预应力混凝土结构耐久性研究综述.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 5年 3月 建筑科 学与 J o u r n a 1 0 f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g VoI 3 2 M a r NO 2 2 O 1 5 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 0 1 2 0 预应 力混凝土结构 耐久性研究综述 李富民 ， 邓天 慈， 王江浩 ， 罗小雅 ( 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变 与结构可靠性 重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘 要 ： 针 对预 应力 混凝 土 结构 耐久性 的现 实问题 和 未来 矛盾 日益 突 出的趋 势 ， 对预 应 力混凝 土 结构 耐 久性 的研 究进展 进行 了 系统梳 理 和 总结 。提 出了预 应 力混 凝 土 结构 耐 久性 的研 究体 系， 包括 研 究背景、 对象、 思路 、 目标、 科学问题 、 技术问题 、 内容、 技 术路线等； 对预应力混凝土结构耐久性 问题 的研究现状分 5个方面进行了综述 ， 包括混凝土损伤有关耐久性问题、 预应力钢筋腐蚀有关耐久性 问题 、 锚 固连接 体 系腐 蚀有 关耐久性 问题 、 耐久性 测试 和提 升及 试 验技 术 、 耐久性 数值 模拟技 术 ； 提 出了 7个有 关预 应 力混凝 土 结构 耐久性 研 究 尚需进 一步 解 决的 问题 ， 即环 境作 用定 量模 型 、 腐 蚀介 质传 输行 为 、 腐蚀 疲 劳损伤 演化 模 型 、 锚 固连 接体 系腐蚀行 为 、 岩 土预应 力 结构 的腐蚀 行 为 、 耐 久性 提 升技 术 、 耐久性 数值 模拟 技 术 。所做研 究可 为进 一步 拓展 和 完善 预 应 力混 凝 土 结 构耐 久 性研 究 提 供 参 考 。 关键 词 ： 预应 力 混凝 土结 构 ； 耐久性 ； 综述 ； 研 究体 系； 腐蚀 ； 损 伤 演化 中 图分 类号 ： T U3 7 8 文献标 志码 ： A Re v i e w o f Re s e a r c h o n Du r a b i l i t y o f Pr e s t r e s s e d Co nc r e t e St r u c t u r e s L I F u mi n ，DENG Ti a n c i ，W ANG J i a n g h a o ，LUO Xi a o - y a ( J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，J i a n g s u，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ai m e d a t t he e x i s t i ng p r ob l e ms a n d f u t ur e r e qui r e m e nt s on t he d ur a b i l i t y of pr e s t r e s s e d c o nc r e t e ( PC)s t r uc t u r e s，t h e r e s e a r c h p r o c e e di ng o n du r a bi l i t y o f PC s t r u c t u r e s wa s s umm a r i z e d s ys t e ma t i c a l l y a nd a na l y z e d Th e r e s e a r c h s y s t e m o f t he dur a b i l i t y of PC s t r u c t ur e s wa s pu t f o r wa r d，wh e r e t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d，o b j e c t s ，c l u e ，a i m，s c i e n t i f i c i s s u e s ，t e c h n o l o g i c a l i s s u e s。