1.3　房屋建筑耐久性技术发展

1.3.1　房屋建筑材料耐久性技术现状及发展趋势

（1）房屋建筑材料耐久性技术发展现状　建筑材料技术发展是随着社会的发展、科学技术水平不断提高而不断丰富的，从其最基本的满足生活需要到当今的轻质高强、高耐久性、无毒环保、节能环保、抗震等诸多新的功能要求，使建筑材料从被动的以研究应用为主向开发新功能新用途材料方向转变。

① 高强混凝土　高强混凝土作为一种新型建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高，一般为普通强度混凝土的4～6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建筑。

② 高性能混凝土　1990年5月，美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）召开会议，首次提出了高性能混凝土（HPC）的概念，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键）、高体积稳定性（低干缩低徐变、低温度形变和高弹性模量）、适当的高抗压强度、良好的施工性（高流动性、高黏聚性、自密实性）。

③ 活性粉末混凝土　法国Bouygues公司最先在施工多个高性能混凝土结构的基础上，通过去除粗集料，采用低水胶比并掺入适量钢纤维，制备出了界面黏结强度和其他性能优异的活性粉末混凝土（RPC）。它是一种具有高强度、高耐久性及良好韧性的新型水泥基复合材料，具有广阔的研究与应用前景。

④ 大掺量矿物掺合料混凝土　混凝土中含有超过通常施工所用掺量的辅助胶凝材料即为大掺量矿物掺合料混凝土，并且总体性能仍然完全符合建筑施工的要求。其具有节约资源、环境友好的特性，也是绿色混凝土的发展方向之一。

⑤ 钢材　由于冶金技术的发展，钢材的强度较以前有很大的提高，经过热处理的高强低合金钢，其最低屈服强度为620～690MPa，而普通的碳素钢屈服强度为195～275MPa。我国是世界上的产钢大国，同时也是世界上消耗钢材最多的国家之一，许多特种钢材还依赖进口，生产高强度的钢材是提高我国钢结构水平的重要条件。

由于钢是易腐蚀的材料，美国及欧洲等发达国家采用合金技术创造的“耐候”钢，其耐大气腐蚀能力至少是碳素钢的4倍，刷涂层则抗腐蚀性更强，造价却比不锈钢低得多。这种钢材的颜色多为黑色或深棕色，在许多现代钢结构建筑中，这种“耐候”钢得到运用，而建筑师们也喜欢将它特殊的质感和颜色用于建筑的立面。近年来我国的一些钢铁企业也成功开发出了高性能的耐火钢和耐候钢，其高韧性不仅可提高其防灾安全，同时能延长使用寿命，非常适合条件苛刻的建筑结构，并在鸟巢等工程中应用。耐候钢板通过钢板中添加的合金来隔绝氧化层，从而提高耐候性，锈蚀过程将停滞在钢板表面部分。耐腐蚀性为一般钢材的4～6倍。比普通碳素钢的耐久性高4倍。耐候钢为热轧材料，最小屈服强度350MPa，具有良好的可焊性和可塑性，可与一般钢材或耐候钢焊接。

钢中加入磷、铜、铬、镍等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，大大提高了钢铁材料的耐大气腐蚀能力。

耐候钢可减薄使用、裸露使用或简化涂装，而使制品抗蚀延寿、省工降耗。耐候钢板的特点是钢板表面有一层自然锈蚀的锈红色，给建筑带来不同一般的外立面效果。而耐候钢具有抗腐蚀的保护作用，可以让场馆外立面无须涂保护漆。

⑥ 其他建材　虽然钢和混凝土目前依然是基本的建筑材料，然而新型建材发展迅猛。塑料作为当代建筑业应用最为广泛也是最重要的一种化学合成材料，其发展前景广阔。目前，塑料已被用作管材、零件、接头、防潮防水材料、保温隔热材料、门窗材料、卫生洁具等。塑料在许多地方可以取代钢、铜、木、铝合金和陶瓷等传统建筑材料，并可适应保温、隔热、隔声、耐高温、耐高压等新的需求，成为现代体育场馆及交通建筑大量运用的膜结构。如北京奥运会游泳馆水立方和上海世博会日本馆的外覆材料，就是塑料的一种。将化学合成材料用于抗力结构是一个崭新的领域，目前已用于造船业。在用于建筑结构之前需对其在极端温度下的力学性能和变形性能做深入研究。大量采用合成材料是有其科学依据的，因为其较钢材更为廉价，更有利于保护生态环境。

