混凝土梁残余寿命评估及裂缝防治技术研究.docx

第一章 概 述1.1 项目研究背景及意义成都铁路局管内混凝土桥梁近3000座，这些桥梁分别修建于二十世纪五、六十年代，限于当时的材料、设计和施工水平，运营50余年来，梁体混凝土均普遍存在裂缝问题，尤其是816m普通混凝土梁。梁体混凝土出现裂缝后，其残余寿命如何，急需进行评估，以便开展修补加固。此外，随着我局铁路提速、重载的发展，桥梁混凝土裂缝病害对运输安全的影响凸显。我局管内的云、贵、川三省，地形多以山区高原为主，且已开工、或即开工数条铁路新线，在此地区新建铁路线路，桥梁占有较大比例，而铁路桥梁中，混凝土桥梁占90%以上，如何确保新建的混凝土桥梁不出现有害裂缝，也急需研究。目前，国内外关于混凝土开裂原因、开裂机理和裂缝防治技术的研究较多，而对混凝土残余寿命的评估较少，混凝土的寿命评估主要集中于新建混凝土的寿命预测，而且新建混凝土的寿命评估主要基于室内混凝土试验结果，基于已用混凝土质量的寿命评估较少。本研究拟总结前人的研究成果，重点研究基于已用混凝土质量检测结果的残余寿命评估，便于指导成都铁路局管内混凝土梁的修补加固。综上所述，很有必要开展桥梁混凝土的残余寿命评估及裂缝防治技术研究，从已建桥梁混凝土的裂缝调查、残余寿命评估、裂缝处治措施，到新建混凝土桥梁的裂缝防治技术。本项目的研究成果对于提高混凝土桥梁的使用寿命、确保铁路线的整体安全性和降低铁路线运营成本皆具有重要意义。1.2 混凝土结构寿命预测的研究现状混凝土结构的使用寿命是自建成投入使用直至报废或拆除重建所经历的时间。在此期间，结构报废或拆除的决策依据并不一定是结构自然寿命的终结(即倒塌)，还可能是：(1)结构使用功能发生变化，如桥梁的通车能力已不能满足当前日益增长的交通量的要求而不得不拆除重建；(2)结构经过长期的使用，性能退化严重，如果继续保留使用而获得的经济效益要小于结构维修、加固总费用，此时拆除或重建结构是更经济、更合理的做法。英国Somerville教授从使用寿命终结的角度出发，将使用寿命分为三类：(1)技术使用寿命：又称物理寿命，指在正常使用、正常维护、不加维修加固的条件下，结构材料因受自然环境中各种因素的侵蚀而逐渐发生老化后(这种状态可因混凝土剥落、钢筋锈蚀等引起)，结构不能满足承载能力或正常使用要求时的期限；(2)功能性使用寿命：与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。如桥梁的行车能力已不能适应新的需要、结构的用途发生改变等；(3)经济性使用寿命：是结构物使用到继续维修保留已不如拆换更为经济时的期限。这三种使用寿命之间既有联系，又有区别，本课题研究的混凝土梁残余寿命是指混凝土结构的技术性使用寿命。1.2.1混凝土结构使用寿命终结的判断准则在进行结构寿命预测之前，首先必须明确结构的预定功能是什么，如何判断结构的功能失效，即耐久性极限状态的定义，这是结构寿命预测与残余寿命评估的关键。目前研究的寿命准则主要有以下几种：(1)碳化寿命准则碳化寿命准则是以保护层混凝土碳化，从而失去对钢筋的保护作用，使钢筋开始产生锈蚀的时间作为混凝土的寿命。到目前为止，基本上是以混凝土碳化深度达到钢筋表面作为钢筋开始锈蚀的标志。如前苏联有关标准以混凝土碳化深度到达钢筋表面的时间作为混凝土结构的寿命；Funahashi在研究停车场预应力构件的使用寿命时，提出了以钢筋开始锈蚀作为寿命终结的标志，并通过有限差分法计算构件的寿命。这一准则比较适合不允许钢筋锈蚀的钢筋混凝土构件（如预应力构件等），但对大多数混凝土结构来说，以钢筋开始锈蚀作为结构使用寿命终结的标志，显然过于保守，也是不现实的。大量的实际工程调查表明，混凝土碳化深度达到钢筋表面并不是钢筋锈蚀的充分条件，有许多使用二三十年的构件，碳化深度已达到甚至超过钢筋表面，而钢筋尚未发生锈蚀。(2)锈胀开裂寿命准则锈胀开裂寿命理论是以混凝土表面出现沿筋的锈胀裂缝所需要时间作为结构的使用寿命。该准则认为，混凝土中的钢筋锈蚀使混凝土纵裂以后，钢筋锈蚀速度明显加快，将这一界限视为危及结构安全，需要维修加固的前兆。早在20世纪80年代初，Tuutti提出基于钢筋锈蚀的结构构件使用寿命两阶段预测模型，对于一般大气环境，结构构件使用寿命T=T1+T2，其中，T1为混凝土保护层完全碳化、钢筋脱钝开始锈蚀的时间，T2为因钢筋锈蚀发展导致结构构件达到耐久性极限状态的时间；Morinaga以氯离子引进钢筋锈蚀导致混凝土出现顺筋裂缝为失效准则，由试验建立纵裂时的钢筋锈蚀量与钢筋锈蚀速度关系来预测构件寿命。