混凝土结构耐久性的重要性及具体设计数值分析

混凝土结构耐久性
1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性
钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。
然而，从混凝土应用于建筑工程至今的150年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏，丧失了结构的耐久性能，已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。
国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。
因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。
正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展开了研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄今为止，已经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。
1.2 混凝土碳化
1.2.1 混凝土碳化的定义
所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。
影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致了混凝土的PH值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现PH<1这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。
由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引起的混凝土化学成分的变化以及混凝土内部碳化的进行状态，对于混凝土结构的耐久性研究具有重要的意义。
1.2.2 混凝土碳化的机理
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(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，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(Ca(OH)2)，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，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，PH值下降到8.5左右。
混凝土碳化的主要化学反应式如下：
CO2+H2O®H2CO3 (1-1)
Ca(OH)2+H2CO3®CaCO3+2H2O (1-2)
1.2.3 影响混凝土碳化的因素
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，再与各水化产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与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内部因素已经确定，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。
概况地说，混凝土碳化的影响因素为：
1. 混凝土本身的密实度：混凝土密实度越大，碳化速度越慢；
2. 二氧化碳的浓度：二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；
3. 环境温度：环境温度越高，碳化速度越快；
4. 环境湿度：环境相对湿度在50～70％时，碳化速度最快。
1.2.4 混凝土的碳化规律
1. 混凝土的碳化规律
国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的基础上，国内外公认的碳化深度D与碳化时间t的关系式为：
(1-3)
式中，a为碳化速度系数；D为混凝土碳化深度（mm）；t为测定D的碳化时间（年）。
碳化速度系数体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关。
2. 碳化规律应用1——自然锈蚀和快速碳化之间的关系。
(1-4)
式中，D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；C1、C2为测定D1和预测D2时的碳化浓度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间。
例1-1：某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混凝土快速碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的400倍，混凝土试块在放入碳化箱5天后测得其碳化深度为10mm。试问：实际结构使用30年后的碳化 深度。
解：已知 D1= 10 mm; t2 = 30×365 天；t1 = 5天； C2/C1 =1/400 ；则：
D2 = 10× [ 30×365 /（ 5× 400）]
=23.4（mm）.
3. 碳化规律应用2——自根据实测碳化深度推测以后情况
(1-5)
式中， D1、D2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；t1、t2为测定D1和预测D2时的碳化时间。
例1-2：某结构物使用10年以后测其碳化深度为15mm，试问:该结构物使用30年后的碳化深度。
解: 已知D1=15mm; t1 = 10年; t2 =30年; 则:
D2=15(30/10) =26(mm).
1.2.5 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析
混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。在对服役结构的抗力进行评价时，所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服役结构抗力评价需要解决的问题。
一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行了混凝土的抗压和劈拉试验。
通过试验研究分析，有下列结论：随着碳化龄期的增长，混凝土的抗压强度也随之提高；同一龄期碳化试件的抗压强度均比未碳化试件的抗压强度高。从这一点来看，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。
1.3 氯离子对混凝土结构的侵蚀
我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。在我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。我国还有广泛的盐碱地，腐蚀条件更为苛刻。在1991年召开的第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授在《混凝土耐久性－五十年进展》主旨报告中指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。”而来自海洋环境和使用防冰盐中的氯离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。
1.3.1 氯离子对混凝土的作用机理
1.破坏钝化膜