同时，天然材料也广泛应用于建筑工程中。例如石材、木材和竹子等。我国的一些年轻建筑师看到竹子的生长快、加工易，提出建造“竹化城市”的设想，一些建筑师看到黄土高原的土质好，曾经做过利用现代技术的“生态黄土民居”设计，虽然这些设想还远不能成为现实，却寄托着中国建筑师渴望采用天然建材改变居住环境的愿望。由于木和竹具有再生性，从某种角度来看是一种取之不尽、用之不竭的再生物质资源，而土和石，由于区域的不同，也可以说是取用不尽的材料。

（2）房屋建筑材料耐久性技术的发展趋势

① 向新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料方向发展

a.高端金属结构材料，是较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。

b.先进高分子材料。具有相对独特的物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。

c.新型无机非金属材料。在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。

d.高性能复合材料。由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。

② 纳米技术　在混凝土中加入少量的、至少在一个维度内为纳米尺度（＜100nm）的材料，就可能实现某种性能的提升，达到普通材料无法实现的效果。纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米碳管和纤维在改变混凝土性能方面受到越来越多的关注。涂料中二氧化钛纳米粒子可以捕获和分解有机和无机污染物，并使外露的混凝土表面实现自清洁。纳米技术和纳米材料可以使钢筋抗腐蚀能力增强，总之，纳米技术能够使混凝土结构的使用周期中实现包括物质和能量消耗的最小化，同时减少建筑物对环境的负面影响，最终实现建筑物使用中的舒适性和友好性。尽管纳米材料和纳米技术在混凝土结构中有很好的前景，但目前新型材料对混凝土长期性能了解较少。随着公众对建筑物各方面安全性越来越多的关注，需要建立更安全的生产工艺，并在混凝土结构中使用更环保的纳米材料。对纳米技术应用于建筑工业中是否能够在真正意义上实现持续发展，还要进行长期的实验研究。

随着纳米技术和纳米材料的进一步发展，国外和国内目前的主要目标仍然是开发纳米新型高强度钢材和高强混凝土，同时探索将纳米碳纤维及其他纤维材料与混凝土聚合物等复合制造轻质高强结构材料。

③ 顺应现代社会基础设施的建设日趋大型化、综合化趋势要求　例如超高层建筑，大型水利设施、海底隧道等大型工程，耗资巨大、建设周期长、维修困难，因此对其耐久性的要求越来越高。目前，主要的开发目标有高耐久性混凝土、钢骨混凝土、防锈钢筋、陶瓷质外壁胎面材料、合成树脂涂料、防虫蛀材料、耐低温材料，以及在地下、海洋、高温等苛刻环境下能长久保持性能的材料。

④ 适应特殊环境要求　如海洋建筑与陆地建筑的工作环境有很大差别，为了实现海洋空间的利用，建造海洋建筑，必须开发适合于海洋条件的建筑材料。海水中的盐分、氯离子、硫酸根等侵蚀作用，使材料很容易被腐蚀而破坏；海水波浪不断地往复作用，对建筑物构成冲击、磨耗和疲劳荷载作用；海洋建筑还要经常受到台风、海啸等严酷的气候条件的作用；建筑在海滩、近海等软弱地基上的建筑物，其沉降现象也很明显。在这些严酷苛刻的环境下工作的海洋建筑物所用的材料，要求具有很高的强度、耐冲击性、耐疲劳性、耐磨耗等力学性能，同时还要具有优良的耐腐蚀性能。为实现这些性能，要求开发以下新型材料，如涂膜金属板材、耐腐蚀金属、水泥基复合增强材料、地基强化材料等。

1.3.2　既有房屋建筑耐久性技术现状及发展趋势

（1）既有房屋耐久性技术现状　我国的既有工程中有许多是“文革”前修建的，当时由于处于短缺型计划经济年代，工程的等级和标准都很低，已不能适应当前特别是今后现代化社会的需要，应逐步拆除。但现有工程中也有相当一部分是近年来为现代化建设而修建的。严重的问题在于这些新建的工程在耐久性的设计标准上依然和过去的一样低下，有不少在耐久性上留下或多或少的隐患。如在沿海城市和盐碱地区修建的工程未能充分考虑地下水和土中盐类侵蚀和大气中的盐雾作用；北方的桥梁和车库没有考虑今后可能遭受除冰盐的侵蚀作用。即使在新建的大型和特大型工程中也存在类似的问题。如城市地铁主体结构的混凝土强度等级有的仅C20；南方跨海大桥在浪溅区的结构混凝土仍采用不耐氯盐侵蚀的C30级混凝土和仅为3～4cm的保护层厚度。结构设计中层出不穷的有关耐久性的缺陷，主要的根子在于设计规范的低标准及规范管理体制上的缺陷，以及人们对规范地位的错位认识，而施工质量管理松懈与环境条件的恶化（如我国酸雨面积已超过国土的30%）无疑将进一步带来严重后果。目前已发现的桥梁等基础设施工程在建成后数年或十来年即出现老化破损的现象不过是初露端倪。