试验表明，在一般的保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度情况下，保护层开裂所需要的锈蚀失重率只有0.5%1.9%，这比规范所允许的钢筋截面误差5%要小得多。对于有装修、观感要求的结构构件，采用混凝土锈胀开裂寿命准则可能较为恰当。(3) 裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命预测由于锈胀开裂的标准很难定量，且锈胀开裂对于大多数结构的安全性和适用性影响不大。于是，人们又提出了裂缝宽度与钢筋锈蚀量控制的寿命准则，即认为锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀量达到某一界限值时寿命终止。如有人提出以保护层出现0.150.25mm裂缝宽度或钢筋截面损失率达到1%作为耐久性极限状态的标志。Andrade.C根据4组钢筋锈蚀深度与保护层开裂的试验结果，对由于混凝土碳化引起的锈蚀情况，建议以裂缝宽度达0.3mm作为使用寿命的终止。Weyers.R.E通过对90名资深工程师的调查，提出以构件损伤面积达12%为耐久性极限状态，并建立了桥梁构件寿命预测模型。而在实际工程中不乏有这样的实例，构件混凝土保护层早已脱落，钢筋锈蚀严重，但构件仍在“正常”使用。因此，对于一般混凝土构件，以受力破坏作为判断寿命终结的标准则可能更合理一些。(4)承载力寿命准则承载力寿命理论是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化，以构件的承载力降低到某一界限值作为耐久性极限状态，也即将由于承载力降低不能承受结构的作用作为结构寿命终结的标志。于是承载力寿命准则可以表示为：R=R(t)S(t)0式中：t结构使用寿命； S(t)作用效应随即过程； R(t)结构抗力随机过程； R结构承载力寿命准则，即承载力极限状态，是一个随机过程。1.2.2混凝土结构寿命预测方法 混凝土结构的使用寿命因其与材料性能、细部构造、暴露状态、劣化机理等许多因素及其相互作用有关而甚难量化，且由于综合作用的影响机理相当复杂，目前对结构使用寿命的预测通常只能考虑其中的一个主要因素，但具体预测方法仍涉及众多学科。国内外科学工作者提出了不同预测方法。(1)基于经验的预测方法：主要针对预测新建结构的寿命，根据试验室和现场大量试验结果与以往经验的积累，对使用寿命作半定量的预测，其中包含了经验知识和推理。目前的一些混凝土标准实际也是这样来估计寿命的，认为如果能够按照标准提出的原则和工法，混凝土就将具有所需的寿命。预测的结果具有人为主观性，且结果的可靠性与专家具有的知识水平和积累经验的丰富程度直接有关。(2)基于类比的预测方法：如假定混凝土在某一期限内是耐久的，则相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。这种方法通常很少使用，往往只作为专家评估的辅助手段。类比法只能定性判断结构使用寿命，且由于建筑材料、结构形式、施工质量、使用荷载和周边环境的变异性，实际上很难找到这种“相似环境中的相似结构”，因此将过去的经验直接用来作比较是不甚合理的。(3)基于加速试验的预测方法：混凝土结构的耐久性试验多采用加速试验，如采用较高的侵蚀物质浓度、较高的温度或湿度以加速劣化过程。(4)基于数学理论模型的预测方法：对所评估的结构研究得比较彻底，通过建立计算寿命的模型，并结合测试数据进行计算，可以推断其剩余寿命。其预测的可靠程度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性等有关。利用数学模型预测使用寿命是目前较多使用的方法。(5)基于力学理论模型的预测方法：包括基于损伤力学的方法和基于断裂力学的方法。基于损伤力学的方法是采用Miner线性累计损伤理论的方法即S-N曲线法确定桥梁结构的疲劳寿命的，基于断裂力学的方法主要以断裂临界裂纹为研究对象，综合采用断裂力学方法和统计理论等确定结构的安全度和剩余使用寿命。(6)基于概率分析的预测方法：又称为数理统计方法，根据大量实测数据确定结构使用寿命的分布特征，或通过对数学模型中参数的统计分析，从而建立概率分析模型。