水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往的研究认为该钝化膜是由铁的氧化物构成，最近研究表明，该钝化膜中含有Si-O键，对钢筋有很强的保护能力。然而，此钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当PH<11.5时，钝化膜就开始不稳定；当PH<9.88时，钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。Cl－是极强的去钝化剂，Cl－进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的PH值迅速降低，可使钢筋表面PH值降低到4以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。
2. 形成腐蚀电池
如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能使均匀腐蚀。但是，在不均质的混凝土中，常见的局部腐蚀。Cl－对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成单位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。
3. 去极化作用
Cl－不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。Cl－与阳极反应产物Fe2+结合生成FeCl2，将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而加速阳极极化作用称作去极化作用，Cl－正是发挥了阳极去极化作用。
在氯离子存在的混凝土中，钢筋的锈蚀产物中是很难找到FeCl2存在，这是由于FeCl2是可溶的，在向混凝土内扩散时，遇到OH¬－就能生成Fe(OH)2沉淀，再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常说的铁锈。由此可见，Cl－起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的Cl－，会周而复始的起到破坏作用，着也是氯离子危害的特点之一。
4. 导电作用
腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中Cl－的存在，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。氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴阳极之间的欧姆电阻。
1.3.2 氯离子侵蚀模型
1.基本模型——Fick第二定律
通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件，其中一种侵蚀方式是主要的。目前有一些对各种机理全面考虑的模型，但是由于模型中的一些参数很难确定，有些只能从定性上加以描述，其实用性还需要继续探讨。
尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂，在许多情况下，扩散仍然被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程一般引用Fick第二定律。Fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，可以直观地体现结构的耐久性。由于Fick第二定律的简洁性及与实测结果之间较好的吻合性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择Fick第二扩散定律也是基于一种经验的假定，因为它的模型可以很好地拟合结构的实测结果。
假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，氯离子在混凝土中扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面方向变化，Fick第二定律可以表示为：
（1-6）
式中：Ccl－氯离子浓度（％），一般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比表示；
t－时间（年）；
x－位置（cm）；
Dcl－扩散系数。
Fick第二定律的解取决于问题的边界条件。
2.氯离子侵蚀模型
混凝土结构在经过相当长时间的使用后，表面基本达到饱和，在稳定的使用环境中不会发生太大的变化，因此可以假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定。另外，假定混凝土结构相对暴露表面为半无限介质，在任一时刻，相对暴露表面的无限远处的氯离子浓度治为初始浓度。那么相应初始条件可以写为：
Ccl（x,0）=0 （1-7）
边界条件：
(1-8)
(1-9)
式中：Cs为混凝土表面的氯离子浓度；Co为氯离子初始浓度。
根据初始条件和边界条件，可以得到式（3-1）的解为：
(1-10)
式中：Cx.,t为t时刻x深度处的氯离子浓度；
erf()为误差函数， 。
1.3.3 氯离子扩散影响因素
1．扩散系数
氯离子扩散系数是反应混凝土耐久性的重要指标。一般通过建立扩散深度和实测浓度的关系，然后根据Fick定律拟合氯离子的扩散系数。氯离子的扩散系数不仅和混凝土材料的组成，内部孔结构的数量和特征、水化程度等内在因素有关系，同时也受到外表因素的影响，包括温度、养护龄期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等。
2．混凝土中Cl－的临界值
尚不致引起钢筋去钝化的钢筋周围混凝土空隙液的游离Cl－的最高浓度，被成为混凝土氯化物的临界浓度。这是一个十分重要的指标，但是因为影响因素很多，既受到混凝土成份、组织与环境条件的影响，而且氯化物浓度也还没有一个严格统一的标准方法，所以目前尚无统一的定论。但是，有一点是很清楚的，即钢筋腐蚀危险随混凝土氯化物含量增大而增加，当氯化物含量超过氯化物临界浓度是，只要其它必要条件已经具备，就会发生很严重的钢筋腐蚀。
3．表面氯离子浓度
氯离子的扩散是由于氯离子的浓度差引起，表面浓度越高，内外部氯离子浓度差越大，氯离子扩散至混凝土内部的氯离子会越多。而结构表面的氯离子除了与环境条件有关外，还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。
4．混凝土保护层厚度
混凝土保护层厚度为钢筋免于腐蚀提供了一道坚实的屏障，混凝土保护层厚度越大，则外界腐蚀介质达到钢筋表面所需的时间越长，混凝土结构就越耐久。
理论上混凝土保护层越厚，混凝土结构耐久性就越好。但实际上，过厚的保护层在硬化过程中，其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制，很容易产生裂缝，裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下，混凝土保护层厚度不应超过80～100mm，具体尺寸应根据结构设计而定。
1.4 混凝土的冻害
1.4.1 混凝土冻害机理
在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多于的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。
当处于饱和水状态时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温度在-78oC以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见，处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土又表及里遭受破坏。
1.4.2 主要影响因素
1．混凝土
