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現代混凝土結構環境模擬試驗室技術
更新更新時間：2008-05-30 點擊次數：9474次
為了在試驗室人工模擬環境下進行混凝土早期特性、裂縫控制及耐久性的試驗，需對混凝土結構環境模擬試驗室技術進行研究。分析了環境模擬技術在諸多領域的成功應用，認為建設混凝土環境試驗室是可行的。通過研究混凝土結構的環境模擬、試驗設計、耦合環境的實現以及特種設備儀器的應用等關鍵技術，提出大型多功能自動控制混凝土環境試驗室的建設方案，合理確定試驗室的布局、功能、技術性能指標，并探討了人工氣候環境試驗室設備、儀器的優化配置，為下一步混凝土耐久性、裂縫控制的環境試驗研究奠定了基礎。
1 引言
混凝土結構結合了鋼筋與混凝土的優點，造價較低，是土木工程結構設計中的形式之一，其應用范圍日益廣泛，不僅應用于工業與民用建筑、道路、橋梁、水利工程等建筑和構筑物，而且越來越多地應用于海洋、嚴寒地區、遭受化學腐蝕等復雜工業環境及特殊建筑中。環境的惡化使混凝土結構的耐久性受到嚴重影響，在施工建設和服役過程也暴露出許多值得關注的新問題。其中混凝土結構的耐久性不足致使加固維修費用高昂，混凝土的早期開裂導致結構性能的劣化等問題尤為嚴重。混凝土結構耐久性、早期開裂及裂縫控制不僅與材料內在特性有關，更受控于各種環境參數溫度、濕度等的變化，而現場進行混凝土耐久性試驗，周期長、費用高，實現困難，因此需要創建室內模擬環境進行長期的或加速的混凝土耐久性仿真研究擴結構開裂機理的研究。
環境模擬技術是各種自然環境的人工再現技術和在模擬環境下的試驗技術的一門新的綜合性工程技術。環境模擬技術吸取多門學科熱學、力學、電學、生物學、光學、醫學等和多項技術制冷、真空、空調、加溫、自動控制和計量等的相關理論和方法，是在解決環境模擬和環境試驗的理論及實踐中形成的獨立的技術理論體系。目前，環境模擬技術已廣泛應用于各種科學實驗，在科學研究中具有自然界無法實現的時間可控性、條件重復性和數據性等突出優點，可以大大回憶試驗的進程。
利用環境模擬技術，建設大型多功能自動控制混凝土結構環境模擬室，可以人工模擬各種大氣環境、工業環境的單一因素或綜合因素作用，開展混凝土環境試驗及相關理論研究。在實驗室對混凝土材料、結構的基本的熱學、力學、收縮、徐變、損傷等特性及其與各種氣候環境、海洋環境、腐蝕環境的定量關系進行全面系統的仿真研究，加強材料與結構的學科交叉。針對小型構件或大型結構仿真模型，真實再現工程實際環境，進行結構裂縫的開裂機制、開裂應力發展變化、裂縫形成、結構破壞的全過程跟蹤試驗研究，達到從表觀至本質、微觀至宏觀的規律解析，裂控研究將會有較大的突破。因此研究混凝土環境模擬試驗室技術是非常必要的，對保證結構的安全性、耐久性有重要意義。
2 環境模擬技術應用概述
環境模擬試驗技術在農業、林業、生物、氣象、航空航天、車輛設備、電子產品以及有關材料結構等領域中都有廣泛的應用。
2.1 常規兵器、車輛及設備等環境模擬試驗室
某兵器試驗中心擁有大的氣候環境模擬試驗室，主要承擔火炮、坦克、雷達、火箭、導彈、光學儀器、電子設備等軍用武器裝備的氣候環境試驗，環境模擬試驗室主要有：高溫濕熱試驗室、低溫試驗室、淋雨試驗室、低溫射擊室、高溫射擊室、光電試驗室等。
隨著車輛技術的發展，為考核各種車輛在太陽輻射條件下的性能，相繼建立了大型太陽輻射模擬設備。奧地利維也納亞森納爾車輛試驗中心建造的環境模擬室，能模擬世界各地的氣候條件，能滿足用戶的各種特殊需要。試驗站主要由靜止試驗室和運行試驗室及其他輔助設施組成。靜止試驗室可完成高溫、低溫、濕度、雨、雪、霧、太陽輻射等一定氣候條件下的動態試驗和制動試驗。
日本三菱重工神戶造船所的綜合環境試驗室，主要進行溫、濕度日變化的模擬，試品分別經受雨、雪、霧、太陽輻射的環境試驗，試品在酸雨、酸霧及固體液體懸浮微粒環境的試驗以及綜合性環境試驗等。美國麻薩諸塞州國防航空工業公司Raytheon建設物環境試驗室可進行高精度高強度的靜態、動態、氣候及綜合性的環境試驗研究。
2.2 農業、林業、生物氣候環境模擬室
江西省農科院水稻研究所建設的智能化人工氣候室，陜西楊陵農業科技示范園溫室大棚，浙江大學植物科學實驗中心智能玻璃溫室等，都是現代農業利用環境模擬技術的應用成果同，為植物科學研究提供控溫、控光、控濕的高標準科研條件。俄羅斯生物有機化學協會Branch of Shemyakin & Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry建設的生物人工氣候室，用于研究生物工藝學、先進的種植物材料以及現代溫室植物生長技術。日本森林綜合研究所建設了人工氣候試驗室進行自然環境下樹木生長的研究，可進行不同光照強度、溫度和濕度環境條件的樹木生長對比試驗。