由于影响结构使用寿命的各因素都是随机变量，甚至是随时间变化的随机过程，如混凝土保护层厚度经实测统计是符合正态分布的随机变量，当由于混凝土侵蚀或钢筋锈蚀而使混凝土保护层剥落时，甚至是随机过程；影响混凝土结构耐久性的各项因素，如环境温湿度、有害介质含量、混凝土的密实性和空隙率等也都是随机变量或随机过程；当采用承载力寿命准则时由于钢筋锈蚀等因素的影响，结构构件的承载力将随时间衰减，此时结构的荷载与抗力都是随机过程，因此，应用概率方法进行结构的寿命预测显然是非常合理的。(7)基于结构可靠度理论的预测方法：可靠度方法是一种评估结构使用寿命的理想方法。该方法建立在可靠度时间关系的基础上，认为结构可靠度衰减到可接受的最小值或者失效概率增大到可接受的最大值的时间为使用寿命。(8)基于灰色理论的预测方法：采用灰色理论方法，以混凝土结构损伤系数的时间序列为基础，采用基本灰色理论模型和改进灰色预测模型外推结构剩余寿命，改进模型可适用于定期检测的结构。(9) 基于经济效应方面考虑桥梁剩余寿命预测：采用最优化理论，综合考虑结构全寿命期内检测、维修、维护、更换等，基于可靠性和经济优化双控原则对结构剩余使用寿命进行预测的方法。总之，每种结构使用寿命预测的方法都有自己侧重点，也各有自身的优点，但是都没有系统地、真实地对整体的寿命做出可靠的预测。1.3 项目主要研究内容及技术方案本项目的主要研究内容包括：(1)混凝土梁裂缝分析(2)混凝土残余寿命评估研究；(3)混凝土裂缝修补技术研究；(4) C50抗裂耐久混凝土配制技术研究。本项目研究拟采取主要技术方案：(1)调查混凝土梁裂缝的部位及形式，对混凝土裂缝进行归类，分析导致不同类型裂缝的原因；(2)建立混凝土劣化模型，计算混凝土残余寿命；(3)根据现场调查得到的混凝土裂缝类型、特点及混凝土残余寿命评估，提出与之相适应的裂缝修补技术，包括表面处理法，灌浆法，填充法，结构加固法和自修复法，研究相应修补技术的材料和修补工艺；(4)在室内试验室，以C50预应力混凝土（铁路桥梁T梁，箱梁通常采用C50预应力混凝土）为研究对象，开展矿物掺合料种类及掺量、水胶比和砂率等参数对混凝土变形性能和开裂敏感性的影响规律研究，提出综合混凝土强度和开裂敏感性的配合比设计方法。第二章 混凝土梁裂缝分析 混凝土裂缝产生的原因复杂、种类繁多，如果不对裂缝进行系统全面的分析和研究，就很难揭示出混凝土梁病害产生的内涵和机理。因此，对混凝土梁裂缝的分析和研究不仅阐明了裂缝形成机理、裂缝危害性评定等问题，还直接为今后桥梁病害的综合治理提供技术前提和决策依据，这正是混凝土梁裂缝分析和研究的目的。2.1 混凝土裂缝理论混凝土裂缝机理的产生相当复杂，单因素裂缝是很少的。但是，一般说来，裂缝主要是由一种或几种因素引起的，其它因素只是起了裂缝继续发展或加剧劣化的作用。因此，在分析裂缝产生的原因时，可以将裂缝形式与单因素或主要的两、三种因素一一对应起来，这种分析方法是最简单、最直接，也是很有效的方法。2.1.1对混凝土裂缝的认识混凝土是当今桥梁结构中使用最广泛、应用量最大的一种材料。因为它可以配制成不同强度、不同性能和不同形状的各种混凝土结构物，并有较好的耐久性，除非受到侵蚀性环境的化学腐蚀或者遭到物理破坏，混凝土几乎具有无限的生命潜力。但是任何混凝土都是带裂缝工作的，裂缝的存在和发展，使相应部位构件的承载力受到一定程度的削弱，同时裂缝还会引起保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化、持久强度低等，甚至危害桥梁的正常运行和缩短其使用寿命。裂缝是固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料强度理论范畴。可以把混凝土的强度理论大致分为唯象理论、统计理论、构造理论、分子理论四种。唯象理论是建立在简单的基本试验基础上的，它归纳分析了大量试验数据，以提出基本假定，建立计算模型，并在均质、弹性、连续假定前提下推导出材料强度的各种计算公式，从而形成材料力学中的一些强度理论，如最大主应力理论、最大变形理论、最大剪应力理论、八面体强度理论等。后期又在弹性假定基础上引进了塑性理论。在设计中，它考虑了混凝土和钢筋混凝土的弹塑性性质，并发展了极限状态的强度理论，包括极限强度、极限变形和极限裂缝开展三种极限状态。这些理论直至今天，国际上仍在继续发展。外荷载作用下混凝土强度问题，应用唯象理论研究得相当充分，解决了大量工程实际问题。唯象理论忽略了混凝土内部的构造组成，如混凝土内部固相、气相、液相的相互作用，导热过程、水分转移、蒸发过程以及各种孔隙、缺陷、内部微裂等不连续现象，计算结果与实际相差较大。