水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增加，不仅饱和水的开孔总体积增加，而且平均孔径也增加，在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力就大，因而混凝土的抗冻性必然降低。
2．含气量
含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是加入引气剂形成的微细孔对提高混凝土抗冻性尤为重要，因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减小，即起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。
3．混凝土饱水状态
混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7％就不会产生冻结膨胀压力。该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。由于混凝土表面层含水率通常大于其内部的含水率，且受冻时表面的温度又低于内部的温度，所以，冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。
4．混凝土受冻龄期
混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。因为龄期越长水泥水化就越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力就越大，这一点对早期受冻的更为重要。
1.5 混凝土的碱－集料反应
碱－集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。该反应不同于其它混凝土病害，其开裂破坏是整体性的，且目前没有有效的修补方法，而其中的碱－碳酸盐反应的预防尚无有效的措施。由于碱－集料造成的混凝土开裂破坏难以被阻止，因而被成为混凝土的“癌症”。半个多世纪以来，碱－集料反应已经在全世界近二十多个国家造成了严重的损失。
1.5.1 碱－集料反应机理
碱－集料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间的发生的反应。可见，促使这类反应发生必须具备三个条件，即在混凝土中同时存在活性矿物集料（活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土质页岩等）、碱性溶液（KOH、NaOH）和水。
在水泥水化生成物中，除了C2S、C3S、S3A和C4AF之外，还有少量的Ca(OH)2，与集料中的钾长石或钠长石反应会置换出KOH和NaOH。在水泥水化反应初期，于集料颗粒四周形成C-S-H凝胶及Ca(OH)2附着层，然后Ca(OH)2与长石反应置换出KOH和NaOH，形成发生碱－集料反应的一个必要条件。
混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱－集料发生反应：
(1-11)
KOH和NaOH浓度较低时，不足以引气混凝土的破坏，一般认为当含碱量小于0.6％时，可不考虑碱－集料反应。
当KOH或NaOH浓度较高时，KOH或NaOH不仅能中和二氧化硅颗粒表面及微孔中的氢离子，还会破坏O-S-O之间的结合键，时二氧化硅颗粒结果松散，并使这一反应不断向颗粒内部深入形成碱硅胶。这种碱硅胶会吸收微孔中的水分，发生体积膨胀。在周围水泥浆已经硬化的情况下，这种体积膨胀会受到约束，产生一定的膨胀压力。当该压力超过水泥浆抗拉强度时，就会引气混凝土开裂，时混凝土结构发生破坏。该反应引气的体积膨胀量与混凝土中的含水量有关系，水分充足时，体积可增大三倍。因此，为了减少这种膨胀压力，必须防止水分由外部渗入混凝土孔隙中，即对混凝土结构予以放水处理。
1.5.2 碱－集料反应发生条件
碱－集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶性碱，和混凝土空隙中及集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发生的一种化学反应。不论是碱－硅酸反应和碱－碳酸反应，必须同时具备如下三种条件才能发生碱－集料反应对混凝土结构造成损坏：
1. 配制混凝土时由水泥、集料（海砂）、外加剂和拌合水中带进混凝土中一定数量的碱，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；
2. 有一定数量的碱活性集料；
3. 潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。
1.5.3 碱-集料反应的主要影响因素
由碱－集料反应的机理可以得知，影响这一反应的主要因素为水泥的含碱量及集料本身有无反应活性，另外就是孔隙水量，这三要素缺一不可。因此，影响碱－集料反应的因素也均与这三要素紧密相关，主要包括下列因素：
1. 水泥的含碱量
2. 混凝土的水灰比
3. 反应性集料的特性
4. 混凝土孔隙率
5. 环境温湿度的影响
1.6 钢筋的锈蚀
大量工程实践证明，在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响服役结构耐久性的主要因素。新鲜的混凝土是呈碱性的，其PH值一般大于12.5，在碱性环境中的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳、水汽和氯离子等有害物质从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致了混凝土的PH值的降低，就出现PH<9这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀，并且随着锈蚀的加剧，将导致混凝土保护层开裂，钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋受力截面减少，结构强度降低等一系列不良后果，从而导致结构耐久性的降低。通常情况下，受氯盐污染的混凝土中的钢筋有更严重的锈蚀情况。
钢筋锈蚀的研究是钢筋混凝土构件耐久性研究的一个很重要内容，国内外学者进行了大量的试验研究、工程调查和理论分析。目前为止，还没有既有充分理论根据，又全面考虑了各种影响因素的实用数学模型，因此将预测混凝土中钢筋锈蚀尚有不少工作要做。
1.6.1 钢筋锈蚀机理
混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。二氧化碳和氯离子对混凝土本身都没有严重的破坏作用，但是，这两种环境物质都是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又最常遇到的环境介质。因此，混凝土中钢筋锈蚀机理主要有两种：即混凝土碳化和氯离子侵入。
钢筋在混凝土结构中的腐蚀是在有水分子参与的条件下发生的，钢筋锈蚀的电极反应式为：
阳极： Fe®Fe2++2e (1-12)
阴极： O2+2H2O+4e®4OH- (1-13)
阳极表面二次化学过程：
Fe2++2OH-®Fe(OH)2 (1-14)
4Fe(OH)2+O2+2H2O®4Fe(OH)3 (1-15)
在氧气和水汽的共同作用下，由上述电化学反应是的钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成红铁锈，引起混凝土开裂。钢筋锈蚀的机理如图1-2所示，图中现实了大气环境中钢筋在混凝土中锈蚀的宏观过程。
1.6.2 钢筋腐蚀过程
混凝土中钢筋锈蚀过程可分为以下几个阶段：
1. 腐蚀孕育期
从浇注混凝土蚀到混凝土碳化层深达到钢筋，或氯离子侵入混凝土已使钢筋去钝化，即钢筋开始锈蚀为止。这段时间以t0表示。
2. 腐蚀发展期
从钢筋开始腐蚀发展到混凝土保护层表面因钢筋锈胀而现实破坏现象（如顺筋胀裂，层裂或剥落等）。这段时间以t1表示。
3. 腐蚀破坏期
从混凝土表面因钢筋锈蚀肿胀开始破坏发展到混凝土现实严重胀裂、剥落破坏，即已达到不可容忍的程度，必须全面大修时为止。这段时间以t2表示。