已建房屋耐久性技术与使用阶段的检测、维护和修理不能分割，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用过程中，应该进行定期检测和维护。我国有结构工程的设计规范与施工规范，但没有如何使用的规范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故，就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆在连接处发生锈蚀，如果有定期的检测要求，这样的事故有可能避免。有些国家对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物如桥、隧道等公共工程，强制规定必须定期检测；即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件，因其坠落后容易伤及公众，也有强制定期检测的要求。我国由于施工管理水平较低和施工操作人员的素质相对较差，质量控制与质量保证制度不够健全，规范对结构安全与耐久性的设置水准又相对较低，已建的工程中往往存在较多隐患，所以更有必要从法制上确定土建工程的正常使用和定期检测的要求。对于土建结构工程的安全质量，虽然政府已作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定，但是这种要求执行起来缺乏可操作性。要将结构安全质量事故减少到最低程度，还应以预防为主，通过例行检测及时发现问题。

现在国内有大量土建工程因步入老化期需要诊治，也有大量已建的违章工程需要评估，更有许多工程发生病害需要诊断和加固，各地已涌现了不少从事土建工程诊断、治理与加固的队伍，并有蓬勃发展成为一种新兴行业的趋势。出现问题和病害以后再来治理固然重要，但是我们应该更强调预防。对于在役土建工程的检测和评估，要建立相应的法规和标准，要有从业人员的注册和从业机构的资质认证制度，在管理体制上予以规范。

从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看，需要有工程整个使用期限即全寿命费用支出的论证。只注意工程项目建设的一次投资支出，很少考虑工程建成后需要正常维护与修理的长期费用，不但可能损害工程使用寿命和正常使用功能，而且经济上算总账会很不合算。在发达国家，由于新建工程少，用于维修的费用往往更为主要，英国1978年的土建维修费上升到1965年的3.7倍，1980年的维修费占当年土建费用总支出的2/3。我国虽是发展中国家，现在正大兴土木，可是过去建成的大量工程已经或过早老化。国内40%公路桥梁的桥龄已大于25年，加上进入90年代以后交通量猛增，超载严重，以往的设计标准又低，路、桥的维修问题十分突出。由于养护维修费用得不到保证，造成工程安全隐患并在以后需要支出更多的大修费用。在土建工程的投资上，希望有关部门能加大投入已建工程维修的费用。

对建筑物进行评估和维修、加固和改造，是伴随着人类房屋建设而出现的。建筑结构检测鉴定行业从个别从业者率先进行鉴定加固和改造工作，到队伍越来越大，渐成规模；从无章可循，到各种标准对检测、鉴定、加固各个阶段越来越规范；从依赖专家经验的“传统经验法”，到专家经验与现场实测数据、复核鉴定相结合并原则性采用统计概率的“实用鉴定法”；从注重可靠性（安全性、正常使用性）鉴定，到可靠性、耐久性评价并重；加固技术从注重单个构件的加固，到注重结构整体加固效果。

作为鉴定加固的重要分支之一的建筑抗震加固也经历了三个阶段：

初级阶段（1976～1980年）：震后应急、临时、简单“捆绑式”加固技术。①震后应急修复和临时支护；②后加构造柱、圈梁；③后加圈梁和钢拉杆。

提高阶段（1980～1990年）：震前加固和震后补强，钢和混凝土的“硬”加固技术。①加大混凝土构件断面：梁、柱、夹板墙；②增设混凝土构件：剪力墙、构造柱、壁式框架；③增设钢构件——支撑。

综合阶段（1990年至今）：加固、改扩建及配套设施，新材料、新工艺、新设计，“软加固”技术。①粘钢、植筋；②碳、玻璃纤维布外贴；③钢绞线-聚合物砂浆面层；④体外预应力技术；⑤消能减震技术。

（2）既有房屋建筑耐久性技术发展趋势　智能化、机器人、遥感技术等电子技术的发展，使既有房屋建筑耐久性检测更加科学准确便捷，既有房屋建筑耐久性加固和修复材料及加工法更加趋向环保、安全、坚固、简便。

