混凝土梁残余寿命评估及裂缝防治技术研究.docx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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,
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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、
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
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