4. 腐蚀危害期
钢筋锈蚀已经扩大到使混凝土结构区域性破坏，致使结构不能安全使用。这段时间以t3表示。
一般地，t0> t1>t2> t3。
1.6.3 影响钢筋锈蚀的因素
在通常情况下，钢筋表面的混凝土层对钢筋有物理和机械保护作用。同时，混凝土为钢筋提供的是一个高碱度的环境(PH>12.5)，能使钢筋表面形成一层致密的钝化膜，从而长期不锈蚀。当碱性降低时，钝化膜逐渐被破坏，钢筋逐渐开始锈蚀，当PH低于12时，锈蚀速度明显增大。
混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素影响，包括：钢筋位置，钢筋直径，水泥品种，混凝土密实度、保护层厚度及完好性，外部环境等。根据文献，简述如下：
1.混凝土液相PH值
钢筋锈蚀速度与混凝土液相PH值有密切关系。当PH值大于10时，钢筋锈蚀速度很小；而当PH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。
2.混凝土中Cl-含量
混凝土中Cl-含量对钢筋锈蚀的影响极大。一般情况下，钢筋混凝土结构中的氯盐掺量应少于水泥重量的1％（按无水状态计算），而且掺氯盐的混凝土结构必须振捣密实，也不易采用蒸汽养护。
3.混凝土密实度和保护层厚度
混凝土对钢筋的保护作用包括两个主要方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的阻止。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度。
4.混凝土保护层的完好性
混凝土保护层的完好性指混凝土是否开裂，有无蜂窝孔洞等。它对钢筋锈蚀有明显的影响，特别是对处于潮湿环境或腐蚀介质中的混凝土结构影响更大。许多调查表明，在潮湿环境中使用的钢筋混凝土结构，横向裂缝宽度达0.2mm时即可引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀物体积的膨胀加大保护层纵向裂缝宽度，如此恶性循环的结果必将导致混凝土保护层的彻底剥落和钢筋混凝土结构的最终破坏。
5.水泥品种和掺合料
粉煤灰等矿物掺合料能降低混凝土的碱性，从而影响钢筋的耐久性。国内外许多研究表明，在掺用优质粉煤灰等掺合料时，在降低混凝土碱性的同时，能提高混凝土的密实度，改变混凝土内部孔结构，从而能阻止外界腐蚀介质和氧气与水分的渗入，这无疑对防止钢筋锈蚀是十分有利的。今年来，我国的研究工作还表明，掺入粉煤灰可以增强混凝土抵抗杂散电流对钢筋的腐蚀作用。因此，综合考虑上述效应，可以认为在混凝土结构中掺用符合标准的粉煤灰不会影响混凝土结构耐久性，有时反而会提高。
6.环境条件
环境条件是引起钢筋锈蚀的外在因素，如温度、湿度及干燥交替作用，海水飞溅、海盐渗透等都对混凝土结构中的钢筋锈蚀有明显影响。特别是混凝土自身保护能力不合要求或混凝土保护层有裂缝等缺陷时，外界因素的影响会更突出。许多实际调查结果表明，混凝土结构在干燥无腐蚀介质条件下，其使用寿命要比在潮湿及腐蚀介质中使用要长2－3倍。
7.其它因素
除了以上因素外，钢筋应力状态对其锈蚀也有很大影响。这种应力腐蚀比一般腐蚀更危险，应力腐蚀不同于钢筋的蚀坑及均匀锈蚀，而是以裂缝的形式出现，并不断发展直到破坏，这种破坏又常常是毫无预兆的突然脆断。一般来讲，钢筋的应力腐蚀分为两个阶段，即局部电化学腐蚀阶段及裂缝发展阶段。对此必须充分估计，以免钢筋发生事故性断裂。
1.7 混凝土构件的耐久性
混凝土构件耐久性研究是混凝土结构耐久性研究的基础和前提。
大气氯盐侵蚀环境对混凝土构件耐久性的危害主要表现在二氧化碳或氯离子侵入混凝土内后，破坏钢筋的钝化膜、诱发钢筋锈蚀，进而引起的锈胀开裂和顺筋裂缝与混凝土基本构件的结构性能和力学性能的退化。近年来，国内外学者已经在这方面做了大量的试验分析研究工作，包括钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂过程的研究，钢筋锈后与混凝土之间粘结能力衰退的研究和混凝土构件性能退化的研究等，取得了许多有意义的研究成果。
除在材料层面研究混凝土内的钢筋锈蚀速率以外，以基本构件为研究对象，研究顺筋锈胀开裂后钢筋的锈蚀速率以及锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀速率关系将对判断耐久性失效极限状态是至关重要。考虑气候因素与侵蚀环境、力学环境交互作用对混凝土和基本构件性能影响已开始受到重视。但是，较全面的将人工气候模拟环境、侵蚀环境与力学环境的影响结合在一起，来研究混凝土碳化、氯离子侵蚀，特别是混凝土结构内钢筋锈蚀速率问题尚待深入和加强。除了上述的相互作用以外，结构截面内配筋特征也是同样重要的问题，但是已有的研究还尚未深入分析箍筋锈蚀后对主筋锈蚀速率的影响。
钢筋锈蚀导致钢筋/混凝土界面性能退化是构成基本构件性能退化规律的基础。目前的相关研究成果主要为静载下钢筋与混凝土之间的黏结退化机理，而对于动载、反复荷载和冲击荷载等情况下的黏结退化机理研究不多。同时，已有研究的加速钢筋锈蚀手段仍以直流电通电锈蚀为主，而与自然环境下的钢筋锈蚀的电化学机理不同；采用与自然环境相似的人工模拟环境，可以取得更符合实际情况的研究结果。
除了考虑上述提及的多因素交互作用和结构截面配筋特征以外，钢筋的锈胀过程和顺筋开裂后的钢筋锈蚀速率对预计锈胀开裂后结构的剩余使用寿命确定具有重要意义。实际工程的混凝土构件中，钢筋表面的锈蚀程度是不均匀的，顺筋锈胀开裂后仍保持较低的锈蚀程度。已开展的相关研究基本上以钢筋周面均匀锈蚀为基本假定，尚未考虑锈蚀初期铁锈渗入钢筋与混凝土的界面内并未产生锈胀作用以及钢筋周面锈蚀不均匀的影响。有关混凝土构件“钢筋锈蚀－混凝土开裂－钢筋锈蚀加剧－混凝土裂宽增大－构件耐久性下降”的纵向锈胀裂缝扩展全过程的研究还尚未见有报道，纵向锈胀裂缝对混凝土构件耐久性损伤的影响机理也尚待深入。同时，混凝土结构构件的横向裂缝对混凝土内部钢筋锈蚀速度和对混凝土结构的耐久性的影响，以及横向受力裂缝与钢筋锈蚀引起的纵向裂缝一起作用对混凝土结构耐久性的影响机理问题，目前学术界尚存在较大的争议，有待于进一步深入的研究。
研究钢筋锈蚀率、顺筋锈胀裂缝宽度等参数与基本构件承载能力和延性关系，分析混凝土构件性能演变规律，可为混凝土结构层面的耐久性评价奠定理论基础。目前的研究成果多集中于梁式构件的受弯破坏，对于其它混凝土构件和其他破坏形式的研究还不多。
根据现有构件层次的研究，尚不能建立混凝土构件性能退化速率的模型，而以钢筋混凝土基本性能退化速率模型为基础，建立与时间相关的基本构件的结构性能退化模型，这是耐久性研究由构件层次到结构层次递进的关键所在，也是国内外混凝土结构耐久性研究领域的热点问题。
1.8 混凝土结构耐久性设计
1.8.1 现状
在混凝土结构耐久性研究的过程中，混凝土结构耐久性设计的思想也不断地被尝试引入结构设计和工程实践中。1990年日本发布了《混凝土结构耐久性设计建议》，1989年欧洲出版了《CEB耐久混凝土结构设计指南》，RILEM于1990年出版的《混凝土结构的耐久性设计》，欧盟在2000年出版了《混凝土结构耐久性设计指南》。在总结国内外研究成果的基础上，2000年颁布了交通部行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)，2004年中国土木工程学会编制了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004），交通部行业标准《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》也即将发布，中国工程标准化协会组织的《混凝土结构耐久性评定标准》已编制完成，它们的问世对改善我国混凝土结构耐久性状况将起到非常好的作用，也为混凝土结构的耐久性设计和延长工作寿命明确了方向。然而，这些规定仍然局限于环境分类和材料方面的要求，在结构材料和结构构造方面间接地反映了结构设计中对耐久性和使用年限的要求，无法实现对混凝土结构耐久性的设计目标的量化规定。对于某些重要基础工程，欲确保100年（或120年）的使用年限，尚缺乏普遍认可的基于可靠度分析并以混凝土耐久性作为设计指标的设计理论。
