混凝土耐久性.docx

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混凝土耐久性

混凝土结构耐久性

摘要：

基于对过镇海的钢筋混凝原理的第二十章——耐久性的研读，进行详细的学习，对近年来国内外学者在耐久性的研究发展状况进行介绍与总结，结论认为“混凝士结构耐久牲的整体论”及“混凝土结构寿命周期评价”为当前及今后混凝土耐久性两个主要方面，并将对未来混凝土结构的发展产生良好的影响。

关键词：

整体（综合）论；混凝土结构耐久性；寿命周期评价

Abstract：

BasedonthestudyandcarefullearningofthetwentiethchapterofdurabilitywhichiswrittenbyGuoZhenhai.Isummedupthestateofresearchanddevelopmentonthedurabilityofconcretestructuresinrecentyears,Icanconcludethat”Holisticviewofdurabilityofconcretestructures”and”Life-cycleassessmentofconcrete”arethetowmainaspectsofdurabilityofconcreteforthecurrentandfuture.Theywillhaveagoodinfluenceonthefuturedevelopmentofconcretestructure.

Keywords：

holistic（integrate）view；durabilityofconcretestructures；Life-cycleassessment

1、混凝土耐久性主要内容

1.1混凝土结构耐久性的特点

1.1.1工程中的问题

混凝土结构比木结构、钢结构有更好的耐久性，但是在工程中也发现个别结构，以及某些地区或环境下的成批结构建成后不久，在远低于其预期的使用期限前，就因为各种原因而出现不同程度的损伤和局部破裂现象。

结构在预期的使用期限内，出现耐久性失效，不仅影响建筑物的正常生产和生活功能，而且造成巨大的直接经济损失。

混凝土结构的耐久性是指结构及其各组成部分，在所处的自然环境和使用条件等因素的长期作用下，抵抗材料性能劣化、仍能维持结构的安全和使用的功能的能力。

结构在正常使用条件下，无需重大维修而仍能满足安全和适用功能所延续的时间成为适用年限，可作为表达结构耐久性的数量指标。

关于混凝土材料和结构的耐久性问题，人们早在20世纪50年代之前就有所察觉，开始了有关的研究工作：

至20世纪60年代后引起工程界和学术界的广泛重视，开展了全面、系统的研究，召开了多次专题性国际会议。

我国从20世纪80年代开始，也从多方面投入研究，取得了不少成果。

混凝土结构设计规范（2002版）。

首次明确提出耐久性的要求和设计指示，旋后又专门颁布了国家标准“混凝土结构耐久性设计规范”。

混凝土结构耐久性失效主要有以下几类：

渗透、冻融、碱—骨料反应、混凝土碳化、化学腐蚀和钢筋锈蚀等。

其他还有疲劳、摩擦损伤、生物腐蚀、钢筋的应力腐蚀等。

1.1.2耐久性失效的特点

混凝土材料及其结构的耐久性劣化或失效，本质上并非外力作用所致，它具有以下主要特点：

1）在所处环境条件下，耐久性失效是由于外界介质或材料内部对混凝土的化学和物理作用的结果。

2）耐久性失效是个缓慢的积累过程。

3）引起耐久性失效的诸因素相互关联、相互影响。

4）耐久性失效首先受控于正常使用极限状态、而非承载能力极限状态。

混凝土的材料劣化和耐久性受损是一个复杂而缓慢的化学和物理作用的过程，影响因素众多。

为了保证和提高混凝土结构的耐久性，目前采取的主要措施是依靠工程经验，加强构造处理，以及宏观的控制混凝土的材料成分和施工质量等。

1.1.3混凝土的孔结构

多种因素引起混凝土的劣化和耐久性失效，其严重性在很大程度上都取决于混凝土材料内部结构的多孔性和渗透性。

一般而言，因混凝土的密实度差，即内部孔隙率大，则各种液体和气体渗透进入其内部的可能性大，渗透的数量和深度都大，因而将加速混凝土的冻融破坏，碳化反应层更厚，增大化学腐蚀，钢筋易生锈，甚至可能完全透水。