c o nt e nt s a nd t e c hn i c a l 1 i ne s we r e c on c e r ne d i n Th e s t a t e o f t he a r t o f t he r e s e a r c h wa s r e v i e w e d a s f i v e pa r t s ： t he i s s u e s o f du r a bi l i t y a bo ut t he d a ma ge o f c o nc r e t e， t he i s s u e s o f d ur a bi l i t y a b ou t t h e c or r o s i o n of s t e e l ba r s ， t he i s s ue s o f du r a bi l i t y a b o ut t he c o r r o s i on o f a n c h o r a g e a n d j o i n t s y s t e m，t h e t e c h n o l o g y o f t e s t i n g ，r a i s i n g a n d e x p e r i me n t o f d u r a b i l i t y ，a n d t h e t e c hn ol og y o f n ume r i c a l s i m ul a t i on o f du r a bi l i t y Se ve n i s s u e s a b ou t t h e du r a bi l i t y o f PC s t r u c t ur e s， wh i c h ne e d e d m o r e r e s e a r c h wo r k， we r e s ug ge s t e d The i s s ue s i nc l ud e d t h e q ua nt i t a t i v e m o de l s o f e nv i r o nme n t a l a c t i on，t h e t r a ns po r t i n g be ha v i o r o f c o r r o s i ve me di u m s，t he e v o l v i n g mo d e l s o f c o r r o s i o n f a t i g u e d a ma g e ，t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f a n c h o r a g e a n d j o i n t s ys t e m ，t h e c o r r os i o n be ha v i o r o f ge o t e c hn i c a l PC s t r u c t u r e s，t he t e c hno l o gy o f r a i s i ng dur a bi l i t y a n d t h e t e c h n o l o g y o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f d u r a b i l i t y Th e s t u d y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r f u r t h e r e x p a n d i n g a n d i mp r o v i n g t h e r e s e a r c h wo r k o n d u r a b i l i t y o f P C s t r u c t u r e s 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 - I 2 基金 项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 5 4 ) ； 徐州市科 技基 金项 目( XM1 3 B1 2 5 ) 作者简介 ： 李富民( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 甘肃静 宁人 ， 教授 ， 博 