2.3 建筑材料環境模擬試驗室
應用環境模擬技術進行混凝土的環境試驗，是一項新的嘗試性的工作。中國礦業大學于20世紀90年代末建設了人工氣候室，用以在不同的氣候條件下模擬工業腐蝕環境，進行混凝土耐久性測試。所建設和人工氣候室包括空調機房，共占地55.8m2，試驗用的人工氣候室長6m，寬 m，高3.2m。人工氣候室可在一定范圍模擬自然環境中的溫濕度、日照、淋雨、鹽霧、大氣等環境CO2、SO2氣體。該試驗室利用一臺機組，完成制冷、加熱、除濕、加濕功能，并輔以自制的抽屜式硅膠吸濕器進行輔助深度除濕；利用簡易輻射燈具模擬太陽光照；在試驗室內布置噴液管、噴氣管，用以噴入鹽霧和低濃度的CO2、SO2氣體等。
根據所要模擬的各種環境，人工氣候室在工藝及建筑上均有特殊要求。為達到保溫要求，氣候室的墻體采用雙層120mm厚磚墻加防潮層，內嵌120mm厚聚苯乙烯泡沫保溫板，內墻面用環氧膠泥抹面；樓板采用120m厚的空心板加120mm厚聚笨乙烯泡沫保溫板；地面的構造設計成100mm厚混凝土墊層，中間200mm厚泡沫混凝土保溫層，上部100mm厚混凝土面層；并采用雙層保溫門。為了便于觀察室內的情況，在一側墻上安裝了一個固定的雙層玻璃觀察窗。人工氣候室主機放于機房內，風冷式冷凝器置于室外。室內機組的布置緊湊、合理，充分考慮使用空間的要求和便于檢修。人工氣候室的氣流組織采用上送下回式，除了送回風的管道外，還專門設置一條排風管用于試驗結束時氣候室的排風。空調制冷系統的設計與常規空調制冷相比，在技術要求、系統形式、設計方法等方面均有較大的差別。由于受到資金的限制，*達到工藝要求難度比較大，尤其對于低溫低濕和高溫高濕的處理實現起來比較困難。對腐蝕環境的模擬，無疑對機組的防腐提出更高要求，需要采用防腐設備及有效的防腐措施。
人要氣候室內安裝溫濕度傳感器，通過設在控制室內的計算機進行遠程控制。機組內也裝有可編程序控制器進行控制，也可以手動控制。
2.4 結論
環境模擬試驗室可為人們提供一種擺脫自然規律、從時間到空間按主觀的意愿去模擬各種理想環境，服務于科學實驗。在試驗室內模擬各種實際環境作用，研究考核材料、結構或設備等實驗對象對所處的環境產生的環境效應，可獲得實驗對象各種環境條件下的特性、環境適應性。
目前，環境模擬技術已趨成熟。利用單一因素的環境模擬試驗，如溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧、淋雨、風、太陽輻射、空間環境等氣候環境模擬試驗以及靜載、振動、沖擊等力學環境模擬試驗，易于找出單一環境因素對結構性能的影響規律以；綜合環境模擬是指2個以上環境參數同時作用的模擬試驗，可以真實地模擬實驗對象實際經受綜合環境的影響，增加試驗的真實性和可靠性。國內外對于環境試驗也相繼分布了有關的針對各種研究領域的環境試驗標準，但在實際應用中還要進行試驗標準的剪裁、試驗應力篩選等項工作，以得到更加可靠適用的試驗成果。
用環境模擬技術，建設混凝土材料、結構的環境模擬試驗室是*可行的。混凝土結構耐久性、早期特性及裂縫控制研究所需要的各項環境指標，如氣候環境、工業腐蝕環境、海洋侵蝕環境等等，都是可以實現的。因此，開展混凝土結構環境模擬試驗室技術的研究，深入探討混凝土結構環境模擬試驗的關健技術，定能建成高標準高水平的混凝土結構試驗研究平臺，促進混凝土相關學科的發展。
3 現代混凝土結構環境試驗的關鍵技術
現代混凝土結構環境試驗技術包括環境模擬試驗的設計、多種耦合環境的實現、加速試驗與自然環境試驗的相關性以及牿檢測設備、儀器的應用等諸多關鍵環節。
3.1 利用環境試驗剪裁方法，合理確定環境因子
環境試驗的剪裁為根據產品壽命期內將遇到的各種環境及其影響嚴重程度和可以搜集到的有關的環境數據和信息，按照環境試驗不同階段的具體目的，選擇各階段環境試驗項目，確定各項目的試驗條件和試驗程序，合理安排各階段試驗項目實施次序的過程，以使設計和安排的環境試驗滿足檢測要求，保證產品的環境適應性。進行混凝土結構環境試驗，要根據混凝土材料的特性、使用環境、壽命期內所經歷的環境因素，按科學的邏輯推理步驟設計出所需要的試驗項目，試驗的參數、程序順序和失效準則。試驗設計時要確定合理的試驗條件，人工環境試驗對混凝土結構性能產生影響的機理、模式應該與實際工程結構在自然環境條件的性能變化機理相同；對不同使用目的、重要性程度不同的混凝土結構要建立不同的失效準則。
3.2 加速試驗與自然環境試驗的相關性
加速試驗可以相對快速地測試材料結構在長期使用中的特性變化。混凝土環境試驗中加速耐久性試驗考慮環境效應的強度和時間因素，利用加速試驗計算模型評估性能壽命，可節省試驗時間和費用。加速試驗要根據混凝土材料的不同成分、使用的方式以及實際環境等情況設計不同的加速速率，并選用不同的加速試驗計算分析模型。