故研究和解决混凝土的耐久性问题，首先要了解其内部孔结构的组成和特点。

1）凝胶孔

凝胶孔就是散布在水泥凝胶体中的细微空间。

水化作用初期生成的凝胶孔多为封闭形，后期因水分蒸发，所以孔隙率逐渐增大。

凝胶孔的尺寸小，多为封闭孔，且占混凝土的总体积不大，故渗透性能差，属无害孔。

2）毛细孔

水泥水化后水分蒸发，凝胶体逐渐变稠硬化，水泥石内部形成细的毛细孔。

毛细孔的总体积占混凝土体积的10%~15%，对其渗透性影响最大。

3）非毛细孔

在混凝土施工配置和凝结硬化过程中，又形成了不同形状、大小和分布的非毛细孔。

影响混凝土孔结构和孔隙率的主要因素有水灰比、水泥的品种和细度、骨料品种、配置质量、养护条件。

1.2若干耐久性问题

1.2.1渗透

当混凝土与周围介质存在压力差时，高压一方的液体或气体将向低压方迁移，这种现象称为渗透。

过量的渗透将使混凝土材料和结构的耐久性劣化。

混凝土抵抗液体和气体渗透的能力称为抗渗性。

为了提高混凝土的抗渗性，除了从材料和施工方面着手，减小其孔隙率外，还可采取外部措施，如在表面覆盖防水涂料或防水砂浆。

1.2.2冻融

混凝土凝固硬化后遗存的游离水，和通过孔隙率渗透进入的水都存留在内部的各种空隙中。

当周围气温下降时，空隙中的水受冻结冰，体积膨胀，破坏材料的内部结构。

混凝土抵抗冻融破损的能力称为抗冻性，用抗冻标号作为定量指标。

混凝土的抗冻性主要取决于其内部的孔结构和孔隙率含水饱和程度，受冻龄期等。

为了提高其抗冻性，除了采取：

降低水灰比，掺加优质粉煤灰和硅粉，材料合理配比，改进施工操作和加强养护等措施，提高混凝土密实性，减小孔隙率等之外还有在拌合混凝土时掺加引气剂，冬季施工时掺加防冻剂、早强剂、或升温养护等方法。

1.2.3碱—骨料反应

混凝土骨料中的某些活性矿物与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生化学反应，体积膨胀，在内部产生膨胀应力，导致混凝土开裂和强度下降，称为碱—骨料反应。

依据混凝土中骨料矿物成分的不同，碱—骨料反应可分作三类：

1）碱—硅反应

2）碱—硅酸盐反应

3）碱—碳酸盐反应

混凝土中碱—骨料反应的必要条件是：

混凝土中含碱、骨料有活性和孔隙中含水，且各自达一定指标。

防止和减轻混凝土的碱—骨料反应最有效措施是控制水泥中的含碱量。

1.2.4碳化

结构周界的环境介质中所含的酸性物质与混凝土表面接触，并通过各种孔隙率渗透至内部，与水泥石的碱性物质发生化学反应，称为混凝土的中性化。

最为普遍发生的形式是空气中混凝土的碳化。

碳化的混凝土加剧了收缩变形，导致裂缝的出现、粘结力的下降，甚至钢筋保护层的脱落。

为了减轻和延缓混凝土碳化进程，提高结构的耐久性，该采取的措施有：

选用抗碳化性能较好的普通硅酸盐水泥；配置的混凝土中有足够的水泥用量、较低的水灰比，掺加优质粉煤灰及硅粉等，以减小孔隙率。

1.2.5化学腐蚀

与混凝土接触的周围介质，如空气、水或土壤中含有不同浓度的酸、盐和碱类侵蚀性物质时，当他们渗透混凝土内部、与相关成分发生物理作用或化学反应后，是混凝土遭受腐蚀，逐渐发生膨胀和剥落，进而引起钢筋的腐蚀、一直结构失效。

混凝土腐蚀可分为两类：

1）溶蚀型腐蚀

2）结晶膨胀型腐蚀

为了防止和减轻混凝土的腐蚀，提高结构耐久性，除了慎重选择建造地址，对所在环境的空气、水、土进行检测，控制其中的侵蚀性介质含量和ph值外，还可从结构设计、选用混凝土材料和施工要求等方面采取措施。