士研究 生导师 ， 工 学博 士， E ma i l ： l f mf m 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 建筑科学与工程学报 2 0 1 5 鱼 Ke y wo r ds ：pr e s t r e s s e d c o nc r e t e s t r uc t ur e；d ur a bi l i t y；r e v i e w ；r e s e a r c h s ys t e m ；c o r r os i o n；d a m a g e e v ol u t i o n I J 引 昌 由于预 应力混 凝 土结构 采用 较高 强度等 级 的混 凝土以及力筋拥有 多道保护层 体系， 因此 曾被认为 具有优 良的耐久性能 ， 然而现实情况并非如此乐观。 在侵蚀环境( 尤其氯盐环境) 下 ， 对于先张法体系 、 抽 芯成孔或金属波纹 管成孔的后 张法体系中， 良好的 保 护层 体 系对力筋 的腐 蚀 只能起 到延缓 作用 而并 不 能起到阻止作用 ， 腐蚀介质穿过保护层体系( 包括腐 蚀透金属 波纹 管) 到达力 筋表 面只是一 个时 间问 题 n ， 而这 种 延缓 作 用 其 实远 不 能完 成 许 多预 应 力 工程所承载的“ 百年大计” 之使命 ； 更为甚者 ， 后张预 应力混凝土结构还存在着灌浆 质量无法保 证( 包括 先进的真空辅助灌浆工艺 e - a ) 这一关键问题 ， 这使 得 即使在塑料波纹管体系中也有可能会发生力筋的 腐 蚀 问题 _ 4 。另一 方 面 ， 预 应 力 混凝 土结 构 中混 凝 土 的应 力水 平往往 较 高 ， 因而对 碱一 骨料 反 应 以及 冻 融循环 作用 的破坏 更 为敏感 。 近年来 ， 各国已有不少学者对预应力混凝土结 构 耐久 性 问题展 开 了研 究 ， 并 取 得 了阶段 性 研 究 成 果 ， 本文将尽可能详尽地对这些成果进行梳理和总 结 ， 以期 为 进一 步拓 展 和 完善 预 应 力 混凝 土结 构 耐 久性研究工作提供参考。 预应力混凝土结构耐久性问题属于结构工程科 学中的一个分支问题 ， 它必然有其来龙去脉 和纵横 关联 ， 为此 ， 本文 首先 提 出预应力 混凝 土结 构耐 久性 的研究体系， 以期采用这个体系作为参照 ， 在综述既 有各项 研究 成果 时 能够 明确其来 自何 源 ， 去 向何 处 ， 能够 明确 其纵横 关 联 关 系 ， 并从 中提 炼 出进 一步 需 要解决 的问题及 其研 究思路 。 1 预应力混凝土结构耐久性研 究体 系 1 1 研 究 背景 1 1 1 既有 预应 力 混凝 土 结 构 已存 在 较 为 严 重 的 耐 久 性 问题 自从 二战之 后 预应力 混凝 土结 构大 量使用 以来 至今 将近 7 O年 的 时间 内 ， 世界 范 围内 已出现大 量预 应力混凝土结构耐久性失效 的事故 ， 其 中预应力钢 筋 腐 蚀 引 起 的 破 坏 占 绝 大 多 数 。S c h u p a c k _ 5 于 1 9 7 8年提出的一份关于后张力筋( 结构) 耐久性能 的调查 报告 表明 ： 在 1 9 5 O 1 9 7 7 年 的 2 8年期 间 ， 世 界范围内共发生 2 8起著名的因后张力筋腐蚀导致 整体结构破坏的工程实例。1 9 8 2年 S c h u p a c k等 的另一份 关于美 国预应力 体 系腐 蚀脆 断 的调查 报告 表 明 ： 在 1 9 7 8 1 9 8 2年 的 5年 间 ， 仅 美 国就 有 5 O幢 结构物出现了不 同程度的力筋腐蚀现象 ， 其 中 1 0起 严重的脆性破坏是 由于应力腐蚀或氢脆引起的。 国 际预应力 协 会 ( F I P ) 7 ， 根 据 文 献 及 政 府 机 构 的报道 统计得 到 ， 在 1 9 5 1 1 9 7 9 年 的 2 9年期 间 ， 世界 范 围 内至少 发 生 2 4 2起预 应力筋 腐蚀 损坏 的事 故 ， 这些事故遍布各种类型及各种工艺的结构物； 引 起腐蚀损坏的原 因也各种各样 ， 有来 自内在 的因素 ， 如力筋或锚具的防腐保护不当， 张拉或锚固不当， 采 用了对腐蚀敏感的预应力筋 等， 也有来 自外在的因 素 ， 如处于潮湿环境 ， 受环境或侵蚀性 内盛物侵蚀 的 影响等。 