加速試驗與自然環境試驗的相關性可反映出兩種試驗結果趨同的能力。根據多種基礎試驗包括自然環境長期試驗、各種影響因素的初步加速試驗等確定影響因素的作用效果、作用機理，建立起自然環境試驗與加速試驗的相似性準則，為加速模擬試驗提供理論上的依據。通過相關性的研究，可指導改變各種試驗條件獲得任意的加速試驗方法，同時根據加速試驗結果來預測和評價混凝土結構在自然環境條件下的性能及壽命。
3.3 多種環境的耦合
進行混凝土結構環境模擬試驗，需要模擬的實際環境多種多樣，如單一環境因素的模擬，包括高溫、低溫、濕度循環、濕度循環、寒潮襲擊、劇烈干燥、淋雨、結露、凍融循環、鹽類及化學物質浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環境，以及力學加載環境等。此外，還要實現多種耦合環境的模擬，包括氣候環境與力學荷載作用的綜合、氣候環境與腐蝕工業環境的綜合，等等，充分考慮試驗的綜合環境設置、荷載施加力架的布置、腐蝕環境下加載方式和設備防護等技術問題。
3.4 設備的優化布置及牿檢測儀器應用技術
混凝土環境模擬試驗室是綜合性的環境試驗室，要體現大型、多功能及自動化的特點。試驗室設備種類多，不能將各類單項的環境模擬設備簡單進行羅列，需要進行設備的配置優化研究，充分發揮設備的性能，達到*的環境模擬效果。根據混凝土環境試驗的特點，并且考慮節省能源，較大的試驗空間要進行分割，可進行全空間試驗，也可單獨進行每個隔段小空間的試驗。因此需要進行環境控制設備的配置實驗，分別考慮在端部集中布置或者在各個隔斷空間分別布置兩種方案的技術、經濟及可靠性比較，優化選擇。
混凝土環境模擬試驗室根據研究的需要進行各種各樣復雜環境的模擬，因此所用的檢測設備儀器也要能經受各種環境的考驗。應根據實際的模擬環境，選擇相應的檢測設備儀器。
4 大型多功能自動控制混凝土環境試驗室建設發案
4.1 試驗室主要功能
1 模擬自然條件下的氣候環境、海洋環境、工業環境；
2 人工氣候環境下各種工程材料、結構的耐久性試驗；
3 人工氣候環境混凝土結構熱學性能及早期特性試驗；
4 人工氣候環境混凝土結構裂縫控制研究；
5 海洋環境下工程材料、結構的耐久性試驗；
6 海洋環境混凝土結構裂縫控制研究；
7 工業腐蝕環境下工程材料、結構耐久性試驗；
8 其他有關的環境試驗綜合環境、可靠性試驗等。
4.2 試驗室布局及協調控制
環境模擬試驗室分為2部分，一部分為高低溫濕熱交變日照雨淋實驗區，另一部分為鹽霧、腐蝕氣體環境、海洋環境實驗區，見圖1。兩部分可獨立運行，單獨進行有關試驗，也可交替進行同批次結構模型試件的試驗，即實現試驗環境的綜合性。兩實驗區有效空間分別為：10m×4m×3m和4m×4m×3m。
試驗室各分系統主要有：主室體、空氣循環系統、新風系統、日照系統、淋雨系統、加濕系統、除濕系統、制冷系統、加熱系統、控制系統等。研究各分系統的技術及設備配套，在保證各分系統協調控制的基礎上，進行智能化操作控制。試驗室設備應使用防腐材料，以適應所模擬的腐蝕環境，保證其使用壽命。
試驗室大門與澆筑場地之間的通道設置專門的帶滾輪平板小車及滑移軌道，試件或結構模型在小車上的模具內直接澆筑，拆模后移入試驗室內。
4.3 試驗室的主要技術性能指標
依據試驗室所要實現的功能以及混凝土材料結構的實際工程環境，確定其主要技術性能指標如表1所示。
表1 混凝土環境模擬試驗室主要技術性能指標
項 目 | 高低溫濕熱交變日照雨淋實驗區 | 鹽霧、腐蝕氣體環境實驗區 |
容積/m3 | 10×4×3 | 4×4×3 |
溫度/℃ | -20～70 | +5～60 |
升降溫速率/℃·h-1 | 0～5 | 0～5 |
相對濕度/% | 20～95 | 60～～95 |
風速/m·s-1 | 0～7 | 新風換氣 |
zui大熱輻射強度/KW·m-2 | 1.12±10% | |
鹽霧沉降量/ml·cm-2·h-1 | 0.0125～0.025 | |
雨淋 | 簡易噴淋裝置 | |
腐蝕氣體 | CO2、SO2濃度可調 | |
控制系統 | 計算機自動控制、手動控制 | 計算機自動控制、手動控制 |
加載系統 | 加載反力架、液壓加載 | 加載反力架 |
5 試驗室的配套設備
5.1 加載反力架
試驗室內設計布置水平、豎向反力架及加載千斤頂等。加載反力架初步布置方案如圖2所示。
5.2 混凝土早期特性熱學、力學試驗設備
混凝土環境試驗室進行混凝土早期特性熱學、力學及裂縫控制試驗研究，需配備包括導溫儀、導熱儀、絕熱量熱器、絕熱溫升儀、線膨脹系數測定儀、干縮儀、混凝土早期自收縮測定系統、徐變加荷儀、開裂試驗架、拉伸儀等設備。
5.3 試驗檢測設備儀器
根據試驗要求和所設計的模擬環境，選擇相適應的各種檢測設備儀器：溫濕度檢測儀、光照強度測定儀、風速儀、荷載傳感器、位移傳感器、氣體含量檢測儀、數據采集系統等。
5.4 環保設施