后来又发展了统计强度理论，虽仍把材料当作连续的固体，但视其内部存在的缺陷及微裂、裂缝等的分布服从统计规律，从而使强度理论计算结果能接近于实际。构造理论进一步考虑材料的内部构造，考虑到混凝土是由不同材料组成的非均质体，内部存在着固、液、气体，当温度和湿度变化，而且在外荷载作用下，混凝土内部产生了复杂的物理现象，引起了内部“初始应力”、“初始微裂”、内部扩散及质量转移等随时间变化的现象，从而具体补充了唯象理论所不能解释的现象，如相同组分材料的不同施工及养护工艺条件下抗裂强度可差数倍之多，以及内部微裂对宏观强度之显著影响等。如前所述，可以概括地说，唯象理论以及近代发展的极限强度理论的最大缺点是忽略了“时间”参数，只知道最终状态而不了解中间全过程。最后，关于材料的分子强度理论，它是应用物理万学方法研究分子间的作用力，求出材料的宏观强度，从而可以按人的意志设计超高强度建筑材料的理论。分子强度理论尚处于探索阶段，远不到工程应用阶段。2.1.2混凝土裂缝的处理原则工程实践经验和理论分析说明，混凝土的裂缝是不可避免的，只是有些裂缝是无害的或其害处是可控制的。如果对混凝土结构的抗裂要求过严，必将付出太大的经济代价，甚至无法实现。科学的要求应是将裂缝的有害程度控制在允许范围之内。在约束状态下，结构首先要求有变形的余地，如结构没有条件满足此要求，则必然产生约束应力，超过混凝土的抗拉强度，导致开裂。所以，提出了“抗与放”的设计准则，应当在工程设计中，根据结构所处的具体时空条件加以灵活的应用。从结构形式的选择方面(微动、滑动及设缝措施，提供“放”的条件)，用材料性能方面(提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的条件)采取综合措施，如抗放相结合，以抗为主或以放为主的措施2.1.3混凝土的微观裂缝与宏观裂缝 20世纪60年代，因有关混凝土的现代试验研究设备的出现(如各种实体显微镜、X光照相设备、超声仪器、渗透观测仪等)，完全证实了在尚未受荷的混凝土和钢筋混凝土结构中存在肉眼不可见的微观裂缝。据此，有些学者考虑了混凝土的实际结构，建立了构造模型，如骨料和水泥石组成的“层构模型”、“壳-核模型”和“组合盘体模型”等，并通过弹性理论计算，从理论上证明了变形约束应力可以引起微观裂缝。微观裂缝主要有三种：(1)粘着裂缝，指骨料与水泥石的粘接面上的裂缝，主要沿骨料周围出现；(2)水泥石裂缝，指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间；(3)骨料裂缝，指骨料本身的裂缝。在这三种裂缝中，前两种较多，骨料裂缝较少。混凝土的微裂主要指粘着裂缝和水泥石裂缝。混凝土中微裂的存在，对于混凝土的基本物理力学性质：如弹塑性、徐变、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等有着重要影响。由于微裂的分布是不规则的，沿截面是非贯穿的，故具有微裂的混凝土是可以承受拉力的。但是，在结构的某些受拉力较大的薄弱环节，微裂在拉力作用下很容易扩展并串连到全截面，从而较早地导致断裂。另外，混凝土材料的非均匀性对混凝土抗拉甚为敏感，故抗拉强度的离散程度远较抗压过大。实际工程结构的裂缝，绝大多数由抗拉强度和抗拉变形(极限拉伸)不足而引起。但以往的科研和技术工作，在这方面大都只是围绕抗压强度方面进行研究(人们在大多数情况下只关心抗压强度)。在抗拉方向研究工作却很少，这使得在目前条件下很难找到准确的计算理论。在混凝土抗剪方面，在微裂扩展串连之前，混凝土截面有良好的抗剪能力，即使微裂扩展并串连横贯全截面，仍可靠摩擦力及交错面的咬合而维持工作。但进一步扩展将会失去抗剪能力，这时欲维持其继续工作必须配置钢筋。微观裂缝可按混凝土的构造理论加以解释，即视混凝土为骨料、水泥石、气体、水分等所组成的非均质材料，在温度、湿度变化条件下，混凝土逐步硬化，同时产生体积变形。这种变形是不均匀的：水泥石收缩较大，骨料收缩很小；水泥石的热膨胀系数大，骨料较小。它们之间的变形不是自由的，产生相互约束应力。在构造理论中一种极为简单的计算模型，是假定圆形骨料不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中，当水泥石产生收缩时引起内应力，这种应力可引起粘着微裂和水泥石开裂。混凝土微裂的存在、扩展、增加，使应力-应变曲线向水平线倾斜，应力滞后于应变，泊松比增加，刚度下降，持久强度降低，徐变增加。宏观裂缝是相对微观裂缝而言，人们可以用肉眼看见的存在于混凝土构件表面甚至深入构件内部的裂缝。