寒冷地区高性能混凝土病害与防治.doc

寒冷地区高性能混凝土病害与防治 黑龙江省混凝土及外加剂专家委员会 前言 　　水泥混凝土是近现代最广泛使用的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。进入20世纪以来，以混凝土为建筑材料的工程结构物得到飞速发展，与其他建筑材料相比，混凝土以其良好的综合性能已成为楼宇、桥梁、大坝、公路和城市运输系统等现代化标志的首选材料。据不完全统计，当今世界每年消耗的混凝土量不少于45亿立方米，而且在21世纪将继续稳定增长[1]。 水泥混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发展历程，似乎人们总是乐于追求强度的不断提高。但是近四五十年以来，混凝土结构物因材质劣化造成过早失效以至破坏坍塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。这些混凝土工程的过早破坏，其原因不是由于强度不足，而是由于混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到10年的时间，混凝土表面即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露。美国国家材料顾问委员会1987年提交的报告报道，约有25.3万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏(其中部分仅使用不到20年)，而且每年还将增加3.5万座；同年Litvan和Bickley发表了对加拿大停车场的检测报告，他们发现大量停车场在远比预计的服务寿命要早得多就出现破坏 [2]。美国1991年在提交国会的报告《国家公路和桥梁现状》中指出，美国当时的全部混凝土工程价值约6万亿美元，而每年用于维修的费用高达300亿美元；南非1981年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2700万英镑，这些结构物多是在建成后3～10年内就发现开裂破坏。英格兰岛中部环形线的21km快车道，11座混凝土高架桥的建造费是2800万英镑(1972年)，因冬季撒盐化冰雪，两年后就发现钢筋锈蚀将混凝土顺筋胀裂，到1989年的15年间，修补费高达4500万英镑(即为造价的1.6倍)，估计以后15年(到2004年)还要耗费1.2亿英镑(累计接近造价的6倍) [3]!日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上，日本引以自豪的“新干线”使用不到10年就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象[4]。 我国基本建设比发达国家迟三十多年，但已建的一些工程也有类似令人堪忧的状况，有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。据统计，我国现有建筑面积50亿平方米，其中约23亿平方米需分期分批进行鉴定加固，近10亿平方米急需维修加固。1989年，建设部科技发展司组织调查组对北京、西宁、贵阳等地的一些建筑物进行了调查，结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安全使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修和加固[4]。我国在50年代兴建的大坝有许多已经成为陷入危境的“病坝”：截至1997年年底，驰名中外的安徽佛子岭、梅山、响洪甸三座老坝共亏损1亿多元，仅佛子岭1997年一年就亏损1700万元，而在修补佛子岭的设计预算中，只修两个拱就需要1400万元。1985年水电部调查报告表明：我国水工混凝土的冻融破坏在“三北”地区的工程中占100%，这些大型混凝土工程一般运行也就30年左右，有的甚至不到20年，如云峰宽缝重力坝，运行19年后下游面受破损显著，表面剥蚀露出骨料，总面积约8500平方米；而丰满重力坝自从运行后就年年维修，运行33年后，上、下游面及尾水闸墩破损明显，表面露出钢筋，冻害严重，致使坝顶抬高10余厘米。港口码头工程，特别是接触海水工程，其受冻破坏的现象更为严重，破坏的结构主要是防波堤、胸墙、码头、栈桥等，如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，经十几年左右的运行，就被冻融破坏以致不能发挥作用了。地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥涵、交通部门的混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土，接触雨水、蒸汽的部分，排水系统及受渗透水作用的部分，都受到了冻融破坏，如通辽发电厂的冷却塔，筒壁混凝土由于渗水致使混凝土遭受冻融破坏而发生表皮剥落、空鼓等现象。为使上述及类似工程继续发挥作用，各部门每年都要耗巨资加以维修，根据以往经验，混凝土工程安全使用期和维护使用期的比例为1：3～10，但维护使用期的维修费用却高达建设费用的1～3倍[4]。我国南方海港浪溅区钢筋混凝土建筑物由于以往设计标准偏低和施工质量问题，通常使用8～10年即出现因氯盐腐蚀钢筋引起的开裂剥落破坏，维修费用及由此造成的直接、间接经济损失惊人，例如某10万吨级矿石中转码头，使用不到十年即要大修，大修防护费用预计高达上千万元。有专家预计，21世纪初我国将出现混凝土结构物的维修高潮，每年所需的维修费用可能高达数千亿元。我国北方如北京、天津等地的钢筋混凝土立交桥，即使没有像美国北方冷天要常撒盐化冰雪，使用时间也并不长，却已广泛显示钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象，并日益加剧发展[3]。1998年，曾调查我国北方某国际机场使用仅数年的混凝土停机坪，发现混凝土道面多数出现坑蚀剥落破坏[5]，严重影响飞机正常安全起降。后分析得知是由于道面混凝土遭受冻融及除冰盐侵蚀双重破坏作用所致。 可见，由于混凝土的耐久性劣化或失效，世界各国为此付出的代价十分沉重。然而，值得庆幸的是，由于工程安全因素更由于耗费巨资的经济因素提醒了我们，现在，混凝土耐久性问题已越来越受到人们的重视。美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性的重要性，尤其是设计对耐久性问题的重要性，例如设计时，对新建项目在钢筋防护方面无谓地每节省1美元，就意味着当发现钢筋锈蚀时采取措施要多追加维修费5美元，顺筋开裂时需多追加维修费25美元，严重破坏时需多追加维修费125美元。