975年得调查表明，美国全年各种腐蚀损失为700亿美元，其中混凝土中钢筋腐蚀损失占40%（280亿美元）。据估算，在工业发达的国家，建筑业全部资源的大约40%都被用于对现有建筑结构的维修和维护，而用于新建的仅占60%。结构更新成本的上升，加上日益强调使用寿命周期费用而非一次性造价，迫使工程师们越来越重视材料的耐久性问题。2.2当前混凝土耐久性的研究背景钢筋混凝土是一种被广泛应用的建筑材料，在路桥、建筑
15、、平台和地下结构如隧道、钢筋混凝土管道等领域中均有应用。一般来说，钢筋混凝土被认为是一种非常耐久的材料，可以承受各种恶劣环境如海洋、工业和高山气候等条件下的侵蚀。尽管大多数情况下，钢筋混凝土结构表现出良好的长期性与高耐久性，但仍然有许多因早期混凝土劣化而引起的混凝土结构的破坏，例如30年代建造的美国俄勒冈州Alsea海湾上的多拱大桥、美国旧金山海湾上第一座跨海湾的San Mateo-Hayward大桥、Hood航道桥东半部、瑞典的Oland桥、哈尔滨大庆公路、浙江宁波北仑港以及北京、天津的许多立交桥。事实上，在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Mehta教授在题为混凝土耐久性五
16、十年进展主旨报告中指出：“当今世界，混凝土的破坏原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。”钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀是一个很复杂的过程，它在很大程度上受到结构所暴露的环境条件与混凝土之间相互作用的影响。从对以上例子的环境监测得到的数据来看，钢筋混凝土结构的暴露条件对钢筋发生腐蚀的位置和腐蚀程度，均有显著的影响。总之，无论是在国内还是在国外，由表面磨损、空隙里的盐结晶、冻融循环、混凝土碳化，特别是来自海洋或冷天撒盐化冰雪的氯化物污染引起的钢筋腐蚀破坏，日益成为严重威胁钢筋混凝土上部结构耐久性的最主要原因。由它造成的直接或间接损失远远超出人们的想象。目前我
17、国正处于建设的高峰期，如果不吸取教训，重视提高混凝土的耐久性，延长工程使用寿命，那么若干年后，势必会像现在的美、英等发达国家一样为混凝土结构的维护和维修付出昂贵的代价和承担严重的负担，从而会制约整个社会主义经济的健康、飞跃发展。所以，对混凝土结构耐久性的研究不仅可以延长结构的使用寿命周期和提高维修、维护技术，还可以将整个维修和维护费用降到最低。2.3混凝土的破坏机理混凝土是当今世界应用最为广泛的建筑材料，它是由普通硅酸盐水泥、集料和水经充分拌和，在水或空气中硬化形成的类似岩石的人工材料。一般来说，材料在外界荷载和周围环境的作用下会产生变形，这样常会导致混凝土的开裂。当混凝土承受荷载时会呈现弹性
18、和非弹性应变，干燥或冷却时会呈现收缩应变。当混凝土受到约束时，收缩应变将导致复杂的应力模式，这样就常常引起混凝土的开裂。混凝土总的破坏过程是相当复杂的，在混凝土界面不仅有电化学、化学反应，而且也有侵蚀介质与混凝土内反应产物的迁移过程。纵观钢筋混凝土的各类破坏机理，钢筋锈蚀、冻融循环、碱集料反应、硫酸盐侵蚀和收缩开裂等是钢筋混凝土劣化的主要原因。2.3.1钢筋腐蚀事实上在混凝土结构中钢筋的腐蚀引起了绝大多数混凝土结构的破坏。因此，弄清混凝土中影响钢筋腐蚀速率的因素，降低维修和维护成本从而保证结构安全是十分必要的。混凝土结构中钢筋腐蚀的总过程是十分复杂的，因此影响其反应速率的因素也多种多样。但混凝
19、土结构中钢筋腐蚀过程的发生与持续必须满足四个条件：（1）发生阳极反应；（2）发生阴极反应；（3）阴极反应部位与阳极反应部位之间形成离子流；（4）形成电子流。根据上述四个条件，我们可以把影响钢筋腐蚀发生与持续的主要因素分为如下：（1）可获得氧气量的多少；（2）水分含量与混凝土作为电解质时的电阻；（3）相对湿度的影响；（4）混凝土碳化和氯离子诱导腐蚀。在钢筋腐蚀过程中影响腐蚀过程发生与持续的这四个因素是息息相关的。因为只有当氧气含量在钢筋界面处达到适当的量时，阴极反应才有可能发生。而混凝土中氧气含量的多少与扩散系数主要取决于混凝土品质、混凝土的渗透性和混凝土中水分含量的多少。而混凝土中水分含量的多