作 为地下 预应 力 结构 的预 应 力锚 索 ( 杆 ) ， 其 工 作环境中往往存在着大量 以水为载 体的腐蚀性介 质 ， 再加上该类结构 自身特有的复杂构造特点 ， 保护 浆体受拉开裂 ， 高难度施工控制以及施工和维护的 高隐蔽性等特点 ， 使得 锚体腐蚀 问题 十分突 出l_ 8 。 截至 1 9 8 6年 ， F I P的地锚 工作小组就 已收集 到 3 5 起 因腐蚀 造成 锚索 ( 杆 ) 断裂 的著名 事故 。 1 1 2 预 应力 混凝 土 结 构服 役 于恶 劣环 境 的 情 况 日趋普遍 随 着人 类 活 动 空 间的不 断 拓 展 ， 需要 在 恶 劣环 境 中服役的工程结构 日益增多 。近年来， 各 国正在 和即将 大量兴 建 的跨海 大桥 、 海底 隧道 、 海港码 头 以 及 沿海 地 区 、 除 冰 盐 地 区 、 盐 碱 地 区 兴 建 的高 速 铁 路 、 高速公路 、 桥梁、 工业建筑等重大工程都广泛采 用预应力混凝土结构 ， 这些结构所处 的环境不仅侵 蚀 作用 强度 高 ， 而 且 往往 还 存 在 多 种侵 蚀 作 用耦 合 并存的现象 1 。严酷的侵蚀环境使得 这些结构不 可避免 地存 在耐久 性 问题 。 1 1 3 预应力混凝 土结构高耐久性的需求在不断 增 多 预应力 混凝 土结 构具 有优越 的 承载能力 和使用 性能 ， 因而往往被用来建造大 ( 大跨、 大型) 、 高 ( 高 层、 高耸) 、 重( 重载) 、 特 ( 特种) 等重要工程 ， 这些工 程投 资大 ， 使用要 求 高 ， 社 会 影 响 广泛 ， 因 而往 往 需 要具有更高的耐久性水平 ， 如杭州湾跨海 大桥和胶 州湾跨海大桥的设计使用寿命均为 1 0 0年 ， 而港珠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李富民， 等 ： 预应力混凝土结构耐久性研 究综述 3 澳跨海大桥的设计使用寿命更是高达 1 2 0年 。需要 强调的是 ， 上述高耐久性要求不仅仅体现在传统的 长期承载力要求方 面， 也体现 在长期 刚度甚至平顺 性等使用性能要求方面L 1 。 人类社会绿色、 可持续发展 已成为趋势 ， 这要求 工 程结 构 的耐 久性 水 平 不 断 提 高 ， 从 而 减 少 资 源 消 耗 和 环境 破 坏 ， 预 应 力 混 凝 土 结 构 不 能 成 为例 外 。 从这个意义上讲 ， 不仅需要 纠正中国长期 以来盛行 的速建 速 拆模 式 ， 而 且 应该 重新 考量 中 国工 程 结 构 的 目标设计使用年限； 当前大部分结构 5 0年的设计 使用年限低于国外发达国家的水准较多 ， 因此 ， 提高 这一水准很有必要。 综 上所述 ， 预应力混凝土结构 的耐久性 问题不 仅 是存 在 的 ， 而且 是严 峻 的 ； 开 展预 应力 混凝 土结 构 耐久 性研 究 ， 对确 保 重 大 土 木 工 程结 构 全 寿 命 使 用 安全 ， 推 动混 凝土 结构 理论 与 技术应 用 ， 实 现经 济社 会绿色、 可持续发展具有重要意义 。 1 2研 究 对象 预应 力 混凝 土结 构可 用 于各种 工业 与 民用 建筑 中。考 虑耐 久性 问 题存 在 的可 能性 ， 预应 力 混 凝 土 结构 耐久 性研 究 所涉 及 的对象 可 以总结 为 如下 5个 方 面 ： ( 1 ) 地 面常规 预应 力 混 凝 土 结 构 ， 如 房 屋 结 构 、 路桥 结 构 、 市 政工 程结 构 等 。 ( 2 ) 地 面特种 预应 力 混 凝 土 结 构 ， 如 盛 储 结 构 、 高耸结构、 核 电安全壳结构等 。 ( 3 ) 水工 预应 力 混 凝 土 结 构 ， 如 河 港 码 头 、 排 污 管道 、 排 沙管 道 、 堤坝 结构 等 。 ( 4 ) 海工 预应 力 混 凝 土 结 构 ， 如 海 港 码 头 、 海 上 钻井 平 台等 。 ( 5 ) 岩 土 预 应 力 混 凝 土 结 构 ， 如 预 应 力 锚 索 ( 杆) 、 预应力混凝土管桩等。 1 3研 究 思路 前 已述及 预 应力 混凝 土结 构耐 久性 问题 是结 构 工程 科学 中的一 个分 支 问题 ， 因此 ， 研究 预应 力混 凝 土结构的耐久性问题， 务必将 其纳入 到整个结构工 程科学体系中去 ， 只有这样 ， 才能使每一项具体的研 究 工 作 目标 明确 ， 定位 准确 ， 抽 象合 理 。 