1.2.6钢筋锈蚀

混凝土结构中的钢筋是承受拉力的主要抗体，是保证承载力所必须。

结构中混凝土在上述各种因素作用下发生耐久性劣化，出现裂缝和损伤，强度的损失并不很大，但若裂缝、腐蚀和碳化等深入到钢筋所在位置，很容易招致钢筋锈蚀。

由于钢筋的直径和截面积小，锈蚀后的强度将显著降低，使结构的承载能力严重折减而出现安全问题。

防止和延缓钢筋的锈蚀，提高结构耐久性，可采取如下措施：

从环境方面着手，控制各种侵蚀性物质的浓度，限制碳化层和氯离子等深入混凝土内部、抵达钢筋表面。

1.3结构的耐久性设计和评估

1.3.1耐久性设计

一般的混凝土结构，其设计使用年限为50年，要求较高者可定为100年，而临时性结构可予缩短。

建成的结构和构件在正常维护条件下，不经大修加固，应在此预定期间内保持器安全性和全部使用功能。

为保证新建结构具有足够的耐久性，在结构设计和施工阶段可采取的措施有：

结构工程合理选址，控制环境条件，改进结构构造，加强施工管理，选用合理材料，提高混凝土配置技术和质量监督等。

根据已有的工程经验和教训、式样研究和理论分析等综合结果，可提出对耐久性混凝土的基本定量要求，我国混凝土耐久性设计规范的规定依据结构所处环境类别和作用等级的差别，给出混凝土的最低强度等级，最大水胶比和保护层最小厚度等不同限制值。

对构件中钢筋种类和直径，以及构件的构造措施等规范中也提出了相应要求。

有抗渗性和抗冻性要求的混过凝土另应满足标准的有关要求。

1.3.2已有结构耐久性检测和评估

已建成的混凝土结构物使用多年后，在各种环境因素和周围介质的不利作用下，或在特殊荷载的偶然作用下，结构的外表面和内部常形成程度不等的损伤、性能劣化，耐久性下降。

当需要确定其能否在设计使用年限内继续安全承载并满足全部使用功能时，应对结构进行耐久兴的检测和评估。

检测的主要内容和方法如下：

1）调查结构和构件的全貌

2）检查外观损伤

3）检测混过凝土性

4）检测钢筋

5）调研和测试环境条件

将全部的结构现场观察调研和实验室检测的详细结果汇总后进行统计分析，按照结构的损伤和性能劣化的严重程度，评定各部分的耐久性损伤等级，整个结构按相同的损伤等级划分为若干区段，以便分别进行处理。

对现有结构的承载力评定，可根据结构的计算图形和实测的截面尺寸、材料强度等级进行计算，也可通过现场的荷载试验进行检测，都鞥获得比较准确的结果，做出明确的评定。

2、混凝土耐久性国内外研究现状

2.1国外混凝土耐久性研究发展状况

第一批钢筋混凝土结构在1880-1890年问世，并大量应用于工业建筑物上；从上世纪60年代开始，钢筋混凝土结构的使用进入高峰期。

随着钢筋混凝土使用的增加，其在环境中化学活性物质腐蚀下的安全性及各种环境破坏因素影响下的结构的耐久性的问题也呈现在人们面前。

学者对混凝土结构耐久性问题的研究起始于上世纪30年代，成立了多个国际学术机构对混凝土结构的耐久性问题进行研究，并举办了多次国际学术会议对其进行探讨。

如混凝土中钢筋锈蚀技术委员会（CRC），由国际材料和结构试验学会（RILEM）在1960年成立，该委员会总结各国在钢筋混凝土发生锈蚀损害方面的研究结果，并提出以后的研究主流方向，推动了混凝土结构耐久性研究的发展，并从1978年开始，每三年为周期举行一次议题为建筑材料和混凝土构件耐久性（DBMC）的国际会议，1982年FJLEM与CIB联合建立共同工作委员会（RILEM-71PSL/CIBW800），并定期举行国际会议探讨钢筋混凝土耐久性问题，国际桥梁与结构工程协会（即IABSE）于1987年、1988年、1989年和1993年分别在巴黎、丹麦、里斯本、丹麦哥本哈根召开议题为混凝土结构的未来、混凝土结构的重新评估、结构耐久性、结构残余能力的国际学术会议，会上对混凝土结构耐久性失效问题极为重视，并提出了将维修费纳入造价的宏观概念。