20、少以及孔结构与孔溶液组分又决定了混凝土的电导率，根据Hunkeler的研究表明，随着相对湿度的下降，电导率显著降低，当相对湿度在40%80%是，电导率接近于零。另一方面，相对湿度不仅影响电导率还影响着混凝土的毛细管吸力，研究表明毛细管吸力对干燥混凝土比对潮湿混凝土更有效。最后，毛细管吸力又对氯离子的吸收量和混凝土的碳化反应至关重要。综上所诉，混凝土的渗透性才是控制各个阶段锈蚀过程的关键。2.3.2冻融循环土木工程材料大多属于人造无机非金属材料。这些材料在生产过程中，由于生产工艺上的要求和组成上的要求，在生产材料时必须加入一定数量的水。为达到生产工艺所要求的施工性质：流动性和可塑性等，实际用水量
21、往往比设计组成的多。这些多余的水在材料内蒸发后即在材料内部留下了大量毛细空隙。混凝土内大量的毛细空隙加上用多孔岩石生产的骨料构成了混凝土复杂的微观结构。显然，混凝土的抗冻性取决于水泥浆基体和骨料的特性。但是，实际上混凝土的抗冻性是几个因素交互作用的共同结果。这些因素分别是：逸出边界的位置、体系的孔结构、饱水程度、冷却速率和材料的抗拉强度。其中逸出边界的位子是释放压力水分需要迁移的距离，这个可以通过在混凝土中引气来加以改善。体系的孔结构指的是孔径大小、数量和连通性，可以通过采用适当的配合比和改善混凝土的养护条件来控制。混凝土的饱水程度指的是其中可结冰水分的含量。混凝土存在一个临界饱和度，当超过这
22、个临界值并且暴露于非常低的温度时混凝土就容易开裂或是剥落。一种混凝土在经过充分养护后可能会降到临界饱和度一下，但当环境潮湿时，可能又再次达到或超过临界饱和度，这取决于混凝土的抗渗透性。实际上，正是临界饱和度与实际饱和度之间的差值决定着混凝土的抗冻性。材料的抗拉强度，指引起断裂必须超过的值。事实上，高强混凝土未必能保证具有高耐久性。例如，就受冻害来说，没有引气的混凝土强度高于引气混凝土，但引气混凝土却可以在冻融循环作用下因为可以避免产生高水压力而具有良好的忍受冻害的耐久性。冰冻作用所带来的最常见的损伤是混凝土因水泥浆基体反复受冻融循环作用逐渐膨胀引起的开裂和剥落。2.3.3软水作用水作为大自然中
23、储存量最为丰富的流体，它存在的形式多种多样，例如：江水，河水，湖水，海水，雨水，雪水，地下水，水蒸气等等。水分子很微小，能够渗透进极为细小的孔洞。同时水作为一种溶剂，又可以比其他的液体溶解更多的物质。所以水既是许多天然材料的组成，也是使它们遭到破坏的介质，能引起物理劣化和化学劣化。由于在正常温度下，水往往能在多孔材料中保持液态，它的内部迁移和结构变化通常会引起多种类型的有害体积变化。因此在多孔固体材料中，水被认为是多种物理劣化过程的起因。同时作为侵蚀性离子迁移的载体，水中存在着很多离子和气体，所以能够引起固体材料发生化学分解引起化学劣化。混凝土广泛应用于运河、桥梁、建筑以及地下管道等领域。由于
24、混凝土是一种多孔固体的碱性材料，在水的传输中，混凝土的劣化包括因长期遭受水的缓慢冲刷而造成材料剥落的物理劣化和由混凝土的渗透性、水的酸碱性以及水中离子的种类和浓度所控制的化学劣化。事实上，混凝土的劣化很少由其中某一单一的原因引起，通常是各种条件的、长时间的综合影响。在材料退化加剧的阶段，通常不止有一种劣化原因在起作用。总之，引起混凝土劣化的物理和化学因素相互间都是紧密联系、相互加强的。所以在对混凝土劣化过程进行分析时，不仅要对各种相关现象分别进行系统地、逐一地解释，还要特别注意几种现象同时存在并发生交互作用所产生的影响。因此，水作为破坏介质而引起的一系列问题日益成为混凝土耐久性问题的核心。2.