試驗室部分實驗空間存在噪聲、腐蝕氣體等環保問題，應采取減震降噪措施及污染氣體回收凈化措施，配備環保設備，將噪音、空氣污染控制到國家標準允許的水平。
6 結語
利用環境模擬技術，建設大型多功能混凝土結構環境試驗室，是一項創新的、有意義的嘗試。通過對現代混凝土結構環境模擬試驗室技術的研究應用，可從時間到空間模擬所需要的各種環境，如自然氣候環境、工業環境、海洋環境等，并實現多種耦合環境的共同作用。在模擬的實際環境中進行各種工程材料的試驗，可對環境效應進行定性定量的、全面系統的仿真分析，對混凝土的耐久性、裂縫控制、各種早期特性的研究實現從源頭創新，有積極的推動作用。
目前環境模擬試驗技術發展迅速，科技成果不斷涌現，需要掌握環境模擬技術的發展動態和技術水平，根據混凝土結構環境試驗的具體要求，研究混凝土環境模擬試驗室關鍵技術。在此基礎上，建設高標準、高水平混凝土環境模擬試驗室，制定詳細的混凝土早期特性試驗、耐久性試驗、裂縫控制試驗的規劃藍本，為下一步科學研究奠定基礎，促進結構工程學科的快速發展。
混凝土結構耐久性研究
1824年，隨著阿斯普丁發明了波特蘭水泥。便開始了人類應用混凝土建造建筑物的歷史，同時，混凝土結構的耐久性問題也隨之出現。早期，波特蘭水泥主要應用于興建大量的海岸防波堤、碼頭、燈塔等，這些構筑物長期經受外部介質的強烈影響，其中包括物理作用（如波浪沖擊、泥砂磨蝕以及冰凍作用）的影響和化學作用（溶解在海水中的鹽的作用）的影響，這些作用均導致上述構造物的迅速破壞，因此，早期對混凝土耐久性問題的研究主要是集中在了解海上構筑物中混凝土的腐蝕情況 。在19世紀40年代，為了探索在那些年代建成的碼頭被海水毀壞的原因，的法國工程師維卡對水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂漿性能進行了研究，并著有《水硬性組分遭受海水腐蝕的化學原因及其防護方法的研究》一書，是研究海水對水硬性膠凝材料制成的混凝土腐蝕破壞的*部科研著作。1880-1890年，當*批鋼筋混凝土構件問世應用于工業建筑物時，人們便開始研究鋼筋混凝土能否在化學活性物質腐蝕條件下的安全使用以及在工業大氣環境中混凝土結構的耐久性能問題。
本世紀20年初，隨著結構計算理論及施工技術水平的相對成熟，鋼筋混凝土結構開始被大規模采用，應用的領域也越來越廣闊，應此，許多新的耐久性損傷類型逐漸出現，這直接促使人們必須有針對性進行的研究。1925年，美國開始在硫酸鹽含量*的土囊內進行長期實驗，其目的是為了獲取2\ 50a以至更長時間的混凝土腐蝕數據;聯邦德國鋼筋混凝土協會利用混凝土構筑物遭受沼澤水腐蝕而損壞的事例,也對混凝土在自然條件下的腐蝕情況進行了一次長期試驗,1934-1964年間,卡皮斯和戈拉夫對混凝土在海水中的耐久性進行了實驗研究,并提供了許多有關混凝土結構在自然條件下使用情況的可靠數據以及有關水泥種類,混凝土配合比和某些生產因素對混凝土抗蝕性影響的見解.1945年,Powers等人從混凝土亞微觀入手,分析了孔隙水對孔壁的作用,，了靜水壓假說和滲透壓假說,開始了對混凝土凍融破壞的研究；1951年，前蘇聯學者A.A貝科夫,B.M.莫斯克文等較早地開始了混凝土中鋼筋銹蝕問題的研究,其目的是為了解決混凝土保護層zui小的薄壁結構的防腐問題和使用高強度制作鋼筋混凝土構件的問題,起成果反映在B.M.莫斯克文的專著<混凝土餓腐蝕>和<混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕及其防護方法>;同時,在大規模研究工作的基礎上定制了防腐標準規范,如CH262-63,CH262-67建筑結構防腐拾設計標準,為建筑物具有足夠耐久性的混凝土結構奠定了基礎.
進入本世紀80年代,混凝土結構的使用已經進入高峰,同時,混凝土結構的耐久性研究進入了一個高潮,并且開始朝系統化,化方向發展.材料與結構研究所聯合會PILEM于1960年成立"混凝土中鋼筋腐蝕"技術委員會12-CRC,旨在推動混凝土結構耐久性研究的發展,使得混凝土結構正常使用的問題逐漸成為學術機構和性學術會議討論的重要課題之一.于1961年和1961年RILEM分別召開了混凝土耐久性學術會議;1970年在布拉格召開了第六屆,第七屆水泥化學會議;1978年至1993年連續六次召開的建筑材料與構件的耐久性學術會議;1987年,橋梁與結構協會IABSE在巴黎召開"混凝土的未來"會議;1988年在丹麥召開了"混凝土結構的重新評估"會議;1989年在美國和葡萄牙舉辦了有關結構耐久性的會議;1991年美國和加拿大聯合舉行了第二屆混凝土結構耐久性學術會議;1993年IABSE在丹麥哥本哈根召開了結構殘余能力學術會議;2001年3月橋梁結構協會秒百十億代表CIB,ECCS,FIB,RILEM等組織在馬爾他島召開了"安全性,風險性與可靠性______工程趨勢"的學術會議.