宏观裂缝可以是由微裂扩展、连接、延伸而来，也可能是在外荷载、变形约束等因素的影响下“直接”生成。但普遍认为前者所占的比例是绝对多数的，因为裂缝总是沿着最容易开裂的路径产生。2.1.4混凝土裂缝的危害(1)加速碳化混凝土裂缝的存在，使空气中的CO2极易渗透到混凝土内部与水泥的某些水化产物相互作用形成碳酸钙。在潮湿的环境下CO2能与水泥中的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙相互作用并转化成碳酸盐，中和水泥的基本碱性，使混凝土的碱度降低，使钢筋纯化膜遭受破坏，当和空气同时渗入时，钢筋就产生锈蚀。同时由于混凝土碳化会加剧混凝土收缩开裂，导致结构破坏。(2)降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能力溶蚀型混凝土腐蚀即当水通过裂缝渗入混凝土内部或是软水与水泥石作用时，将一部分水泥的水化产物(如Ca(OH)2)溶解并流失，引起混凝土破坏。这种腐蚀在桥墩上表现突出。盐酸(酸性液体)腐蚀和镁盐腐蚀这类腐蚀的主要生成物不具有胶凝性，且易被水溶解的松软物质。这些物质能被通过裂缝或孔隙渗透入混凝土内部的水所能溶蚀，使硷中的水泥石遭受破坏。结晶膨胀型腐蚀：它是混凝土受硫酸盐的作用，在裂缝和混凝土孔隙中形成低溶解度的新生物，逐步积累后将产生巨大的应力使混凝土遭受破坏。(3)影响混凝土结构的强度和稳定性混凝土裂缝直接影响混凝土结构物的结构强度和整体稳定性。轻则会影响桥梁结构的外观、正常使用和耐久性，严重的贯穿性裂缝可能导致桥梁的完全破坏。2.2 混凝土梁裂缝类型及其特征混凝土裂缝的分类按其发生时间可分为，早期裂缝、中期裂缝、后期裂缝。按其作用性质可分为，使用荷载引起的裂缝、温度裂缝、混凝土收缩裂缝、钢筋锈蚀与冻胀引起的裂缝。按其深度可分为，表面裂缝、浅层裂缝、纵深裂缝、贯穿裂缝。其中纵深裂缝和贯穿裂缝危害性大，必须对其进行处治。另外裂缝也可以按其活动性分为活动裂缝和稳定裂缝。活动裂缝必须采取措施进行控制，以防止裂缝进一步发展。表2-1 混凝土箱梁常见裂缝归类序号裂缝名称及发生部位简图特征1腹板斜裂缝位于L/3附近，与水平面大致成45度角度，在跨中两边成八字形2顶板纵向裂缝在顶板上沿顺桥向分布，离开腹板一定距离3横隔板发散裂缝在横隔板上以过人孔为中心，呈发射状4底板横向裂缝位于跨中附近底板，竖桥向分布5顶板横向裂缝通常在桥墩墩顶附近，竖桥向分布混凝土箱梁裂缝主要分布在腹板、顶板、底板以及横隔板上，从裂缝的力学特征来看，箱梁桥内裂缝主要存在着纵向弯曲裂缝、剪切裂缝、横向弯曲裂缝、扭转裂缝和局部受力裂缝，具体表现为预应力筋没有“覆盖”而截面又未经校验处的裂缝、支承处箱梁横隔板中裂缝、腹板主拉应力斜裂缝、顶板中由于横向预应力布置不当引起的横向弯曲裂缝、温度收缩裂缝和强大预加力锚固处局部劈裂裂缝等。归纳混凝土箱梁的常见裂缝及其分布特征，见表2-1。2.3 混凝土梁裂缝成因分析2.3.1混凝土裂缝产生的主要原因混凝土在实际使用过程中承受两大类荷载，有各种外荷载和变形荷载(温度、收缩、不均匀沉陷)，统称为广义荷载。其中静荷载、动荷载和其他荷载，称为第一类荷载；而变形荷载，称为第二类荷载。混凝土梁裂缝的主要成因不外乎以下三种：(1)由外荷载(如静、动荷载)的直接应力，即按常规计算的主要应力引起的裂缝；(2)由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝；(3)由变形变化引起的裂缝(我们称之为第二类“荷载”)。结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝就属于这类裂缝。应特别注意这种裂缝起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力还与结构的刚度大小有关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部分满足，同时刚度下降，应力就发生松弛。根据国内外的调查资料，工程实践中结构物的裂缝原因，属于由变形变化(温度、收缩、不均匀沉陷)引起的约占80%以上，属于由荷载引起的约占20%左右。前述80%的裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主所引起的裂缝;同时，在20%的裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用，但以荷载为主所引起的裂缝。