25、3.4火灾的影响公共建筑、工业建筑以及住宅建筑设计时所要考虑的问题之一便是火灾事故中人们的安全。与钢材不同，混凝土在700800的高温下，在一定时间内仍能保持足够强度，降低结构倒塌的危险，使人们能在这段时间内展开营救。与木材和塑料不同，混凝土是不燃物，即使暴露于高温条件下也不会散发有毒烟雾。因此，混凝土在工程结构中应用最为广泛。与其他劣化现象一样，混凝土对火灾的反应也受其他因素所控制，例如：混凝土的渗透性、水泥浆体和骨料的组分、构件的尺寸和升温速率等。混凝土在高温条件下的反应是许多因素同时交互作用的结果，但由于其复杂性，很难具体而准确地去逐一分析这些因素。本节主要讨论了高温对水化水泥浆体的影响
26、、高温对骨料的影响、高强混凝土在火灾中的表现以及火灾后混凝土构件的氯化物污染。高温对水化水泥浆体的影响取决于水化程度和潮湿状态。由于水化良好的硅酸盐水泥浆体主要是由氢氧化钙、水化硅酸钙（C-S-H）和水化硫铝酸钙组成。在含有大量自由水和毛细孔水的同时，饱和浆体还含有吸附水。当混凝土处在高温条件下时，容易失去各种类型的水分。大量可蒸发水的存在有利有弊。从火灾防护角度方面来看是有利于火灾中结构安全的，由于水变成蒸气需要大量的蒸发热，在所有水分未被蒸发前，其温度就不会升高。但从另一个方面来看，当材料内部的蒸气压增大，其速率大于将水蒸气释放到空气中的速率时，就会发生剥落现象。在实际中发现骨料的孔隙率和
27、矿物组成对混凝土在火灾中的表现有重要影响。例如：含石英的硅质骨料（如砂岩和花岗岩），当温度达到573左右时，石英类型的转变会带来0.85%的体积膨胀从而引起混凝土的破坏；对于碳酸盐岩石骨料，当温度达到700左右时，由于碳酸盐岩石的分解作用亦会引起混凝土的破坏；而骨料的矿物组成决定着骨料和水泥浆体之间热膨胀的差异和界面过渡区的最终强度。由于现行的防火设计规范是根据普通混凝土制定而成的，并没有涉及高强混凝土。但实验室的研究和实际使用性能表明：暴露于相似的高温条件下时，高强混凝土与普通混凝土的表现是不同的。在热应力的作用下，高强混凝土与普通混凝土的强度损失是不一样的，而且高强混凝土在火灾中更容易发生
28、爆炸性的破坏。这些现存的防火规范并没有说明高强混凝土在火灾中有发生爆炸性破坏的可能性，所以现行的防火规范可能不适用于高强混凝土。根据Phan和Carino的调查研究表明，高强混凝土比普通混凝土更容易出现爆炸现象，而爆炸会危及构件的结构完整性，不利于防火和实施营救。由于火可以热分解有机化合物，因此含氯量很高的聚氯乙烯在8090下会分解，放出气态HCl，气态HCl的放出量随着温度的升高逐渐增多。在大约300是完全分解。当它溶解于水中时形成pH值低于1的盐酸。这种酸在构件表面冷凝，与混凝土空隙液中的钙离子反应生成氯化钙，然后氯离子通过毛细管作用和扩散作用渗透到混凝土更深出，事钢筋表面的氯离子浓度升高