這些學術活動的開展大大加強了各國學術界之間的合作與交流,取得了顯著的成果,部分科研成果已應用于工程實踐并成為指導工程設計,施工,維護等的標準性技術文件,如美國ACI143委員會于1991年提出了"已有混凝土房抗力評估"的報告,以及檢測的 詳細方法和步驟.日本土木學會混凝土委員會于1989年制定了《混凝土結構物耐久性設計準則試行》.1992年,歐洲混凝土委員會頒布的<耐久性混凝土結構設計指南>反映了當今歐洲混凝土結構耐久性研究性的水平.2001年亞洲混凝土模式規范委員會公布了<亞洲混凝土模式規范>ACMC2001,提出了基于性能的設計方法.
我國從60年代開始了混凝土結構的耐久性研究,.當時主要的研究內容是混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕.80年代初,我國對混凝土結構的耐久性開始了廣泛而深入的研究,取得了不少成果.中國土木工程學會于1982年,1983年連續召開了兩次全國耐久性學術會議,為混凝土結構規范的科學修訂奠定了基礎,推動了耐久性研究工作的進一步開展.鐵道部,交通部和中國土木工程學會等有關單位結合工程的需要對混凝土結構的腐蝕組織進行了實驗研究,收集了大量的實驗數據.各個高等院作為科研工作的主要力量之一,也為混凝土耐久性研究做了很多工作.1991年12月在天津成立了全國混凝土耐久性小組,它的誕生使我國在混凝土結構耐久性的研究方面朝系統化,規范化的方向邁進一步.國家科委1994年組織的國家基礎性研究重大項目攀登計劃"重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎研究"也取得的很多研究成果.2000年5月在杭州舉行的土木工程第九屆年會學術論討會,混凝土結構的耐久性是大會主題之一,會議認為必須要重視工程結構耐久性的研討.2001年11月國內眾多有關專家學者在北京舉行的工程科技論壇上，就土建工程的安全性與耐久性問題進行了熱烈的討論，混凝土結構耐久性問題得到了的重視。
3混凝土結構耐久性研究的主要內容
所謂混凝土結構的耐久性是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部應素的作用下，保持其自身工作能力的性能。混凝土結構根據所處的環境的不同可以劃分為一般大氣環境、海洋環境、土囊環境及工業環境等。混凝土結構的材料內部應素的作用指的是材料的物理和化學作用，如混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕等。由混凝土耐久性引起的結構工作性能的改變包括混凝土結構構件的承載能力降低，zui終影響整個結構的安全性。因此，混凝土結構的耐久性應考慮環境、材料和結構等方面的因素。
混凝土結構的耐久性可分為環境、材料、構件和結構四個層次，相對而言材料和構件部分的研究較為深入。為了更加直觀地說明混凝土結構耐久性這一課題所涉及的研究內容，特繪制成圖9 。
大氣環境：二氧化碳，水汽，汽
車排汽等
環境層次 海洋環境：氯離子，水等
土囊環境：有害離子，微生物，
水等
工業環境：工業廢渣廢水，水汽
等
碳化機理
混凝土碳化 影響因素
碳化模式
其他中性化因素
混 腐蝕機理
凝 氯化腐蝕 滲入模型
土 防護措施
結 凍害機理
構 材料層次 凍融破壞 影響因素
耐 抗凍措施
久 反應機理
性 堿-集料反應 影響因素
分 防治措施
析 銹蝕機理
鋼筋銹蝕 影響因素
銹蝕模型
檢測與防護
混凝土銹脹開裂模型
構件層次 粘結性能衰退模型
構件承載力的變化
耐久性設計 耐久性計算和制定構造措施
結構層次 傳統經驗法
模糊數學法
耐久性評估 神經網絡法
專家系統法
可靠度法
3．1混凝土碳化
混凝土在空氣中的碳化是中性化zui常見的一種形式，它是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質相互作用，使其成分、組織和性能發生變化，使用機能下降的一種很復雜的物理學過程，碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時，混凝土碳化還會加劇混凝土的收縮，這些都可能導致混凝土的裂縫和結構的破壞。所以說，混凝土碳化與混凝土結構的耐久性密切相關，是衡量鋼筋混凝土構造物可靠度的重要指標。
混凝土碳化的主要化學反應如下：
CO2+H2O→H2CO3，，（1）
Ca（OH）2+H2CO3＋2H2O。（2）
國內外*的碳化深度D與碳化時間t的關系式為
D=ａ t （3）
D2=D1 t2t1 （4）
式中：a為碳化速度系數；D1、D2分別為得的和要預測的混凝土碳化深度；t1、t2測定D1和預測D2時的碳化時間。碳化速度系a體現了混凝土的抗碳化能力，它不僅與混凝土的水灰比、水泥品種、水泥用量、養護方法、氣孔尺寸與分布有關，而且還與環境的相對濕度、溫度及二氧化碳的濃度有關。
3.2混凝土堿—集料反應