事实 上 ， 耐久 性 问题是 由环境作 用 引起 的 ， 但 又 必须 考虑 力学 作 用 的影 响 。换 个 角 度 而 言 ， 现 代 工 程结构不再仅仅考虑力学作用有关 问题 ， 而是要 同 时考虑力学作用和环境作用共同引起的问题 。基于 这种 考虑 ， 现 代工 程 结 构 的 基 本 结构 要 求 应 当扩 展 为如 下 2个方 面 ： ( 1 ) 结 构全 寿命 期 间应 能 很 好 地 承受 或 抵 抗 各 种常规力学荷载和环境作用 的共 同影响( 允许局部 修复) ， 并且能科学预计和评价结构全寿命时变工作 性 态 。 ( 2 ) 结构全寿命期 间在考虑常规力学荷载和环 境 作用 共 同引起 损 伤 的条 件 下 ， 还 能很 好 地 承 受 火 灾 、 地 震 、 爆 炸 等低 概 率 灾 害事 件 的剧 烈作 用 ( 根 据 不 同性能 目标允许局部修复或防止倒塌) ， 并能科学 预计 和评 价灾后 结 构时 变工 作性态 。 同时考虑力学作用和环境作用 的结构工程科学 体系如图 1 1 所示( 本文将碱一 骨料反应也归到环境 作用里面) 。 1 4研 究 目标 预应 力混凝 土 结构 耐久 性研究 的总 目标 是建 立 预应力 混 凝土 结构 全 寿 命 技 术 和 经济 管 理 体 系 ， 具 体包 括 ： ( 1 ) 既有预应力混凝土结构现时工作性态评估 及修复加 固技术、 经济方案制定。 ( 2 ) 既有 预应 力 混凝 土 结 构 未 来 时 变工 作 性 态 预计及修复加 固技术、 经济方案制定。 ( 3 ) 修复加 固既有预应力混凝土结构未来时变 工作性态预计 。 ( 4 ) 新 建 预应 力 混凝 土结 构 耐 久 性设 计 及 全 寿 命技术、 投资管理方案制定。 ( 5 ) 新建预应力混凝 土结构全寿命 时变工作性 态预计 。 上述 研 究 目标 又 可 总结 为 2个 方 面 ， 即 实现 对 预应力 混 凝土 结构 耐 久性 问题 的“ 科 学 认 识 ” 和“ 有 效处 置” 。 1 5 科 学 问题 科 学 问题 是基 于抽 象 的认 识 问题 ， 其成 果 表 达 形式主要为现象 、 规律 、 机理 、 模型等。科学成果是 技术应 用 的基本 依 据 ， 由 于其 抽 象 性 而具 有 广 泛 的 适 用性 。 预应 力混凝 土 结构 耐久 性研究 中的根本 科学 问 题是结构全寿命时变工作性态预计 ； 结合前述研究 思路 ， 考虑力学作用 的影响 ， 来源于环境作用的预应 力混凝 土 结构 耐久 性具体 科 学 问题 及其 逻辑 关 系如 图 2所 示 。 1 6技 术 问题 技术 问题是基于具象的实践 问题， 它必须依赖 于相应科学成果 的基本原理， 但 同时还要借助于经 验 、 技 巧等 手段 才 能得 以解决 ， 其成 果 表达形 式 主要 为设计 图 纸 、 实施 方 法 、 计 算 软件 、 技术 产 品等 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 建 筑科 学与 工程 学报 2 O 1 5正 j 生 结构作用 环 境作 用 力 学作 用 器I I蠢I l I II霎I I善I l耋l l l l萎 土 压 力 作 用 水 力 冰 作 用 雪 压 作 用 风 压 作 用 地 震 作 用 爆 炸 作 用 变 形 作 用 预 应 力 作 用 人 为 活 载 作 用 作 用 于 工程 结 构 结构响应 环境作用响应 力学作用响应 一 级响应 H二级响应 结 构 内 部 温 度 场 结 构 内 部 水 汽 场 结 构 内 部 氧 气 场 结 构 内 部 碳 化 场 结 构 内 离 子 分 布 场 结 构 混 凝 土 冻 融 变 形 结 构 部 化 学 反 应 结 构 内 部 钢 筋 锈 蚀 结 构 混 凝 土 锈 胀 开 裂 结 构 混 凝 土 损 伤 二级响应H一级响应 结 构 塑 性 损 伤 场 结 构 混 凝 土 开 裂 结 构 振 动 结 构 应 力 应 变 场 结 构 衡 稳 定 重 构 开始 结束 具 备 结构 抗 力 环境抗力 I I 力学抗力 结 构 混 凝 土 孔 结 构 结 构 材 料 耐 蚀 性 结 构 与 防 护 构 造 结 构 材 料 强 度 结 构 材 料 极 限 应 变 结 构 材 料 刚 度 结 构 几 何 构 成 l 起 退化 图 1 结构 工程科 学体 系 Fi g 1 S c i e nt i f i c Sy