29、，从而引起钢筋腐蚀。所以，在火灾后，混凝土构件通常为氯化物所污染。因此，为控制材料的可燃性，可掺杂其它的含氯材料。2.3.5化学侵蚀混凝土的化学劣化过程通常指的是外界环境的侵蚀介质与水泥浆体组分之间的化学反应，但也有列外，碱骨料反应：它指的是水泥浆体中的碱与骨料中某些活性物质以及钙矾石之间的反应。在水化良好的硅酸盐水泥中，固相通常是由不溶于水的钙水化物组成，呈碱性。当与酸性环境相接处时，混凝土将处于化学不平衡，其孔隙溶液碱度的降低最终会导致凝胶性水化产物失去稳定性。理论上，任pH值小于12.5的环境都可归为侵蚀性条件。但由于混凝土受化学侵蚀的速率是侵蚀液pH值和混凝土渗透性的函数，所以当混凝土
30、的渗透性小且侵蚀液的pH值大于6时，化学侵蚀的速率就比较缓慢，问题不严重。事实上，混凝土的劣化通常不是单一因素作用的结果。例如，混凝土的化学侵蚀会表现为孔隙率和渗透性的增大、强度降低以及开裂和剥落等物理性破坏。当化学和物理破坏过程共同作用相互加强时，混凝土的劣化会加剧。为了进一步进行分析，我们将化学过程分成以下几部分进行讨论。最后，在本章的最后一节将主要讨论海水环境下混凝土的耐久性，因为近海和沿海混凝土结果是受到化学和物理破坏过程的交互作用，恰好能说明混凝土工程耐久性问题的复杂性。一、碱骨料反应混凝土通常是由普通硅酸盐水泥、集料（砂与碎石）和水经充分拌和而成，其中来自硅酸盐水泥的碱离子、氢氧根
31、离子常与骨料中的某些活性硅物质产生反应。近年来，对混凝土劣化分析的报告中把这类现象定义为碱骨料反应。对大量混凝土劣化事故的研究表明，潮湿环境中结构的开裂、破坏的可能原因之一便是碱骨料反应。因此，为了延长近海结构或沿海结构的耐久性，弄清碱骨料反应的反应机理进而控制该现象的发生就显得十分必要了。大量案例的研究表明，影响碱骨料反应的可能因素如下：（1）硅酸盐水泥中的碱含量和混凝土中硅酸盐水泥的用量；（2）碱活性骨料的含量；（3）混凝土结构是否连续暴露于潮湿环境中；（4）环境是否能提供足够的碱金属离子。ASTM C 150把氧化钠当量小于0.6%的水泥定义为低碱水泥；把氧化钠当量超过0.6%的水泥定义
32、为高碱水泥。研究表明，对于普通的硅酸盐水泥，当含碱量小于等于0.6%时就不必考虑由碱骨料反应引起的结构危害；对于水泥用量比较高的结构，即使碱含量小于0.6%也可能引起结构危害，但此时若将混凝土中总的碱含量控制在3以下，就不用考虑由碱骨料反应引起的有害膨胀了。由于骨料是组成混凝土的重要成分之一，而现实中，大多数的硅酸盐或硅质矿物都能与碱溶液发生反应。因此为了有效的控制碱骨料反应，我们把矿物划分为有害矿物和无害矿物，其中有害矿物的碱活性又有高低之分。根据研究已发现的无害矿物有：石英、云母、辉石、长石和角闪石等；有害矿物有：鳞石英、方石英、黑曜石和蛋白石等，其碱活性从高到底。所以，在考虑混凝土的配合
33、时，我们一般采用无害矿物质作为骨料或轻度的碱活性矿物作为骨料以减小混凝土的膨胀。大量的调查研究，如：童保全等1984年调查浙江沿海的钢筋混凝土水闸、黄孝衡等1985年对华北地区海港钢筋混凝土码头的调查等，表明暴露于连续的潮湿环境中会造成混凝土的劣化。这是因为，在碱骨料的反应过程中或反应完成后水的参与是结构物产生膨胀的根本原因。因此，在发现裂缝后迅速的修补，防止水分渗入混凝土中，有害膨胀可能就不会发生。根据美国一些实验室和现场研究的数据表明，氢氧根离子和碱金属离子同时存在是发生膨胀现象的必要条件。由于水硬性硅酸盐水泥在反应后本身就含有大量的氢氧化钙，因此氢氧根离子在空隙液中的浓度比较高。在这种条