堿—集料反應是指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發生的破壞性膨脹反應，是影響 混凝土耐久性zui主要的應素之一。該反應不同于其他混凝土病害，其開裂破壞是整體性的，并且還沒有有效的補修方法，對堿—碳酸鹽反應的預也尚無有效的措施。由于堿——集料造成的混凝土開裂破壞難以被阻止，因而成為混凝土的“癌癥"。
堿集料反應是混凝土組成中的水泥、外加劑、摻合料或拌合水中的可溶解性堿，和混凝土空隙中逐漸發生的一種化學反應。必須同時具備如下三種條件才能發生堿——集料反應對混凝土結構造成損壞：一是配制混凝土時由水泥、集料（海砂）、外加劑和拌合水中帶進混凝土中一定數量的堿，或者混凝土處于有利堿滲入的環境；二是有一定數量的堿活性集料；三是潮濕環境，可以提供反應物吸水膨脹所需要的水分。
堿——集料反應發生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，其反應產物為硅膠體。這種硅膠體遇水膨脹，產生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。這種膨脹壓力取決于集料中活性氧化硅的zui不利含量。
混凝土發生堿——集料反應破壞，就會表現出堿——集料反應的特征：外觀上主要是表面開裂、變形和滲出物；而內部特征主要有內部凝膠、反應壞、活性堿——集料、內部裂縫、堿含量等。混凝土結構一旦發生堿——集料反應出現裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，如空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產物鐵銹的體積遠大于鋼筋原來的體積，又會使裂縫擴大；若在寒冷地區，混凝土出現裂縫后又會使凍融破壞加速，這樣就造了混凝土工程的綜合性破壞。
3.3混凝土凍融破壞
混凝土的凍害機理研究始于20世紀30年代，理論上有靜水壓假說、滲透壓假說等，但由于混凝土結構凍害的復雜性，至今還無*的、*反應混凝土凍害的機理理論。
混凝土是由水泥砂漿和粗骨料組成的毛細孔多孔體。在拌制混凝土時，為了得到必要的和易性，加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中中形成連通的毛細孔，并占有一定的體積。這種毛細孔的自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要因素，因為水遇冷凍結冰會發生體積膨脹，引起混凝土 內部結構的破壞。應該指出的是，在正常情況下，毛細孔中的水結冰并不至于使混凝土內部結構遭到嚴重破壞。因為混凝土中除了毛細孔之外，還有一些水泥水化后形成的膠凝孔和其他原因形成的非毛細孔，這些孔隙中常混有空氣。因此，當毛細孔中的水結冰膨脹時，這些氣孔能起緩沖作用，即能將一部分末結冰的水擠入膠凝孔中，從而減小膨脹壓力，避免混凝土內部結構破壞。但當處于飽和水狀態時，情況就*兩樣了，此時毛細孔中水結冰，膠凝孔中的水處于過冷狀態。因為混凝土孔隙中水的冰點隨孔徑的減小而降低，膠凝孔中形成冰核的溫度在-78·以下。膠凝孔中處于過冷狀態的水分子因為其蒸汽壓高于同溫度下冰的蒸汽壓而向壓力毛細孔中冰的界面處滲透，于是在毛細孔中又產生一種滲透壓力。此外膠凝水向毛細孔滲透的結果必然使毛細孔中的冰體積進一步膨脹。由此可見，處于飽和狀態的混凝土受凍時，其毛細孔壁同時承受膨脹壓力和滲透壓兩種壓力。當這兩種壓力超過混凝土的抗拉強度是時，混凝土就會開裂。在反復凍融循環后，混凝土中的裂縫會互相貫通，其強度也會逐漸降低，zui后甚至*喪失，使混凝土由表及里遭受破壞。
混凝土的抗凍性與其內部孔結構、水飽和程度、受凍齡期、混凝土的強度等許多因素有關，其中zui主要的因素是它的孔結構。而混凝土的孔結構及強度又取決于混凝土的水灰比、有無外加劑和養護方法等。混凝土結構常用的幾種抗凍措施有：摻用引氣劑、減水劑或引氣減水劑；嚴格控制水灰比，提高混凝土密實度；加強早期養護或滲入防凍劑，防止混凝土早期受凍。
3.4氯離子侵蝕
我國海域遼闊，海岸線很長，島嶼眾多，而大規模的基本建設大都集中于沿海地區，海洋中的氯離子以海水、海霧等形式滲入混凝土中，影響混凝土結構的使用性能和壽命，以往的海港碼頭等工程多數都達不到設計壽命的要求。隨著我國公路交通的迅猛發展。公路和高速公路成為經濟命脈。為保證交通暢行，冬季向道路、橋梁及城市立交橋等撒鹽或鹽水，以化雪和防凍。這些自然或人為的因素，使氯離子進入混凝土結構內部，而在混凝土結構使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件 中，氯化物算是zui危險的侵蝕介質，應引起高度重視。
氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機理為：1）破壞鈍化膜。氯離子是*的去鈍化劑，氯離子進入混凝土到達鋼筋表面，吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低，使鋼筋表面pH值降低到4以下，破壞了鋼筋表面的鈍化膜。2）形成腐蝕電池。在不均質的混凝土中，常見的局部腐蝕對鋼筋表面鈍化膜的破壞發生在局部，使這些部位露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區域形成電位差，鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積鈍化膜區域作為陰極。腐蝕電池作用的結果使得鋼筋表面產生蝕抗；同時，由于大陰極對應于小陽極，蝕抗的發展會十分迅速。3去極化作用。氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。氯離子將陽極產物及時地搬運走，使陽極過程順利進行甚至加速進行。氯離子起到了搬運的作用，卻并不被消耗，也就是說，凡是進入混凝土中的氯離子，會周而復始的起到破壞作用，這也是氯離子危害的特點之一。4）導電作用。腐蝕電池的要素之一是要有離子通路，混凝土中氯離子的存在，強化了離子通路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕過程。
通常，氯離子的侵入是以幾種侵入方式的組合而作用的，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學結合、物理粘結、吸附等作用的影響。而對應特定的條件，其中一種侵蝕方式是主要的。在許多情況下，擴散被認為是一個主要的傳輸方式之一。對于現有的沒有開裂且水灰比不太低的結構，大量的檢測結果表明氯離子的濃度可以認為是一個線性的擴散過程，這個擴散過程一般滿足FicK第二定律。目前有一些對各種機理全面考慮的模型，但是由于模型中的一些參數很難確定，有些只能從定性上加以描述，其實用性還需要繼續探討。
3.5鋼筋銹蝕
混凝土在一種或多種外界作用下，材料的耐久性能會發生衰退，而逐漸失去了對其內部鋼筋的保護作用。當鋼筋外面的混凝土中性化或出現開裂等情況，鋼筋失去了堿性混凝土的保護，鈍化膜破壞并開始銹蝕。銹蝕的鋼筋不但截面積有所損失，材料的各項性能也會發生衰退，從而影響混凝土構件的承載力和使用性能。鋼筋銹蝕是引起混凝土結構耐久性下降的主要和zui直接因素，目前對影響鋼筋銹蝕的因素、銹蝕鋼筋材料性能的變化、鋼筋銹蝕的防護和檢測等各方面均有較多的研究。
混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學銹蝕。當二氧化碳、氯離子等腐蝕介質侵入時，混凝土的堿性降低，或者混凝土保護層受拉開裂等都將造成全部或局部地破壞鋼筋表面的鈍化狀態，鋼筋表面的不同部位會出現較大的電位差，形成陽極和陰極，在一定的環境條件下（如氧和水的存在），鋼筋就銹蝕。銹蝕的形成一般為斑狀銹蝕，即銹蝕分布在較廣的表面面積上。鋼筋銹蝕破壞的特征可歸納為：
·裂縫沿主筋方向開展延伸
·鋼筋與混凝土的握裹力下降與喪失
·鋼筋端面損失
·鋼筋應力腐蝕斷裂
鋼筋銹蝕的電極反應式為
陽極：
Fe Fe2+ +2e
陰極：
O2+2H2O+4e 4OH ，
陽極表面二次化學過程：
Fe2+ +2OH Fe（OH）2
4 Fe（OH）2+ O2+2H2O 4 Fe（OH）3
在通常情況下，鋼筋表面的混凝土層對鋼筋有物理和機械保護作用。同時，混凝土為鋼筋提供的是一個高堿度的環境（pH>12.5），能使鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，從而長期不銹蝕。當堿性降低時，鈍化膜逐漸被破壞，鋼筋逐漸開始銹蝕，當pH低于12時，銹鍘速度明顯增大。混凝土結構中的鋼筋銹蝕受許多因素影響，包括：鋼筋位置，鋼筋直徑，水泥品種，混凝土密實度、保護層厚度及完好性，外部環境等。
目前，檢測鋼筋銹蝕狀態的方法除了傳統的破損檢測方法之外，無損檢測鋼筋銹蝕量是許多國家正在探求的新技術。混凝土中鋼筋銹蝕量的非破損檢測方法有分析法、物理法和電化學法三大類。分析法是根據現場實測的鋼筋直徑、保護層厚度、混凝土強度、有害離子的侵入深度及含量、縱向裂縫寬度等數據，綜合考慮構件所處的環境情況推斷鋼筋銹蝕程度；物理方法主要是通過測定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導、聲波傳播等物理物性的變化來反應鋼筋銹蝕情況；電化學方法是通過測定鋼筋/混凝土腐蝕體系的電化學特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。
3．6混凝土構件的耐久性
混凝土構件耐久性研究是混凝土結構耐久性研究的基礎和前提。
鋼筋銹蝕會引起混凝土保護層脹裂，銹脹裂縫產生后鋼筋的銹蝕會加速，將大大影響鋼筋混凝土構件耐久性能。因此，鋼筋銹蝕與混凝土脹裂及脹裂裂縫寬度的研究對鋼筋混凝土構件耐久性研究有重要意義。鋼筋銹蝕將引起混凝土保護層開裂，其過程相當復雜，為確定混凝土脹裂時的鋼筋銹脹率與裂縫寬度的關系，先前所作的工作包括理論分析法和試驗研究法，這些方法主要研究鋼筋銹蝕發展與表面混凝土脹裂之間的關系及影響因素，或是混凝土脹裂時刻鋼筋銹脹率的表達式。