① 碳纤维结构修复技术　随着社会经济的发展，环境保护要求延长建筑物寿命，减少建筑废物；文化保护要求保护传承历史遗产，这些都为建筑物的结构修理和补强提出了要求，也为工程修复和补强行业提供了商机。混凝土结构修复、补强工作在这种形势下发展很快，新材料不断诞生，新施工方法不断出现。以碳纤维修复和补强建筑结构的施工方法正是适应这种要求开发的。我国是世界上人口大国，也是具有最为巨大的土木建筑市场的国家，碳纤维加固建筑结构工作将呈现不断增长的趋势。

② 纤维增强塑料加固技术　纤维增强塑料（FRP）近年来利用航天、航空工业取得的成就，使在民用建筑领域的开发和应用中受到了很大重视，人们对其进行了广泛的研究，取得了很大的进展。因其具有许多优点，为其作为混凝土结构加固和修补材料，得到了广泛应用，开辟了一条高效、方便、经济的加固修补混凝土结构的新途径。FRP具有强度高（2500～3550MPa）、性能好（抗蚀）、重量轻（密度1.8g/cm3）、厚度薄（每层厚0.1～0.21mm）的优点，基本不增加结构尺寸、结构自重以及不影响结构外观，在结构的修补和加固中得到越来越广泛的应用，尤其具有以下技术优势：高强高效，施工简捷，施工周期短，施工机具少，操作简单，具有极佳的耐腐蚀性和耐久性，适用面广，施工质量容易保证，对结构的影响小。

③ 钢丝（筋）网水泥砂浆加固技术　钢丝（筋）网水泥砂浆是以钢丝网或钢筋网和加筋为增强材料，水泥砂浆为基材组成的薄层结构，钢丝（筋）网也可以用其他合适的金属材料代替。与混凝土相比，钢丝（筋）网水泥砂浆的主要特点是配筋分散性好和集料颗粒粒径小，因此，具有更好的抗裂、抗渗和韧性。

④ 预应力加固技术　在桥梁和建筑物加固领域中，体外预应力加固法已愈来愈受到人们的关注，它克服了采用其他方法加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点，保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作。工程实践表明采用预应力法加固桥梁和建筑物不仅能提高其承载力，还可以减小挠度和裂缝宽度，提高结构的弹性恢复力，并且具有施工方便，不占用空间等特点。体外预应力技术无论在设计理论还是材料设备、施工工艺上都取得了一定的进展，应用范围从早期PC桥梁拓展到了建筑结构，从新建结构拓展到了结构的加固改造和临时性预应力结构或施工临时性钢索。除此之外，体外预应力的应用范围还不仅仅局限于混凝土结构。评价结构设计的基本原则之一就是看该结构形式是否能够充分发挥材料的力学特性，通过运用体外预应力索，任何具有合理压缩特性的材料都可以被连接起来，在适当的应用环境中是一种合理的结构形式。在工程实践中，体外预应力己从单纯地应用于混凝土结构拓展到了钢结构、木结构、砖石结构等，充分证明了其在结构体系方面的优势。

⑤ 消能加固技术　该方法是隔震技术在抗震加固领域中的应用，通过隔震层的设置将地震变形集中到隔震层上，以减小上部结构地震反应，从而保证建筑物内人员、设备的安全。目前已研究出的隔震方法有：橡胶垫隔震、滑移隔震、滚珠或滚轴隔震、摆动隔震、悬吊隔震、弹簧隔震等。目前较多的做法是将隔震层放在原结构基础上，即基础隔震。隔震加固法用于现有建筑抗震加固在美国、日本等国已有成功的工程实例，如美国对盐湖城大厦、洛杉矶政府大楼等几十栋建筑就是采用此法进行了加固。日本对一些办公楼、机场等大型公共建筑也是采用此方法进行了加固，效果十分明显。

⑥ “有机-无机复合”技术　将无机增强抗裂组分与有机减水保塑组分进行优化复合，得到高性能有机-无机复合抗裂材料，其中的无机增强抗裂材料可使混凝土在水化初期产生适量的微膨胀，补偿混凝土收缩，降低孔隙率，改善混凝土中孔结构分布，提高混凝土力学强度和阻裂抗渗能力；同时，有机减水保塑组分可提高混凝土工作性，严格控制坍落度损失，并长期阻孔，同时降低混凝土早期水化温升，有效防止早期温度收缩裂缝的出现。