根据上述文献，目前混凝土结构耐久性设计方法基本可分成两大类。第一类首先源于欧洲CEB混凝土结构耐久性设计规范，如国内的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）、《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）等。这类方法首先按业主的意愿和经济实力确定结构的设计使用年限；再按结构的工作环境确定腐蚀等级；再建立在设计使用年限内结构抵抗环境作用能力大于环境对结构作用效应的耐久性极限方程（如日本土木工程学会提出的指数评分法、ISO因子法、验算法等）；最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。耐久性设计的极限状态主要按适用性的要求确定，常以有害介质侵蚀到钢筋表面或混凝土保护层胀裂作为为耐久性极限状态。这些方法主要控制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度，具体为强度等级、水胶比、胶凝材用量、原材料选择、矿物掺和料、外加剂等。同时，要求在实验室条件下按照标准试验方法确定的耐久性指标，如抗冻等级，扩散系数等。这类方法解决了耐久性构造要求和施工技术要求，细化了环境类别及其作用等级，提出了不同使用年限的不同要求。
然而，这类方法体现的主要是材料层面的研究成果，显然不能直接参与结构使用寿命的预测计算模型；且基于这种观念的计算方法与现行规范采用的以近似概率为基础的设计方法不一致，不易为广大设计人员所接受。
第二类方法主要通过理论或经验的计算模型进行使用寿命预测，认为混凝土结构耐久性设计应包括计算和验算部分，以及构造要求部分。基于这种观念，有学者提出以下的设计理念：

其中，S为内力设计值，R为结构构件抗力设计值，η为耐久性设计系数，它是结构可靠指标的函数h=|[β(t)]。这种设计方法形式简单，耐久性含义明确，且与现行规范采用的极限状态设计方法相一致，与现行设计规范兼容，能够为技术人员所接受与掌握。但耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要对实际结构抗力衰减规律进行实测统计，才能进一步找出抗力随机衰减过程分析模型。由于每个地区抗力衰减规律难以统计，并且即使是同一地区，由于使用环境不同，其抗力衰减规律也有所不同。因此，耐久性设计系数的计算不易实现。
1.8.2 现行规范的规定
我国在2002年出版的《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）也涉及了耐久性方面的规定。
《规范》认为混凝土结构的耐久性应根据表1.1的环境类别和设计使用年限进行设计。
表1.1 混凝土结构的环境类别
环境类别 条件
一 室内正常环境
二
a 室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
b 严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀的水或土壤直接接触的环境
三 使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境
四 海水环境
五 受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境
注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规范》JGJ24的规定。
一类、二类和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表1.2的规定。
表1.2 结构混凝土耐久性的基本要求
环境类别 最大水灰比 最小水泥用量（kg/m3） 最低混凝土强度等级 最大氯离子含量（％） 最大碱含量（kg/m3）
一 0.65 225 C20 1.0 不限制
二
a 0.60 250 C25 0.3 3.0
b 0.55 275 C30 0.2 3.0
三 0.50 300 C30 0.1 3.0
注：1 氯例子含量系指其占水泥用量的百分率；
2 预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06％，最小水泥用量为300kg/m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级；
3 素混凝土构件的最小水泥用量应不小于表中数值减25 kg/m3；
4 当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量；
5 当有可靠工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等级；
6 当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。
对于一类环境中，设计使用年限为100年的结构混凝土应符合下列规定：
1 钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30；预应力混凝土结构的最低混凝土强度等级为C40；
2 混凝土中的最大氯离子含量为0.06％；
3 宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3.0 kg/m3；
4 混凝土保护层厚度应按《规范》表1.2.1的规定增加40％；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少；
5 在使用过程中，应定期维护。
对于二类和三类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门有效措施。三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树脂涂层带肋钢筋；对预应力钢筋、锚具及连接器，应采取专门防护措施。四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性要求。
严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求。



早龄期混凝土性能研究
混凝土早期经历从水泥水化到强度形成、早期收缩与徐变变形等的一系列物理、化学反应过程，其性能随着时间的推移而发展与变化，具有强烈的时变效应与时变规律。混凝土的早龄期性能对施工进程起重要的决定作用。其凝结时间决定着混凝土结构的浇筑程序，早龄期强度的发展决定着拆模时间与施工荷载的安放及上层结构的浇筑时间，而早龄期收缩与温度应力决定着混凝土结构的开裂性能，早期收缩与徐变决定着钢筋混凝土构件的内力重分布与结构高度误差修正。可以说，混凝土的早龄期性能是施工期最重要的性能，它不仅直接控制着施工进度与施工安全，也影响着混凝土的性能、效能，乃至整个服役寿命。混凝土结构从开始施工建造到投入使用，再到使用若干年后进入老化维修阶段的整个生命周期过程中，施工阶段因混凝土的早龄期性能的不确定性，结构的不完整性、所受荷载的复杂性，以及结构抗力的不成熟性，结构的平均风险最高，失效概率最大，所以早期性能的研究是控制整个混凝土工程质量的至关重要。
基于以上原因，我们进行了以下方面的研究：
1、混凝土水化进进程与动力学模型
1.1水泥水化反应模型
化学反应动力学是以动态的观点研究化学反应，分析化学反应过程重的内因（反应物的状态、结构）和外因（催化剂）对于反应速率和反应方向的影响，从而揭示化学反应的宏观和微观机理。
我们进行了水泥水化过程的研究，为了能够简化水化过程，并进行模拟进行了如下的假设：（1）水泥浆体由水泥球状颗粒及包围在颗粒周围的水组成；（2）本研究中不考虑水泥颗粒的凝絮效应，在未开始水化时水泥颗粒彼此并不接触；（3）水泥球状颗粒与其周围的水组成一个边长为的正方体，并认为水泥颗粒的水化反应完全在此正方体内部进行。因此正方体内水泥球状颗粒的水化过程将反应水泥的宏观水化性质，所以称其为水泥水化反应的“水化单元”，在水泥颗粒水化几何模型基础上，采用增量法分析水泥颗粒的水化进程。