2.3.2混凝土箱梁裂缝原因分析引起箱梁裂缝的因素大致有混凝土的收缩、混凝土的徐变、环境温度、以及箱梁的实际受力状况。(1)混凝土收缩在混凝土收缩过程中，表面混凝土的拉应力超过混凝土当时的抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土的收缩的机理可分为三个方面:毛细收缩、化学收缩、干燥收缩。当混凝土表面干燥时，内部毛细水压力开始增大，而导致所有的毛细水压力开始增大，而导致所有的毛细水承受毛细水压力，对于新鲜混凝土产生有益的压力作用。化学收缩以碳化收缩为主，碳化收缩是混凝土中的水泥水化物与空气中的二氧化碳发生化学反应的结果。水泥水化物中的氢氧化钙碳化成碳酸钙，而水化物的其他成分也都发生分解而生成水化硅，铝和氧化铁，而收缩的原因在于氢氧化钙结晶体的溶解和碳酸钙的沉积，干燥收缩的原因是混凝土内部吸附水的消失。(2)混凝土徐变混凝土的徐变会对箱梁产生次内力，当次内力达到或超过混凝土的极限抗拉强度的时候就会产生裂缝。当一个压力荷载作用在混凝土上，通过层状小孔的压应力大部分由孔中的固体微粒来承担，孔中的水分由于比固体微粒刚度小而只承受一小部分荷载作用。这样就使得某些固体微粒缓慢的从受压孔中溢出而移到较低应力状态或自由受力的位置，当大量的微粒这样移动后，微粒移动的速度降低，引起徐变速度变慢。当微粒离开小孔，横向压力释放，外加荷载部分化作用使得可能的孔都填满水泥浆以抵抗变形。小孔中的水是固体微粒移动的基本条件。因此，孔中没有水，就几乎没有徐变，在含常水量的混凝土中，沿孔的水的运动相当少，也就在徐变中不起什么作用，就是基本徐变的情况。当水含量不断变化，如外界干燥作用，大量的水沿着小孔发散，水的运动使得固体微粒具有很大的运动性，从而引起微粒沿孔的移动加快，也就加快徐变，这就是干燥徐变现象。(3)环境温度由于混凝土的导热率差，沿混凝土构件的高度将产生温度梯度。温度梯度是很多变量函数，如太阳辐射，周围温度，风速递增、材料性质、结构表面特性和截面形状。这种温度梯度将在超静定结构如连续梁中产生外约束力。如果解除连续梁桥的中间支座，并假设结构上表面的温度高于下表面时，结构将上拱起。而实际结构的变形在中间支座处受到约束，就会产生约束弯矩和剪力。在预应力混凝土结构中，在静载和预应力作用下可能存在压应力储备较低的区域，在该区域内约束力产生的应力很容易达到超过混凝土抗拉强度的应力值。就通常导致接近中间支点处的竖向裂缝。在某些情况下，温度梯度的应力可能比荷载应力要大。另外一种温度应力引起开裂的原因是水化热、连续低温和收缩。水化热是化学过程中产生的，与水泥的种类和用量、混凝土构件的厚度、骨料的温度、拌合水和周围大气有关。混凝土内部温度高，表面温度低，内部的膨胀要受到表面的约束，使得混凝土表面产生拉应力，以致达到混凝土的极限抗拉能力，产生裂缝。(4)弯曲正应力混凝土构件受弯矩作用产生的弯曲正应力超过混凝土的抗拉强度后会出现垂直裂缝。在连续梁的正弯矩区的底部和负弯矩区的顶部一般可发现这些裂缝。在箱梁中，正弯矩的弯曲裂缝将贯通底板宽度，严重时会延伸至腹板中。在负弯矩区，由于弯矩重分布使拉应力减小，截面顶部的弯曲裂缝较少出现。在分段式施工的箱梁中，弯曲裂缝一般出现在接缝内或接缝附近。在支座附近区域，剪切作用与弯曲作用叠加，在初始竖向开裂后，主拉应力会使腹板中产生倾斜裂缝。(5) 剪切应力剪切裂缝发生在剪应力最大部位，一般在支点附近，由主拉应力引起的沿中性轴与水平方向呈25-50度角。弯剪裂缝一般出现在1/8-1/4跨径处，与水平方向呈30-60度角。剪切裂缝也可能起因于弯曲应力或力筋锚具后的高拉应力。2.4 本章小结本章详细介绍了裂缝的概念，分析了混凝土产生裂缝的因素及其这些因素让混凝土产生裂缝的机理。以混凝土箱梁为研究对象，归纳混凝土箱梁裂缝类型及其特征，对混凝土箱梁裂缝的成因进行了分析。第三章 混凝土梁残余寿命评估随着混凝土建筑物的使用，混凝土的老化问题日益突出。如何预测老化混凝土结构的剩余使用年限以及采取合理的维修或加固措施以充分挖掘在役混凝土结构的使用潜力成为一个迫切需要解决的问题。目前，老化混凝土结构剩余使用年限的种类有多种，根据结构的失效形式可以分为正常使用寿命和承载能力使用寿命；根据结构的老化失效状态可以分为分别以碳化、氯盐侵蚀钢筋锈蚀等为标志的使用寿命，每一种寿命都有其终止的准则。本章介绍基于混凝土材料自身老化的寿命评估，主要包括碳化和氯盐侵蚀两大方面。