同时，混凝土耐久性的标准化也取得了显著地成果。

1990年欧洲CEB的示范准则（ModelCode）收录耐久性这一概念；两年后耐久性混凝土结构设计指南由欧洲混凝土委员会颁布，这一指南反映了欧洲专家对混凝土结构耐久性的研究水平；1994年国际标准组织为了制定结构耐久性设计国际标准，特地成立了TC59/SC3工作小组；ASTM与美国标准局（NBS）曾对混凝土的耐久性研究建议条例进行界定，美国混疑土学会（ACI）则特地成立混凝土耐久性委员会（ACI-201），并与加拿大MET于1991年、1994年和1997年分别在加拿大蒙特利尔、法国尼斯和澳大利亚悉尼联合举行了第二、第三、第四届的混凝土结构耐久性国际会议；1992年，混凝土耐久性委员会（ACI-201）编制了耐久性混疑土指南。

在取得大量的研究成果后，各个国家开始颁布一系列针对混凝土结构耐久性的规范规程，如耐久性混凝土结构设计指南（1992年欧洲混凝土委员会颁布）、耐久性混凝土指南（美国AC1-201委员会编制）、建筑物耐久性系列规程（日本1986年颁发）、混凝土结构规范（B58110，英国）及标准施工规范（CPllO，英国）等等，这些规范文件对耐久性做了明确的规定。

2.2国内混凝土耐久性发展状况

我国在20世纪60年代初开始重视混凝土耐久性的研究，最初的研究重点主要是混凝土的碳化和钢筋锈蚀。

随着对混凝土耐久性认识的加深，从80年代开始日益受到重视，进行了较大规模的研究，1982年和1983年，中国土木工程学会召开了两次全国性的混凝土耐久性学术会议，有效地推动了国内耐久性研究工作的发展，上个世纪90年代，我国开始对耐久性问题进行较系统的研究，并在1991年建立了混凝土结构耐久性学组，该组织的建立标志着我国开始进行规范化、系统化的进行混凝土耐久性研究。

21世纪以来，国内召开了多次针对混凝土耐久性的年会，如2000年5月在杭州召开的土木工程学术年会，对工程结构耐久性的研究的重要性进行了探讨，北京分别于2001年和2002年举行了关于混凝土安全性、混凝土耐久性及耐久性设计的论坛，对我国混凝土工程中出现的钢筋锈蚀和混凝土腐蚀现象提出分析与对策，并强调在当前我国正在进行的大规模基础设施工程建设，混凝土工程的耐久性研究具有重要意义和紧迫性。

我国在借鉴国内外科研成果的基础上，于2004年编制了CCES01：

2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，于2009年住房和城乡建设部颁布了GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》。

混凝土耐久性技术体系得到不断完善。

大量重点工程建设面临混凝土结构耐久性设计咨询、耐久性设计的可行性研究等实际需求。

、

2.3混凝土耐久性研究现状

人类对复杂事物的研究过程是一个“认识-实践-再认识-再实践”的螺旋式循环上升过程。

对混凝土耐久性这样一个涉及原材料选用、制备、浇注、养护和多因素环境作用的复杂寿命周期过程的研究也是一个渐进式的螺旋上升过程。

2.3.1混凝土耐久性整体论

1）混凝土耐久性整体论提出背景：

还原论（或分解论）方法，它是造成混凝土技术中许多浪费作法的主要原因。

按照这一方法，要想完全了解和控制一个复杂系统的所有方面，就需将其分解为多个部分，而每次只考虑其中的一个部分。

这样一来，混凝土耐久性的规程和试验方法就不能体现出耐久性的特点，因为耐久性并不是仅与混凝土原材料和配合比有关的一种固有特性，而是一个整体性能指标（与整个结构相关），还取决于包括环境条件、结构设计、混凝土生工艺过程等其他因素。

2）美国著名混凝土材料科学家P.Mehta综合导致混凝土劣化破坏的因素和过程,提出了“混凝土耐久性的整体论模型”

混凝土制备、浇注、养护完成后,形成了一个相对不透水,但存在非连续微裂缝且多孔的混凝土结构;在服役期的第一个阶段,受荷载和大气环境作用（干湿和冷热循环）促使微裂缝扩展直到连通,使混凝土渗透性显著增大;从第二阶段开始,水、氧气、二氧化碳和酸性离子能容易地渗入混凝土,这些介质的存在又促使各种物理、化学反应易于进行,结果是一方面孔隙水压增大,另一方面混凝土强度和刚度部分丧失。