1.2 水泥水化反应动力学的微观方程式
本研究提出水泥水化反应的微观方程式，即水化过程中水泥颗粒内半径变化量的增量表达式为：
（1）

（2）
式中：
－水化过程第i步时结晶成核反应水泥颗粒内半径变化量，单位 ；
－水化过程第i步时相边界反应水泥颗粒内半径变化量，单位 ；
－水化过程第i步时扩散反应水泥颗粒内半径变化量，单位 ；
－结晶成核速率常数；
－相边界反应速率常数；
－扩散反应速率常数；
—水化过程第i步时未水化水泥颗粒半径，即内半径，单位 ；
—未开始水化时水化水泥颗粒初始半径，单位 ；
－时间增量；
－水化过程第i步时内部水化产物厚度，即 ，单位 ；
－反应速率控制常数。当 时， ；当 时， 。
1.3 水化反应速率与水泥颗粒粒径分布函数
本研究忽略水泥熟料各种化学组分，如硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）以及铁铝酸四钙（C4AF）参与三种水化反应过程的不同反应速度，将水泥作为系统整体考虑，
为了便于建立水泥颗粒粒径分布函数，对水泥水化过程引入两个基本假设：
（1）将每一时刻水泥水化系统看作一个整体，此时水化过程仅由三个反应（结晶与成核、相边界反应与扩散反应）其中之一来控制。
（2）每一时刻水泥各组分水化放热反应程度相同，水泥水化放热反应速率常数以及 值与水泥组分有关。
1.4水泥水化反应动力学模型
符芳等提出，直径大于80 的水泥颗粒几乎接近惰性，仅起填充作用。因此本研究中分析水泥颗粒粒径分布对水泥水化进程的影响时，仅考虑直径为的水泥颗粒。则水泥水化程度 的表达式为：

式中：
－水化反应第i步时水泥水化程度；
－初始半径为 的水泥颗粒水化反应第i步时水化程度；
－初始直径为 的水泥颗粒的质量分布函数，单位g；
－水泥密度，单位 ；
－水泥颗粒初始半径，单位 。
结合水泥颗粒水化微观几何模型、水泥水化反应动力学微观方程式及水泥颗粒粒径分布函数，并根据SCHUTTER与Breugel试验数据，由水泥水化反应动力学模型计算得到每克水泥的水化放热量与时间关系。
2、测试早龄性能新方法
2.1 利用嵌入式压电陶瓷传感器监测水泥的水化
超声波技术应用于新拌和硬化水泥基复合材料的无损监测是非常有效的。在本研究中，将压电陶瓷传感器应用于超声波技术中，进一步发展了水泥浆水化的监测技术。该方法在浇注试样之前，事先把传感器放置于模具中。在试样浇注完成之后，传感器被用来发射和接受超声波。测量波速和幅值。通过测量波速，可以解释水泥浆的水化过程。分析传感器和水泥浆之间的相互影响。另外，利用波速可以计算动态弹性模量。由于嵌入式传感器与水泥浆耦合良好，得到的数据是比较可靠的。这种技术可以应用于原位测试技术中，以监测早期的水化过程，也可以用于混凝土结构的健康监测中。
2.2 混凝土的凝结时间测试新方法
通过测试混凝土的电阻率，研究了具有不同配合比的新拌混凝土水化过程。在电阻率发展曲线上得到了最小点（ ）和转折点（ ）。点 对应的时间代表曲线下降到了最小点，由于水化反应开始进行，接下来曲线会上升。点 对应的时间标志着水化过程开始从凝结阶段过渡到硬化阶段。为了评估在凝结过程中 和的重要性，将他们与用传统贯入法测得的初凝时间和终凝时间进行了比较，提出了混凝土凝结时间与电阻率发展曲线的关键点之间的定量关系，并以此作为一种替代方法，这些方程可以用来估计混凝土的凝结时间。
3、受约束早龄期混凝土收缩开裂理论预测试验研究
为了揭示受约束混凝土内部的应力发展，更好地预测混凝土的开裂时间，研究了掺矿物掺合料和纤维的高性能混凝土早龄期力学性能与自由收缩，并考虑徐变、约束度等因素对混凝土环开裂的影响，在弹性理论基础上，推导受约束混凝土环应力增量表达式，结合应力破坏准则预测受约束混凝土开裂时间。结果表明受约束混凝土环理论预测结果与试验结果吻合良好。经过试验与理论分析研究得到以下几方面的成果：
4 早龄期混凝土开裂预测新方法研究
通过混凝土收缩、徐变以及断裂模型的分析，对早龄期混凝土进行了开裂预测新方法研究，即在断裂试验的基础上，提出了混凝土起裂韧度以及其所对应的裂缝尖端张开位移的计算方法，取得了混凝土弹性模量、起裂韧度及其对应的混凝土裂缝尖端张开位移的时域函数，并按照混凝土强度等级对混凝土收缩模型、徐变模型进行了修正，得到了混凝土的收缩时域函数、徐变时域函数。采用起裂韧度代替失稳断裂韧度，从应变的角度对混凝土进行开裂预测，预测结果与试验结果吻合较好，为早龄期混凝土开裂预测提供新的理论依据与测试方法。
5、混凝土生长全过程特征拉应变试验研究
为了更好地预测混凝土抗开裂性能，研究了混凝土特征拉应变随时间的变化规律。通过弯拉试验方法，测定混凝土1d至180d各龄期的初裂拉应变和极限拉应变，分析初裂拉应变与弯拉强度及静力受压弹性模量比值的关系，建立了极限拉应变随龄期发展的关系式，提出了最终极限拉应变与特征龄期的概念。试验结果表明，混凝土的初裂拉应变与混凝土弯拉强度和静力受压弹性模量的比值具有良好的线性关系，混凝土极限拉应变随时间成负指数增长。研究主要成果有：
6、早龄期混凝土的损伤、断裂力学性能分析与数值模拟
6.1 早龄期混凝土三点弯曲断裂试验研究与数值模拟
主要以早龄期混凝土基本力学性能试验及断裂性能试验为基础，并借助于大型通用有限元软件ABAQUS，对早龄期混凝土的损伤、断裂力学性能进行了有限元数值分析，得到了早龄混凝土断裂全过程的描述与进程。
6.2 早龄期混凝土软化关系的数值分析
以早龄期混凝土基本力学性能试验及断裂性能试验为基础，借助有限元软件ABAQUS对早龄期混凝土I型开裂进行了数值模拟。通过对混凝土三点弯梁断裂过程数值模拟结果与试验结果的分析，总结了双线性软化曲线模型与非线性软化曲线模型的优缺点，并在此基础上提出一种新的软化曲线模型——混合型软化曲线模型。数值计算结果与试验结果表明混合型软化曲线模型可以准确地描述混凝土的开裂软化行为和分析混凝土的断裂性能。
6.3 等效龄期方法引入到混凝土早龄期温度裂缝控制中，并进行了数值模拟
引入等效龄期方法对传统的早龄期混凝土温度应力用有限元计算方法进行了改进，并对早龄期混凝土的温度应力和开裂风险进行了分析评估.试验与分析结果表明：基于Arrhenius方程的等效龄期方法可以很好地预测混凝土基本力学性能（抗压强度、抗拉强度）在参考温度下随龄期的发展；而等效龄期方法不仅可以得到温度和龄期对混凝土力学性能发展的影响规律，还可以结合有限元软件ANSYS，把该法应用于混凝土早龄期温度裂缝控制中，是对早龄期混凝土温度裂缝控制方法的新的尝试。
6．4 混凝土结构各点的开裂风险分析
在混凝土温度应力的有限元分析中，可由节点的温度增量，作为温度荷载进行加载，按增量法求得各节点的最大温度应力，即

式中: 为节点在 时刻的温度应力， 为由等效龄期计算的节点在 时刻的弹性模量， 为第 时段内的节点的温度增量，为应力松弛系数．根据相关文献，采用指数函数式表示：

式中： 为加载龄期； 、 、 、 均为材料参数，可通过试验或按相关文献取值.
混凝土在某时刻的开裂风险，定义为该时刻混凝土的最大温度应力与其抗拉强度的比值，即
.
式中： 为节点的开裂风险， 为节点的最大温度应力值， 为由各节点等效龄期计算的抗拉强度值.而各节点的等效龄期由其温度—时间历程获得.
7、基于人工神经网络的混凝土孔结构与强度关系研究
基于人工神经网络理论分别从两方面建立了混凝土孔结构与强度关系模型，并采用Matlab7.0编制了相关程序提出了BP神经网络应用于分析混凝土孔结构与强度关系的可行性，验证了其准确性与有效性.从细观出发，建立由平均分布孔径和四个不同孔级的分孔隙率预测混凝土28天抗压强度值BP网络模型；从宏观出发，建立了由28天抗压强度、水灰比和水泥含量预测总孔隙率的BP网络模型.结果表明，强度预测BP网络模型不仅预测精度高于传统的回归分析方法，而且更具普遍意义；孔隙率预测BP网络模型预测精度已达到较高水平，为实际工程应用提供了可靠的参考依据.