3.1 混凝土梁碳化寿命评估3.1.1碳化机理 混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度，同时将散粒状的砂和石子勃结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水溶液是pH值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸钙或者其它物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，PH值下降到8.5左右，这种现象就称为混凝土的碳化。这是混凝土中性化最常见的一种形式。碳化对钢筋混凝土结构有两方面的不利影响：一是由于碳化生成物细度很高，与混凝土相比强度很低，因此碳化过程就是结构受力截面不断减小的过程；二是混凝土为碱性物质，其pH值一般在13左右，它可使钢筋表面形成一层钝化膜，以阻止钢筋的锈蚀，而碳化降低混凝土的碱度，促使钢筋去除钝化膜，从而激发锈蚀。混凝土碳化的主要化学反应式为：CO2+H20H2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O混凝土碳化的速度主要取决于化学反应的速度、CO2向混凝土内扩散的速度和Ca(OH)2的扩散速度。其中CO2扩散速度是决定性因素。3.1.2碳化影响因素 混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与各水化物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和环境相关的外部因素。对于服役的钢筋混凝土桥梁来说，由于其内部因素己经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的浓度、环境温度和湿度。快速碳化试验表明，CO2的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大，因为高浓度，高压力的CO2气体能较快地向混凝土内部扩散，使碳化迅速进行。而且，碳化较易发生在潮湿的环境中，尤其是干湿交替的环境。随着温度的升高，混凝土的碳化加速。3.1.3碳化作用下混凝土结构寿命评估模型 混凝土碳化深度的影响因素是很复杂的，实际结构的材料、施工和所处的环境条件都是随机因素。单个因素对混凝土碳化的影响只能定性地研究，难于定量地确定，并应用于实际工程中，所以很多学者采用工程调查、实验室模拟试验，得出许多工程经验公式，这些公式的统一模式为： (3-1)国内外的大量碳化试验与碳化调查结果均表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比，上式可以改写为： (3-2)式中：碳化速度系数，是反映碳化速度快慢的综合参数。碳化速度系数可根据实测碳化深度代表值xc和已使用年限tu计算：；无条件进行碳化深度检测时也可按下式计算： (3-3)其中，k混凝土碳化速度系数；CO2浓度影响系数，,为CO2的浓度(%)；位置影响系数，构件角区取1.4，非角区取1； 养护浇筑影响系数，取1.2； 工作应力影响系数，受压时取1，受拉时取1.2；、环境温度和相对湿度； 混凝土立方体抗压强度标准值。混凝土中性化(碳化或酸性物质的影响)的深度，可用浓度为1%的酚酞酒精溶液(含20%的蒸馏水)测定，将酚酞酒精溶液滴在新暴露的混凝土面上，以混凝土变色与未变色的交接处作为混凝土中性化的界面。过去一直认为碳化进行到混凝土中钢筋表面时钢筋才失去钝化膜产生锈蚀，因此常把二氧化碳扩散到钢筋表面的时间作为预测钢筋混凝土构筑物寿命的一个重要手段。实际上钢筋混凝土碳化时由于二氧化碳对混凝土中的氯盐、硫酸盐、碱金属盐等的影响使混凝土中的腐蚀因子在混凝土内部产生迁移和浓缩，腐蚀在碳化未达到钢筋表面时已经发生，因此提出碳化残量的概念，即酚酞呈色界线到钢筋表面间距离。碳化残量也按下式计算： (3-4)式中：局部环境影响系数，可按表3-1选取； c混凝土保护层厚度，mm。混凝土的碳化寿命可按下式计算： (3-5)式中：混凝土碳化速度系数； c混凝土保护层厚度，mm； 碳化残量，mm。表3-1 局部环境影响系数取值表环境类别环境状况局部环境系数一般大气环境一般室内环境，一般室外淋雨环境1室内潮湿和长期与水或湿润土接触的构件1.5室内高温、高湿变化环境2.0室内干湿交替环境33.5干燥地区室外淋雨环境3.5潮湿地区室外淋雨环境43.1.4碳化作用下混凝土结构残余寿命评估主要参数 (1)混凝土碳化速度系数混凝土碳化速度系数是影响混凝土结构残余寿命计算的重要参数，碳化速度系数主要取决于结构所处环境和结构混凝土强度等级。