鋼筋銹蝕后，除了有效截面積減小、屈服強度下降等變化外，其與混凝土粘結性能也會發生變化。試驗研究表明，隨著鋼筋銹蝕量的增加，變形鋼筋與混凝土的粘結強度比先期略有增加，而后期則有較大幅度的衰退。鋼筋與混凝土之間粘結強度的衰退，使得鋼筋的強度不能被全部利用，從而與其他因素一起影響混凝土構件的使用性能和承載力。
銹后鋼筋混凝土構件承載力的計算，是房屋耐久性評估的主要內容，也是將科研成果應用于實際工程zui為關鍵和重要的一步，近年來國內外學者已作了大量的試驗研究和工程調查工作。
3．7混凝土結構體系耐久性
混凝土結構體系的耐久性包括兩部分；對未建混凝土結構進行耐久性設計和對服役混凝土結構進行耐久性評估，耐久性設計在混凝土結構這一領域是個zui近才引入的新概念，由于混凝土結構耐久性失效的類型很多，如何界定混凝土結構耐久性失效是一個復雜的綜合性問題，它不僅與結構的破損狀況有關，而且與結構的重要性以及社會政治、經濟等因素有關。目前國內外針對混凝土耐久性設計提出的極限狀態方程均有各自的觀點，都是從耐久性計算或構造措施入手來進行耐久性設計的。目前世界上已存在大量服役若干年的結構物，對服役結構的耐久性進行評估是建筑物維修改造工作中需要首先解決的問題。長期以來，對服役結構耐久性的評估一直依賴有經驗的技術人員對此作出的評價和處理，這是所謂的傳統經驗法。隨著基礎學科和計算機學科的發展，混凝土結構耐久性評估方法和手段也有很大的進展。但是迄今為止，尚未有較為理想的混凝土耐久性評估模式。在實際工程應用中，還是以經驗判斷為基礎，運用層次分析法來進行混凝土結構的耐久性評估為多。
4 混凝土結構耐久性研究的展望
混凝土結構的耐久性是一個十分復雜的結構工程問題，雖然已在這方面進行了許多工作，但仍有許多不完善的地方有待解決。這里將就混凝土結構耐久性基礎研究的發展方向提出一些看法。
了解材料的耐久性能是研究鋼筋混凝土結構耐久性能的基本前提。目前我國已頒布有關結構材料耐久性實驗的標準，這對研究材料耐腐蝕、耐老化的機理，以及不同材料耐久性能的對比無異是有益的。但實際環境與實驗室中的標準實驗有著很大的差別，如自然環境中的溫度、濕度時刻都在發生變化，有其規律性，也有難以預測的隨機性，這種環境條件的隨機變化導致了實際環境中混凝土結構耐久性能與實驗室試驗結構的很大不同，在結構耐久性分析和設計中如何考慮這種變化值得深入研究。
鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性降低的zui主要因素，因此建立一個合理的鋼筋銹蝕率模型是至關重要的。僅從純理論角度或純經驗角度建立鋼筋銹蝕率模型都不可能獲得較好結果，而應該先從理論角度出發，建立銹蝕率模型，然后再通過實測數據進行修正。
氯離子是導致混凝土結構耐久性失效zui主要的原因之一，氯離子滲透模型可以預測鋼筋銹蝕開始時間和銹蝕程度，目前已有不少氯離子侵入混凝土的模型，考慮到氯離子滲入和混凝土碳化共同作用對混凝土耐久性的影響，以及鋼筋所在位置對氯離子侵入混凝土的影響，氯離子滲透模型還需要進一步深入的研究。
開發混凝土結構的鋼筋銹蝕狀態的無損檢測技術將是一個新的研究方向，它將隨著其他相關學科的發展而發展。如果能在這方面取得突破，那么將使鋼筋混凝土結構耐久性評估的費用大大得到降低，這樣在范圍、系統的檢測與評估將成為可能，另一方面，耐久性評估的結果也將更、更可靠。
腐蝕環境下鋼筋混凝土結構的疲勞性能，鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構疲勞性能的影響較對靜態性能的影響嚴重的多，這是因為銹蝕不僅削弱了鋼筋的有效截面，更嚴重的是鋼筋銹坑的不均勻性將導致鋼筋應力的集中。雖然腐蝕環境下鋼筋混凝土結構疲勞可靠度的分析方法已有一定的研究，但尚需要了解腐蝕對鋼筋疲勞性能的影響，以及不同環境和不同混凝土材料特性下鋼筋疲勞性隨時間變化的實驗或實測數據。
目前關于鋼筋混凝土結構在承載能力極限狀態下的目標可靠指標的研究已相對成熟，但是，關于鋼筋混凝土結構在正常使用極限狀態下的目標可靠指標的研究才剛剛起步，因此今后也應該在這方面進行更多的研究，它的成果將是鋼筋混凝土結構的耐久性設計的重要依據。
在自然環境、使用環境中，由于腐蝕介質的侵蝕及材料的老化，結構的性能不斷劣化，其結果是導致結構的使用壽命縮短。從可靠度的角度講，結構的使用壽命評估是一個概率問題，目前對結構使用壽命的預測已有較多的研究，但這些研究或者只根據結構當前的狀態推斷結構未來的狀況，沒有考慮結構性能隨時間的變化，或者根據假定的結構性能退化規律推斷結構的使用壽命。實際上，結構性能隨時間的衰減規律極其復雜，由于受材料制作、施工、養護等因素影響，同一個地域不同結構，甚至同一結構不同部位材料的性能隨時間的變化都相差很大。因此，結構使用壽命的評估應以結構或構件本身的性能隨時間的變化規律為依據，但如何根據為數不多的檢測資料來揭示結構性能隨時間的變化規律是一個難度較大的課題，需要進行深入的研究，這將涉及到信息的不完善性問題。
4．2提高混凝土結構耐久性設計、施工和維護水平
我國加入WTO以后，建筑市場正逐步向開放，我國的建筑設計、施工、監理等到部門將面臨競爭的挑戰。為了減小與先進標準之間的差距，應提高或改進我國現有混凝土結構耐久性設計、施工和維護的水平。