8、现场试验与分析
7.1 实际混凝土结构工程温度场测定
在本年度由于有了现场试验的机会，故提前进行了部分现场试验，主要是温度应力与控制方面研究。为了得到混凝土的实际温度场，在实验室进行各种力学性能试验的基础上首先研究温度场、温度应力对早龄期实际结构产生的影响。现场试验选择在金丽温高速公路（丽青段）俞庄大型隧道中。在施工现场中隔墙混凝土内部预埋热传感器，定时采集中隔墙内部各个位置的温度变化。采用了48通道巡检式温度测试仪、三线制热传感器及一台计算机，构建了一个完整的温度测试采集系统。数据采集时间从试验段中隔墙混凝土浇筑完毕开始，每3秒钟采集数据一次，历时共40d，试验中共采集了约100万个温度数据，得到了现场中隔墙大体积混凝土温度场的第一手宝贵资料。

钢混组合结构研究
钢管混凝土是在钢管中充填混凝土形成的构件，通过利用钢管和混凝土在受力中的相互作用，不仅弥补两种材料各自的缺点，而且能充分发挥二者的优点，从而具有承载力高、塑性和韧性好等诸多优点，在工程实践中已经得到越来越广泛的应用。建设部于1995年将钢管混凝土结构技术列如科技成果重点推广项目。由于钢管混凝土的优越性能，已被越来越多的应用在送电杆塔，变电所构架等电力系统结构。能源部电力规划设计管理局于1992年颁布了《火力发电厂主厂房钢、混凝土组合结构设计暂行规定》(DLGJ99-91)，辽宁省电力设计院于1992年制定了《送电线路空心钢管混凝土设计技术规定》(LDGJ-11-92)。
自1879年英国的Severn铁路采用圆钢管混凝土桥墩，到1897年美国John Lally发明在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱并获得专利算起，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年的历史。钢管混凝土优越的力学性能，一开始就受到欧美各国土木工程界的重视，竞相开发利用。20世纪20年代前后，美国土木工程师将其应用与单层和多层建筑的承重柱。苏联开始了钢管混凝土基本力学性能的试验研究，Gvozdez教授深刻的阐明了钢管套箍混凝土的工作机理，并成功地用极限平衡法推导出钢管混凝土轴压短柱极限承载能力的理论计算公式，为现在钢管混凝土结构的设计计算理论奠定了坚实的基础。20世纪60年代以后，钢管混凝土结构技术在苏联，西欧，北美和日本等工业发达国家受到重视，开展了大量的试验研究工作，取得了很多成果。1969年英国等研究了钢管内混凝土三向收压时强度的提高，及考虑钢管对混凝土的约束效应时钢管混凝土柱承载力的计算方法。20世纪60年代和70年代中，RechardW Furlong, Knowles and Park等人从事钢管混凝土组合柱的大量研究和试验工作，取得了很多成果并应用在工程中。日本的 Tomii andSakino也在这个时期对钢管混凝土进行了系统和较为深入的研究，并首先在地铁站台柱以及输电塔等工程中应用。
我国在20世纪60年代开始引入钢管混凝土技术，1959年原中国科学院土木建筑研究所最先开展了钢管混凝土基本性能的研究；之后，建材工业部建筑材料科学研究院，北京地下铁道工程局，哈尔滨建筑大学，清华大学，冶金建筑科学研究院，电力部电力研究所和中国建筑科学研究院，重庆建筑大学等单位，相继对钢管混凝土的基本性能，设计方法，节点构造和施工技术等方面，进行了比较系统的研究。我国关于钢管混凝土结构的研究正日趋深入，特别是近二十年来取得了令人瞩目的成就，构件性能和理论研究已达到国际先进水平，其中蔡绍怀教授，钟善桐教授和韩林海教授在钢管混凝土柱构件的受力性能和承载力方面做了大量的工作。金伟良教授在薄壁离心钢管混凝土方面做了卓有成效的工作，包括：
一、离心钢管混凝土的扭转试验研究
对不同长细比、不同含钢率（钢管壁厚与混凝土壁厚变化）的构件进行抗扭作用的全过程加载；通过对试验现象的观察和对数据的分析，分析试件受力变形性能，包括裂缝开展情况、钢管与混凝土的粘结情况、试件的破坏或失稳特征、扭角及相对转角情况等，得到试件三阶段变化特征；同时，在数据基础上，回归其剪切变形特征值，以及相应的承载力。
图 2 离心钢管混凝土数值模型
三、薄壁钢管混凝土的试验研究
薄壁钢管对局部缺陷很敏感，且受焊接残余应力的影响较大，在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，可延缓其受压时的纵向开裂。而混凝土却可以延缓或避免薄壁钢管过早的发生局部屈曲。两种材料互相弥补了彼此的弱点，却可以充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有较高的承载力。作为一种比较合理的结构形式，采用钢管混凝土可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力，使他们的优点得到更为充分和合理的发挥。随着高强度钢材的推广使用，钢管的壁厚可以减少，而局部屈曲使得钢材的强度不能很好的被利用，因此，采用钢管混凝土将是高强度钢材应用的一个有效途径。在薄壁构件中，对于宽厚比较大的构件往往通过增加加劲肋来提高构件的局部屈曲荷载，我们将带加劲肋的薄壁截面用于钢管混凝土中，进行了相应的试验研究。
图3 自密实薄壁钢管混凝土轴压试验
钢筋混凝土结构的抗爆性能研究
随着近年来一系列国内外突发事件的发生，重要经济军事设施和普通民用建筑结构的抗爆设防给工程界和学术界提出了迫切的要求和挑战。浙江大学结构工程研究所自2000年开始采用物模试验和数值模拟相结合的方法，从事钢筋混凝土结构的抗爆性能和防护设计方面的研究工作，主要内容涉及：（1）自由空气中爆炸荷载数值模拟的精确性；（2）炸药—空气—结构多介质流固耦合的相互作用模型；（3）高加载速率下钢筋和混凝土材料的动力本构损伤模型；（4）内爆或近爆作用下钢筋混凝土结构的损伤机理和抗爆性能；（5）钢筋混凝土结构的抗爆防护设计。目前在该领域已发表学术论文10余篇，其中被SCI检索3篇、EI检索9篇；研究成果主要应用于大型地下军火库、城市的人防工程、大跨桥梁、隧道、核电站压力壳、大型油库和化工厂房等的抗爆性能评估和防护设计。
一、自由空气中爆炸荷载的数值模拟
在结构物遭受爆炸作用的毁伤分析中，关键是如何确定爆炸荷载作用的方式和大小。大多数目前的研究主要根据经验公式来确定爆炸荷载，并且简化为双直线的形式直接施加到结构上，与实际的爆炸荷载时程曲线差异较大，回避了气体和结构间的流固耦合相互作用，对于近爆或内部爆炸作用将会对计算结果带来较大的差异。通常对于远离爆炸源且具有常规几何尺寸的结构物，爆炸荷载可以用经验公式进行合理的预测；但是，对于更多复杂的情况，需要采用合适的计算方法进行直接的数值模拟分析以评估结构的抗爆性能。目前国际上比较有影响的爆炸分析软件主要有LS-DYNA和AUTO-DYN，这两个软件都是基于ALE方法。LS-DYNA模拟的爆炸荷载精度较低，与实际结果存在较大的偏差；AUTO-DYN是专门用来爆炸数值模拟分析的软件，爆炸荷载模拟的精确度比LS-DYNA有所提高，但与实际测量值比还是偏小。