沉重的代价使人们认识到，不仅要用耐久性良好的材料及时修复已出现耐久性劣化的混凝土工程，更重要的是必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计使用寿命，例如一些国家要求建设更为耐久的结构物，设计使用寿命为100年或更长。为此，世界各国都开始专门研究混凝土的耐久性及其改善技术。日本建设省从1980年就组织进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究，并于1985年提交了研究成果概要报告，1986年开始陆续出版发行了《建筑物耐久性系列规程》。有关混凝土耐久性的国际会议也已召开多次，反映了各国研究的最新成果。由欧洲RILEM等公司发起的建筑材料与构件的耐久性国际会议，自1976年以来，每三年举行一次；1989年美国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议；1991年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议。混凝土的耐久性问题在我国也日益受到重视。全国钢筋混凝土标准技术委员会混凝土结构耐久性学术组于1991年成立；中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝土耐久性专业委员会也于1992年11月在济南成立。我国的混凝土耐久性研究已进入有组织的工作阶段[4]。我国正处于基本建设的高潮期，特别是当前国家西部大开发的战略部署，大规模的基础设施工程正在或即将建设，每年混凝土用量高达十多亿立方米，其中许多设施属重点工程，如三峡水利枢纽工程、跨海跨江的特大型桥梁、高等级公路、大中型飞机场等，都是国家投以巨资的项目，均要求高寿命。发达国家走过的路已经表明，如果不重视工程混凝土的耐久性，将付出极大的经济代价，甚至影响经济建设的推进步伐。所以我国十分重视工程质量和耐久性，朱镕基总理就曾对三峡工程作出指示——“千年大计，国运所系”；国家计委、国家科技部在“九五”期间安排了由8家实力雄厚的科研院所承担的重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”，针对混凝土安全性存在的抗碱—骨料反应性、耐腐蚀性、抗冻性、耐钢筋锈蚀性等问题，从材料角度研究混凝土的耐久性。 由此看来，混凝土耐久性已成为国际工程界普遍关注的重大课题。随着科学技术的发展和人类文明的进步，人类生产活动涉及的范围越来越广，各种在严酷环境下使用的混凝土工程，如跨海大桥、海洋工程、核反应堆、电站大坝等不断增多，这些工程关系国计民生，必须实现百年大计甚至千年大计，这就更加要求混凝土具有优异的耐久性即足够长的使用寿命。为此，人们对混凝土耐久性的追求已越来越主动和自觉，甚至超过了过去对混凝土强度的追求，于是以高耐久性为核心内容的高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)便应运而生了。 7.以美国弗吉尼亚州交通研究院的C.Ozyildirim为代表强调：用于交通设施的高性能混凝土最重要的性能是低渗透性与高早期强度，在一些特殊设施中还要求较高的极限强度(40～ 一、高性能混凝土发展概况 　　高性能混凝土自提出以后的10多年以来，世界各国都对其进行了大量的研究开发与推广应用工作。其实早在高性能混凝土这个名词诞生以前，世界各国都已在客观上成功地应用了高性能混凝土，例如[10～11]： 美国西雅图双联广场 C135混凝土 (1988年) 美国芝加哥水塔大厦 C75混凝土 (1975年) 美国纽约Trump塔楼 C65混凝土 (1981年) 加拿大多伦多Nova Scotia广场中心大厦 C80混凝土 (1987年) 日本明石海峡大桥 C40混凝土 (1988年) 进入20世纪90年代以后，高性能混凝土的研究开发与推广应用快速发展，世界各国均对此予以高度重视[1，12～14]。 1986年～1993年，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建成了示范工程。如Joigny城一座三跨后张法预应力钢筋混凝土桥，其混凝土强度等级相当于我国C70；又如Civaux核电站2号反应堆预应力混凝土安全壳，高85m，直径44m，混凝土强度等级为C70，其水泥用量只有240kg/m3，却有很高的气密性；再如英吉利海峡隧道衬里，由于设计寿命为120年，配制了水灰比为0.35～0.32，水泥用量为400kg/m3的混凝土，抗压强度为63MPa，渗透系数极低(K=1.4×10-13m/s)。1996年，法国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元，对高性能混凝土材料设计、耐久性及工程性能进行广泛的研究。 日本建设省于1988～1993年进行了一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术的开发(简称“新RC计划”)”，该计划研究内容涉及到了有关高性能混凝土的高工作性、高强度等方面，获得大量的科研成果，并在工程中获得了试验验证与工程应用。 挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金(SINEF)持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。 瑞典1991年～1997年由政府和企业联合出资5200万克朗，实施高性能混凝土研究的国家计划。 加拿大于1990年启动“优质混凝土科研网”，这是由该国政府提供科研基金(2.4亿加元)的一项国家重大科研项目，集中了7所大学和两家公司的科研力量，经过8年努力，在高性能混凝土及活性粉末混凝土领域取得了举世瞩目的成果，并制定了有关高性能混凝土的规范。 美国在高性能混凝土研究应用方面成果丰富。1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发。美国国家自然科学基金(NSF)、美国国家标准与技术研究所(NIST)、美国联邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的运输部和美国工程兵研究机构，都一直投入大量经费来资助高强混凝土和高性能混凝土的研究开发，例如NSF以每年200万美元的经费定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土进行研究。1999年，美国NIST的建筑与防水研究试验室