34、件下，阻断环境中碱金属离子的来源，膨胀现象就会因碱金属离子的缺乏而受到限制。二、硫酸盐侵蚀硫酸盐对混凝土的侵蚀可以分为两类：一类是由水硬性硅酸盐水泥浆体和外界硫酸根离子反应导致的混凝土膨胀和开裂；另一类是由混凝土内部的硫酸根离子引起化学硫酸盐侵蚀而导致的混凝土膨胀和开裂。实际上水硬性硅酸盐水泥浆体和外界硫酸根离子之间的化学反应主要取决于三个因素：（1）接触水中的硫酸根离子的浓度和来源；（2）混凝土中水泥浆体的成分；（3）相关阳离子的类型。根据硫酸盐的浓度可以将侵蚀划分为四类：（1）当水中的硫酸盐含量低于150mg/L或土壤中的硫酸盐含量低于0.1%时为可忽略的硫酸盐侵蚀；（2）当水中的硫酸盐含
35、量在（1501500）mg/L或土壤中的硫酸盐含量为0.1%0.2%时为中等硫酸盐侵蚀；（3）当水中的硫酸盐含量为（150010000）mg/L或土壤中的硫酸盐含量为0.2%2.0%时为严重的硫酸盐侵蚀；（4）当水中的硫酸盐含量超过10000mg/L或土壤中的硫酸盐含量超过2.0%时为非常严重的硫酸盐侵蚀。当水泥浆体中的氢氧化钙和含铝的水化物与硫酸根离子接触反应生成高硫型水化物和钙矾石时，由于结晶生长产生的压力和结晶不良的钙矾石吸水引起的膨胀最终会导致混凝土的膨胀和开裂。若硫酸盐溶液中的阳离子类型大多数为钠离子和镁离子时，则会因阳离子交换反应形成石膏引起混凝土的膨胀。事实上由混凝土内部的硫酸根
36、离子引起的化学侵蚀，主要是因为：（1）拌制混凝土的骨料被石膏污染了；（2）配制混凝土所用的水泥硫酸盐含量过高。这两个因素都会造成在混凝土蒸养过程延迟钙矾石的形成。钙矾石在混凝土蒸养过程中的分解，以及在混凝土使用过程中的再次形成，会造成混凝土的膨胀和开裂。2.4海水中的混凝土海洋环境占据我们星球表面的80%，世界人口日益增多，资源日益匮乏。为了缓解陆地上的人口密集、环境污染和资源匮乏的压力，众多混凝土近海钻井平台、废物处理平台和发电厂在最近几十年里纷纷建成。然而事实表明暴露于海洋环境下的混凝土会因物理和化学劣化的共同作用而迅速劣化，从而导致混凝土结构的破坏。海水的化学成分复杂多样是导致混凝土迅速
37、劣化的主要原因。事实上，大多数海水的化学成分是均匀的，其可溶盐的质量含量大约在3.5%左右。其中钠离子和氯离子的浓度最高，其浓度分别为11000mg/L和20000mg/L；镁离子和硫酸根离子的含量充足，其浓度分别为1400mg/L和2700mg/L。根据混凝土的化学侵蚀可知，这四种离子浓度较高的离子对混凝土来说均是有害组分。尽管都是硫酸盐对混凝土中的水泥浆体侵蚀产生大量的钙矾石，但其破坏形式却有所不同：在海洋环境下，混凝土的劣化并不表现为膨胀和开裂，而是表现为其固体组分的消蚀或失重，这是因为反应产物一旦形成就可能会立即被海浪冲走。除化学侵蚀以外，碱骨料反应、混凝土内因部分受潮而导致的盐类结晶