应用AUTO-DYN软件建立数值模型如图1所示，为1/8对称模型。在进行网格划分时，距离方形炸药边界1m范围内空气网格划分的较密，尺寸为0.02 m；1 m至3 m范围内的网格划分相对较粗，尺寸为0.05m，共计有778,680个单元，所有单元都是六面体。在交叉于爆炸点处的xy、xz、yz面分别施加合适的边界条件，限制对称面上的物质流动，其他边界面设为非反射边界，定义为空气流出。沿X轴布置30个测点，第一个测点距爆心为0.1 m，测点间距离均为0.1m。空气介质中固定位置测点处的超压时程曲线将被记录下来，从而可根据超压时程曲线来评价冲击波的峰值超压、超压持续时间和冲量。图2为1kgTNT炸药爆炸产生的冲击波压力分布，图中清楚地显示了爆炸冲击波波阵面和传播方向。

通过对不同的空气单元网格尺寸和炸药量、状态方程、求解算法（Euler-G和Euler-FCT）的数值模拟分析，计算得到的爆炸荷载峰值超压、持续时间和冲量与经验公式和TM5-1300值（美国军方在自由空气中爆炸试验测量数据）进行了比较分析，如图3所示。提出了根据不同的比例距离Z增加炸药量的方法来改进自由空气中爆炸荷载数值模拟的精确性。对于LS-DYNA 软件，提出的炸药量增加系数对于AUTO-DYN软件，炸药量增加系数为：

二、炸药—空气—结构多介质流固耦合的相互作用
当在封闭空间内发生爆炸时，由于爆炸冲击波在结构内部不断的来回反射和气体压力在高温高压环境下的累积，作用在周围结构上的爆炸荷载变得非常复杂，因此空气冲击波和结构间的耦合作用是合理预测结构在内部爆炸荷载作用下动力响应的关键。分别考虑了三种不同的耦合方式，并对模拟结果进行了比较分析。（1）模型A只包含空气介质和炸药，在1m3的立方体空间内，1kgTNT炸药位于正中心，所有六个边界面都采用固定的边界条件，没有涉及到空气和结构间的耦合作用，相应的爆炸荷载时程曲线如图4所示，包含了峰值连续衰减的冲击波荷载和持续增强的气体压力荷载。（2）模型B在模型A的基础上，将用完全封闭的钢箱包围空气介质，考虑空气和钢箱的相互耦合作用，将耦合参数设置为“penaltycoupling”，在图4中也给出了模拟得到的爆炸荷载时程曲线，与模型A的爆炸荷载时程曲线非常的相似，但也存在一些差异，主要由于空气和钢箱的相互作用产生更强的反射冲击波峰值荷载和气体压力荷载。（3）模型C与模型B相同，但是设置了缺省的“constrainedacceleration andvelocity”耦合参数，从模拟得到的爆炸荷载时程曲线可以发现，爆炸冲击波荷载的峰值衰减的非常迅速，也没有产生相应的气体压力荷载，主要原因是不合理的耦合参数导致箱型封闭空间内气体的泄漏。

三、高加载速率下钢筋和混凝土材料的动力本构模型
混凝土材料广泛应用于工业民用建筑结构和军事防护工程结构中，具有复杂的非线性力学特性。过去的研究大多数仅局限于准静态条件下，或是利用液压设备研究它们在低应变率下的动态力学性能，然而一些重要的钢筋混凝土结构在使用期间往往还需要承受各种变化急剧的强动力荷载，如爆炸和冲击荷载等，由于材料的应变率敏感效应和静水压力相关特性以及裂纹开展导致的受力性能变化，这些情况下混凝土材料的力学特性已很难用准静态荷载情况下的本构关系加以描述。在数值模拟中，混凝土材料的动力本构模型是准确预测结构物在爆炸荷载作用下动力响应的关键。因此研究混凝土材料在动力荷载作用下的力学性能具有十分重要的理论意义和实际用途。
国内外学者在大量试验研究和理论分析的基础上，提出了各种各样的混凝土材料本构模型来描述其在复杂受力状态下力学特性，主要可分类为：粘弹性模型如Maxwell模型，粘塑性模型如Malvern模型，滞后模型如Park模型，塑性损伤模型等。混凝土是一种率敏感性材料，在动力荷载如爆炸、冲击作用下其材料特性会发生很大的改变，抗拉和抗压强度会得到不同程度的增强，峰值应变基本保持不变。因此在数值分析时需要选择合适的混凝土材料动力本构模型和单元的侵蚀算法，合理定义材料的损伤变量，才能比较精确地模拟钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下的动力响应。Malvar结合DYNA3D软件开发了在爆炸荷载作用下混凝土材料的动力本构损伤模型，并考虑了应变率对混凝土材料强度的影响，已有的研究成果表明该模型是当前比较适合模拟多轴应力状态下混凝土材料的受力特性。
在经典材料的塑性理论，材料的屈服跟静水压力是不相关的，因此静水压力张量可以从应力张量分离出来，应力张量分解为静水压力张量和偏应力张量。静水压力张量改变材料的体积变形，偏应力张量将影响材料的剪切变形，应变率增强材料的强度。
状态方程
在静水压力作用下，内能的多线性近似适合如混凝土和岩石类等材料的紧缩模型，可以表示为
(1)
式中：E 是材料单位体积的内能， 是比热比，体积应变为相对体积的自然对数。模型如图5所示，包含了从张拉截矩到弹性极限点T的线弹性加载路径。如果拉应力超过张拉截矩，混凝土材料将发生张拉破坏。当体积应变大于T点，混凝土材料在静水压力作用下将开始紧缩，随着静水压力的进一步增大，体积应变开始快速增长，直至体积应变不能再继续增加，混凝土变成粒状材料。
卸载沿着卸载体积弹性模量到张拉截矩，重新加载总是沿着卸载路径加载到原先的卸载点，接着继续沿着图5所示的加载路径。卸载和加载体积模量由初始弹性加载模量和粒状材料的体积弹性模量之间的线性插值得到。

三个失效面
混凝土材料在拉力和剪力作用下通常发生脆性破坏，在较大的静水压力作用下将展现延性特性，而且材料性能和本构参数与应变率相关。经过与经典的屈服假设VonMises 和DruckerPrager的比较，混凝土材料在三向受力状态下可用三个不同的失效面来表示，以分析材料在不同静水压力作用下的偏应力张量。
(最大失效面) (2)
（残余失效面） (3)
（屈服失效面） (4)
三个失效面如图6所示，最上面曲线为最大失效面，最下面曲线为残余失效面，中间曲线为屈服失效面，总共需要8个参数来定义这三个失效面。
可定义为上述两个不同失效面的线性组合，当加载在初始屈服失效面和最大失效面之间时，可表示为
(5)
同样在最大失效面和残余失效面之间， 通过线性插值得到
(6)
式中： 。系数 是变量 的函数，当 时， ， 随着变量 的增大从0增加到1，接着随着 的继续增大， 又从1减小到0。是静水压力，应力受拉为正，静水压力P受压为正。 是偏应力张量的第二不变量， 、 和 分别为第一、二和三主偏应力。