s t e m of S t r u c t ur a l Eng i n e e r i ng 环 境 作 用 时 变 定 量 模 型 力 学作 用 影 响 温 度 结 构 时 变 工 作 性 态 预 计 承载 性 态 变 形性 态 抗 裂性 态 耗 能性 态 疲 劳性 态 力学作 用 下 结 构 时 变 侵 蚀 状 态 预 计 侵 蚀 盐分 布场 p H 值 分 布 场 化 学 物 分布 场 O： 分布 场 温 度 分 布场 水 汽 冰 分布 场 电场 分布 力 学 作 用 影 响 结 构 时 变 腐 蚀 状 态 预 计 腐 蚀 机 理 S C C 敏 感性 腐蚀 速 率 蚀坑 分 布 锈胀 状 态 图 2 预应力混凝土结构耐久性科学问题 Fi g 2 S c i e nt i f i c I s s u e s o f Dur ab i l i t y of PC S t r uc t u r e s 预应 力混 凝土 结构 耐久性 研究 中的技术 问题 主 ( 2 ) 耐久性 监测 、 检测 技术 。 要涉及到耐久性模拟 、 测试及提升等方 面的技术方 ( 3 ) 耐久性试验技术 ， 如环境作用模拟技术 、 长 法 ， 具体包括 ： 期力学加载技术、 力学与环境作用耦合技术等 。 ( 1 ) 耐久性数值模拟技术 。 ( 4 ) 耐久性提升技术 ， 包括提高耐久性抗力技术 一 一一 一一 一一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李富民， 等： 预应力混凝土结构耐久性研究综述 5 ( 如提高钢筋配筋率 ， 采用阻锈、 不锈钢筋 ， 提高混凝 土碱 性 等 ) 、 减缓 耐 久性 响应 技 术 ( 如 增 加保 护 层 厚 度 ， 增加密实度等) 、 降低耐久性作用技术( 如除湿 ， 减少除冰盐使用 ， 氯离子 电迁移 ， 混凝土再碱化等) 。 ( 5 ) 耐 久性 修复 加 固技术 。 1 7研 究 内容 根 据 前 述科 学 问题 和 技术 问题 ， 结 合 传 统 耐 久 性研 究 习惯 ， 预 应力 混 凝 土结 构 耐 久 性 研 究 内 容 可 分 为 以下 5个 方面 ： ( 1 ) 环境作用问题 环境作用种类很多 ， 如氯盐 、 硫酸盐等侵蚀盐作 用 、 C O 中性 化作用 、 化 学腐 蚀物作用 、 温度作用 、 水汽作用、 风作用( 非 风压力学作用) 、 电场作用等 。 环境作用研究需要在弄清各种作用的方式 、 特征 以 及相互耦合关系的基础上 ， 最终建立各种作用的定 量 模 型 。 目前 ， 建 立 环 境 作 用定 量 模 型 的基 本 策 略 是 由 大 范 围环境 作 用 区划 逐 渐 细 化 ， 最 终 形 成 单 体 建 筑 乃至单个构件级别上的环境作用定量模型口 。 。 。 环 境 作用研 究 的另 一类 问题 是环 境作 用模 拟 技 术及相似性问题 1 。 ( 2 ) 混 凝 土损伤 耐 久性 问题 混凝 土损伤耐久性 问题 可分解为 以下几个 方 面： 碱一 骨料反应 ， 包括反应机理 、 损伤特征 、 损伤 模型等 ； 冻融循环 ， 包括损伤机理、 损伤特征 、 损伤 模型等； 硫酸盐腐蚀 ， 包括腐蚀机理 、 侵蚀模型、 损 伤特征 、 损伤模型等 ； 应力腐蚀及腐蚀疲 劳， 包括 腐蚀机理、 损伤特征、 损伤模型等； 多作用耦 合下 的损伤， 包括耦合损伤机理 、 损伤特征 、 损伤模型等， 需要强调的是 ， 上述 基本损伤过程研究 中需要考虑 应 力影 响 和时 变特 性 ； 损伤 混凝 土 材料 性能 退化 ， 包括静力性能 、 动力性能、 疲劳性能等方面的退化规 律和模型 ； 损伤混凝土粘结性能退化 ， 包括静力性 能、 动力性能、 疲劳性 能等方面的退化规律和模 型； 损伤混凝土构件及结构 的性能退化， 包括静力性 能 、 动 力性 能 、 疲 劳 性 能 等 方 面 的 退 化规 律 和 模 型 ； 混凝 土各 种 耐久 损伤 的监 测 、 检测技 术 ； 混 凝 土 各种耐久损伤的防抗 、 修复 、 加 固技术 ； 混凝 土各 种耐久损伤的数值模拟技术 ； 混凝土各种耐久损 伤 的试 验技 术 。 ( 3 ) 钢筋腐蚀耐久性问题 钢筋腐蚀耐久性 问题可分解为 以下几个方 面： 碳化过程 ， 包括碳化机理 、 碳化模 型等 ； 氯盐侵 蚀过程 ， 包括侵蚀机制、 侵蚀模型等 ； 氧气、 水汽传 质过程 ， 包括传质机制 、 传质模型等 ； 钢筋腐蚀机 理与特征； 钢筋应力腐蚀及腐蚀疲劳 ， 包括腐蚀损 伤及断裂 的特征 、 机理及寿命模型等 ； 钢筋平均腐 蚀速率模型 ； 钢筋蚀坑分布特征 、 演化规律 、 分布 与演化模型等 ； 钢筋锈胀效应 ， 包括锈胀机制 、 锈 胀力模型、 锈胀开裂预计等； 腐蚀损伤钢筋力学性 能退 化 ， 包括 静力 性 能 、 动力 性 能 、 疲 劳 性 能 等 方 面 的退化规律和模型； 腐蚀损伤钢筋粘结性能退化 ， 包括静力性能、 动力性能、 疲劳性能等方面的退化规 律和模型； 钢筋腐蚀损伤进程中构件及结构的性 能 退化 ， 包 括静力 性 能 、 动力 性 能 、 疲 劳 性 能 等 方 面 的退化规律和模型； 有害介质侵蚀及钢筋腐蚀的 监测、 检测技术 ； 钢筋腐蚀的防抗技术及腐蚀结构 修复、 加 固技术 ； 钢筋腐蚀 问题 的数值模 拟技术 ； 钢筋腐蚀 问题 的试验技术。 ( 4 ) 锚 固连 接体 系腐蚀 耐 久性 问题 锚 固连 接体 系是 后 张预应 力混 凝土 结构 中极 为 关键的结构要素， 其腐蚀损伤或破 坏有可能导致结 构整体失效或垮塌 。锚固连接体系构造复杂 ， 材料 组 成多 样 ， 力学 与 电化学 性能 独特 ， 其研 究 内容应 着 重考虑独特 的腐蚀机制( 如是否存 在接触异金属腐 蚀 、 缝隙腐蚀 以及应力腐蚀等) 、 腐蚀损伤特征以及 承载力退化规律与模型等。 ( 5 ) 混凝土损伤 、 钢筋腐蚀及锚 固连接体系腐蚀 耦 合耐 久性 问题 许多服役环境下 ， 预应力混凝土结构的混凝土 损伤、 钢筋腐蚀及锚 固连接体系腐蚀有可能同时出 现且存在耦合效应 ， 此时 ， 需要研究耦合损伤机理和 进 程 ， 以及耦 合损 伤 下力学 性 能退化 规律 与模 型 。 ( 6 ) 预应力混凝土结构全寿命管理 预应力混凝土结构全寿命管理具体 内容包括 ： 结构 目标可靠度( 恒定或时变) 或耐久性极 限状态设 定 ， 环境作用和力学作用组合下结构 时变工作性态 预计 ， 结构系统性修复加 固方案制定 以及结构全寿 命投资成本优化等。 1 8技术 路线 根 据上 述 研 究 内容 ， 预应 力 混 凝 土结 构 耐 久性 问题 可从 逻 辑上 分为 3个 层 次 ， 即环 境 作 用 问题 一 环境作用引起 的腐蚀 、 损伤及抗力退化问题一 同时 考虑环境作用及力学作用 的结构系统管理 问题 ； 以 此为线索 ， 同时引入相关研究方法 ， 可以得到预应力 混凝 土结 构 耐久性 研究 的基 本技 术路 线 ， 见 图 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 建筑科学与工程学报 2 0 1 5丘 苎 垫 塑 堡 里 笙 H 环 境 H 堡 墨 作 用 面 I 多相传质理论h 金属腐蚀理论I 堕 兰 钢 筋H堕 塑 蔓 坠 垫 查 丽 丽 腐 蚀H l混凝土结构理论卜 J L 数值模拟技术l 凝土腐蚀理论h r 混凝土损伤理论I 、 堕 丝 垫 H 混 凝 土 H 竺 塑 堕 壁 垫 查 丽 损伤 而 凝土结构理论 数值模拟技术I I 多相传质理论h r t 金属腐蚀理论l 苎 垫 查 H 锚 固 连 接 H 堕 墅 墼 垫 体 系 腐 蚀 l一 面 锚固力学理论卜 J L I 数值模拟技术 I 塑 堕 查 篓 堡 l 堕 塑 旦 蔓 垦 堡 堡H 生 命 周H堕 塑 堡 笪 堡 两 甄 聂 期管理 图 3 预应 力混凝土结构 耐久性研 究技 术路 线 Fi g 3 Te c h ni c a l Li ne s o f Dur a bi l i t y Re s e a r c h of PC S t r u c t ur e s 2 预应 力混凝土结构耐久性若 干问题 研究现状 预应力混凝土结构隶 属于混凝土结构， 许 多混 凝土结构耐久性问题对预应力混凝土结构和普通混 凝土 结构 而言 是 相 通 的 。相 比之 下 ， 预 应 力 混凝 土 结构的特殊之处主要体现在 2个方面 ： 一是含有预 应力钢筋和锚固连接体系等具有特殊腐蚀行为和高 工作应力状态的预应力材料体 系； 二是在长期使用 时荷 载受 拉 区混凝 土 往往 存 在 预 压 应 力 ， 这 给 混凝 土 的损伤 演化 及有 害介 质 的侵 蚀过 程带来 影 响 。下 面 主要针 对预 应力 混凝 土结构 耐 久性特 殊 问题 的研 究 现状进 行综 述 。 