38、压力、寒冷气候下的冻融循环、混凝土中埋设钢筋的腐蚀以及波浪和漂浮物的冲帅等，都可以造成对混凝土的侵蚀。事实上，暴露在海洋环境的混凝土结构往往遭受这些侵蚀的共同作用。对已劣化海工混凝土的案例研究得出了如下三个重要的结果：（1）混凝土的渗透性是结构耐久性的关键；（2）海工结构的侵蚀类型和严重性取决于暴露条件；（3）埋设钢筋的锈蚀是混凝土劣化的主要原因。2.5结论以前大多数结构设计者在进行结构设计时最关注的是混凝土的强度特性；但现在出于各种原因，结构设计者除了要关注建筑材料的力学性能和一次投入使用成本之外，还需要考虑到混凝土的耐久性。由材料失效导致的维修成本和结构翻新的成本日益提高，使人们意识到混凝
39、土的耐久性具有极大的社会经济价值。其次，人们现在还意识到混凝土的耐久性和生态环境密切相关，延长结构的使用寿命也可以保护生态环境。因此，对混凝土各种破坏过程和机理的研究，可以在实际过程中控制混凝土的劣化，降低对结构的维修和维护费用，从而降低结构的使用寿命周期费用。参考文献1洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护.北京：中国铁道出版社，1998.1-386.2赵海峰，蒋迪.ANSYS8.0工程结构实例分析.北京：中国铁道出版社，2004.1-277.3Bohni，H.钢筋混凝土结构的腐蚀.蒋正武，龙广成，孙振平.北京：机械工业出版社，2009.1-206.4Mehta，P.K.，Monteiro，P.J
40、.M.混凝土：微观结构、性能和材料.覃维祖，王栋民，丁建彤.北京：中国电力出版社，2008.1-434.5Moaveni，S.有限元分析.欧阳宇，王崧.北京：电子工业出版社，2003.1-417.6朱崇钊.CFRP及CFRP结构在海水腐蚀环境下的耐久性能研究.青岛：青岛理工大学，2006.7贺鸿珠，范立础，史美伦.海水对不同强度混凝土中钢筋锈蚀的影响.建筑材料学报,2004年,第7卷（第3期）：292-294.8占宝剑.盐水侵蚀和冻融对混凝土性能的影响研究.武汉：武汉理工大学，2009.9张峰，祝金鹏，李术才等.海水侵蚀环境下混凝土力学性能退化模型.岩土力学，2010年，第31卷(第5期):1
41、470-1474.10韩秀星，刁波.中国与欧洲混凝土结构规范耐久性设计异同.混凝土，2010年，第3期（总第245期）：54-57.11孙志伟，任昭君，赵铁军.海水对混凝土断裂能及强度的影响.混凝土,2007年,第7期（总第213期）：9-13.12张义顺，金祖权，李小雷.混凝土在受压下的破坏机理研究.焦作工学院学报（自然科学版），2002年，第21卷（第2期）：124-126.13覃丽坤.高温及冻融循环后混凝土多轴强度和变形实验研究.大连：大连理工大学，2003.14薛淑萍，伊安海，邵慧.基于消除氯离子渗入途径的海工钢筋混凝土耐久性实验研究.混凝土，2010年，第3期（总第245期）：46-50.15朱林辉，付玉秀，金永华.裂缝与钢筋混凝土耐久性的关系.中国高新技术企业，2010年，第1期（总第136期）：137-138.16JGJ/T 193-2009.混凝土耐久性检验评定标准.致谢感谢在毕业设计期间王鹏老师给予我的意见、指导和帮助。感谢所有在我大学学习期间给予我帮助的同学。