碳化速度系数越大，表明混凝土越易被碳化，残余寿命越低。(2)碳化残量碳化残量取决于混凝土结构保护层厚度和结构所处环境条件。碳化残量越大，表明结构所处碳化环境严酷，残余寿命越小。3.2 混凝土梁抗氯盐侵蚀寿命评估3.2.1氯盐侵蚀机理氯盐侵蚀引发钢筋锈蚀的机理与混凝土碳化：(1)破坏钝化膜。由于氯离子半径很小，具有极强的穿透能力，是很强的去钝化剂，因此，当氯离子吸附于局部钝化膜处时，会使。有微观测试研究表明，氯离子的局部酸化作用，可以使钢筋表面pH降到4以下，从而破坏了钢筋表面的钝化膜。(2)形成“腐蚀电池”。氯离子引起钢筋锈蚀往往是局部腐蚀，俗称点蚀或坑蚀，这是因为 对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在浓度较高或钝化膜不密实的局部点,使这些局部点露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差，在混凝土孔溶液电解质和氧气存在的条件下，由于大阴极(钝化膜区) 对应于小阳极(钝化膜的破坏点)，腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生坑蚀的速度十分迅速，腐蚀也就由局部开始逐渐在钢筋表面扩展。(3)去极化作用。氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且会加速电池的作用过程，这是因为阳极反应产生的Fe2+与Cl-能快速结合生成溶解性较强的FeCl2。该物质在混凝土内扩散时遇到OH-离子立即生成多孔疏松的Fe(OH)2沉淀,同时释放出Cl -离子,而Fe(OH)2则进一步氧化生成Fe(OH)3或Fe2O3,从而引起钢筋的膨胀性腐蚀。氯离子引起钢筋锈蚀危害性很大，不仅在于它造成钢筋局部坑蚀截面减少容易引起应力集中，还在于氯离子参与电化学反应具有循环性和连续性，在整个腐蚀过程中,Cl -离子只是参与了反应过程,但并没有被“消耗”，它会周而复始地起破坏作用，这是氯盐危害的特点之一。有关氯离子参与的钢筋腐蚀电化学反应式如下：Fe2+ + 2Cl- + 4H2O FeCl2 4H2OFeCl2 4H2O 4Fe (OH) 2 + 2Cl- +2H+ + 2H2O (4)导电作用。腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，当混凝土中有氯离子存在时，氯离子增强了孔溶液电解质的导电性，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。3.2.2氯盐侵蚀作用下混凝土结构寿命评估模型氯离子在混凝土中传输机理非常复杂，但在许多情况下，扩散仍然被认为是一个最主要的传输方式，对于没有开裂的，水胶比不大低 混凝土结构，许多检测结果和试验结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程人们一般用Fick第二扩散定律进行描述。选择Fick第二扩散定律基本上是基于一种经验的假定，因为不仅它的解可以用来很好地拟合氯离子侵蚀的实测结果，而且模型参数也具有明确的物理意义，这一方法已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，暴露在氯盐环境下的混凝土结构，氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为，其内部氯离子浓度随时间和深度变化的函数如(3-6)式： (3-6)式中：C(x,t)t时刻，x深处混凝土内部的氯离子浓度；C0混凝土中初始氯离子含量；Cs混凝土表面氯离子浓度；erf误差函数；x 混凝土钢筋保护层厚度；D氯离子扩散系数；t混凝土结构的使用寿命。氯离子扩散系数在实际结构中是一个变化的值，随着时间的推移，混凝土充分水化而变得越来越致密，氯离子扩散系数值会越来越小。工程应用中，一般只知道氯离子扩散系数28d的实验室值(D0)，实际结构中混凝土的氯离子扩散系数D与实验室获得的D0关系认为符合(3-7)式： (3-7)式中：D0为实验室通过NT Bulid443试验获得的混凝土表观氯离子扩散系数；t0为实验室取得混