2 1 混凝 土损伤 有关 耐 久性 问题 2 1 1碱一 骨 料反应 碱 骨料 反应 是 混 凝 土 骨 料 中有 害 活 性 矿 物 质 与混凝土孔溶液中碱性离子发生膨胀性反应而导致 混凝土开裂 的现象 。针对普通混凝土结构碱一 骨料 反应的研究工作已有不少 ， 但对于采用 较高强度等 级和存在较高应力水平的预应力混凝土结构的相关 研 究极 少 。L a r s o n等 1 研究 了碱一 骨 料 反 应对 带 台 阶式 端头 的先 张法预 应力 混凝 土梯形 截 面箱形梁 的 影响 ， 结 果 发 现 ： 碱一 骨 料 反 应并 没 有 引 起 梁整 体 受 弯和受剪性能的明显退化 ， 但却 引起 了预应力钢绞 线与混凝土之间的锚固粘结性能退化， 这导致预应 力传递区段范围内混凝土表面裂缝宽度因此增大以 及 台阶式 端头 部位 的受剪 性能 退化 。 2 1 2 冻 融循环损 伤 冻融循环会使混凝土承受周期性冻胀作用而产 生损伤 ， 从而引起结构性 能的退化。各 国已对普通 混凝土结构冻融循环损 伤问题展开了广泛研究 ， 段 桂珍 等 1 对 此进 行 了较为 系统 的综述 ， 其 中涉及 到 了对 荷载 作用 影 响 的总 结 ， 认 为应 力 的存 在 导致 混 凝土冻融破坏 的脆性特征更加显著 ； 应力水平越大 ， 破坏 力越 强 ， 相对动 弹性 模量下 降越 快 ， 混凝 土能 承 受的冻融循环次数越少 。换言之 ， 应力加速了混凝 土损 伤 与劣化 过程 。 直接针对预应力混凝土结构冻融循环损伤的研 究较少 ， 邹洪波等 1 借助 2根 4 0 0 mm长的预应力 混凝土试件研究了冻融循环作用对钢绞线预应力损 失 的影 响 ， 结 果 表 明 ： 当混 凝 土 所 受 预 压 应 力 较 大 时 ， 钢绞 线预 应力 损 失 随混 凝 土 冻融 次数 增 加 而增 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李 富 民 ， 等 ： 预 应 力混凝 土 结构 耐久 性研 究综 述 7 大 ， 反 之则 减小 。 曹大富等 对多根 1 0 0 0 mr n长快速冻融损伤 预应力混凝土梁试件进行 了受弯性能试验， 结果表 明： 在不超过 1 2 5次的冻融循环作用下 ， 梁的开裂荷 载和 极 限荷载 分别 随 着冻融 循 环次 数 的增加 呈直 线 和加速下降 ； 开裂后 的抗弯刚度随冻融循环次数 的 增大而下降 ； 另外还给 出了冻融后 预应力混凝土梁 极限承载力 的计算方法。 刘 荣桂 等 。 对 1 5根 5 1 5 mm 长 预 应力 混 凝 土 梁 进行 了在 不 同冻 融 循 环 次 数 后 的 低 周疲 劳试 验 ， 研 究冻 融环 境 下疲 劳寿命 的主要 因素 ， 结 果表 明 ： 预 应力水平和冻融循环次数是影 响预应力混凝土结构 疲劳寿命的主要因素； 将冻融损伤等效于疲劳损伤 ， 采用两级疲劳作用模式 ， 建立 了冻融环境下预应 力 混 凝 土梁 的疲 劳 寿命 预测模 型 。 2 1 3硫 酸 盐腐蚀 硫酸盐腐蚀会导致混凝土发生物理膨胀损伤和 化学 溶蚀 损 伤 ， 从 而 引起 结 构 性 能 的退 化 。各 国 已 对 普 通混 凝 土结 构 的硫酸 盐腐 蚀 问题展 开 了广泛 研 究 ， 张光 辉 对 此 进 行 了较 为 系 统 的综 述 ， 其 中涉 及到了荷载作用影响的总结， 认为荷 载作用 引起 的 裂缝或微裂缝加速 了硫酸盐溶液 的渗 透和扩散 ； 在 一 定条件下 ， 应力的存在会显著降低混凝土抗硫酸 盐 腐蚀 的能 力 。 直接针对预应力混凝土结构硫酸盐腐蚀问题的 研究极少 ， 朱兰芳等 。 对 7根预应力混凝土梁进行 了不同时长硫酸盐溶液浸泡腐蚀 ， 经 回弹法测得的 腐蚀混凝土强度变化率在 1 5 3 2 之 间， 然后对 腐 蚀 梁进行 了静载 试验 ， 结 果发 现 ： 所有试 验 梁 的开 裂荷载均较腐蚀前有所提高 ； 短期腐蚀试件承载力 没有明显变化 ， 但长期腐蚀试件承载力发生退化 ， 且 退 化 程度 随腐 蚀 程度 增 大 而增 大 ； 钢 筋 和混 凝 土 没 有发生粘结滑移 ， 粘结性能未受腐蚀影响； 随腐蚀时 间增 长 ， 梁 的刚度 和延 性 不断下 降 ， 且下 降 的幅度 与 浸泡溶液浓度呈线性关 系； 受硫酸盐腐蚀后 ， 预应力 混凝 土梁 的破