在这两个同步发生过程的影响下,材料逐渐开裂、剥落和体积减小,这反过来又引起渗透性显著增大,加速了混凝土破坏。

该模型明确提出,不透水性是防止混凝土发生任何物理-化学破坏过程的第一道防线,在混凝土材料制备、浇注、养护期必须充分重视,否则由于施工过程中的变异（离析、含气量损失、泌水、温度收缩、自生收缩、干缩）导致混凝土发育不良而从一开始就失去耐久性屏障,这就是为什么试验室混凝土性能与现场实体混凝土性能有巨大差异的根本原因所在。

模型还告诉人们,在进行混凝土耐久性研究中必须考虑多因素的联合作用,在高应力作用下混凝土的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能会显著降低,冻融和收缩引发的钢筋混凝土保护层细微裂缝会使室内测定的混凝土的氯离子扩散系数失去意义。

在混凝土结构服役过程中,干湿循环、冷热循环、冻融循环和加载、卸载循环都会对混凝土的微结构产生影响,进而影响混凝土的劣化破坏进程。

模型的第三方面的启示是:

基于数学模型的寿命预测在选择关键参数方面更应注意现场数据采集和分析,避免重走用试验室数据代替现场数据做简单假设、精确复杂计算的老路。

3）混凝土耐久性整体论的发展

1994年Mehta提出了混凝土受外界环境影响而劣化的整体模型。

2003年清华大学教授覃维祖在建筑技术杂志上发表的“混凝士结构耐久牲的整体论”比较系统的对其进行了介绍。

2008年同济大学杨钱荣，黄士元在混凝土杂志上的文章“对混凝土耐久性模型的思考”一文中对混凝土耐久性整体论模型进行了修订增加了对混凝土耐久性影响指标。

并引入新的耐久性模型。

P．K．Mehta的混凝土耐久性模型新的混凝土耐久性模型

2009年同济大学蒋正武教授在材料导报上发表了“基于整体方法论的混凝土修补思考”将混凝土整体论模型引入到混过凝土修补过程中。

他认为混凝土修补应从整体论进行全面考虑，不仅应考虑混凝土修补材料的性能与混凝土结构的修复效果，更重要的是应考虑修补材料与混凝土结构的相容性与整体性’修补后混凝土结构整体的耐久性。

2010年清华大学教授在混凝土世界杂志中发表的“混凝土耐久性评估：

用试件还是用芯样”一文中运用了混凝土整体论模型对混凝土耐久性试验条件进行了优化。

展示了工程实际与试验室制样的差别，强调了工程实际对混凝土耐久性的影响因素。

2.3.2混凝土结构寿命周期评价

1）混凝土结构寿命周期评价提出背景：

全寿命周期（Life-cycleassessment）指在设计阶段就考虑到产品寿命历程的所有环节，将所有相关因素在产品设计分阶段得到综合规划和优化的一种设计理论。

这种理论目前已运用在很多领域上。

针对于混凝土领域，在过去在一个建设项目中，施工方往往只负责建筑工程的施工，加上工期的要求，其混凝土施工过程中出现了很多问题严重影响其混凝土耐久性，然而这其中有些问题短时间内显现不出来，在工程验收合格后设计和工程承包方一般不再承担使用期间维护、修复或重建等相关义务和责任。

但是在后续的使用过程中可能会出现很多问题。

导致巨大的人力财力等方面的损失。

2）“混凝土结构寿命周期评价”（Life-cycleassessmentofconcrete,缩写LCA）是在世界人口膨胀、能源供应紧张、环境污染、温室效应导致的气候变暖和生态恶化的大背景下提出的。

LCA考虑了混凝土使用周期的全过程,包括原材料开采、混凝土制备、施工、寿命周期内的维护、破坏处置和再循环利用等。

LCA包含寿命周期环境影响评价（Life-cycleimpactassessment,缩写LCIA）和寿命周期成本分析（Wholelifecosting,缩写WLC）两方面内容。

使用LCA对混凝土材料方案或单元结构设计方案进行寿命周期内的环境影响评价和成本分析,能达到在全寿命周期内优选采用对环境影响小且经济合理的最优目标方案的目的。

LCA构建了一种科学系统的分析评价模式,在欧盟国家很受推崇,多个组织纷纷提出了各自的方法,但还没有一种方法得到公认。

LCA是一个相当复杂的体系,涉及使用寿命、使用寿命设期成本分析,还要做大量的研究工作。

3混凝土耐久性工程应用及未来展望

3.1混过凝土耐久性工程应用

近10余年来,我国在若干重大工程的建设中已经充分贯彻了“混凝土耐久性设计”理念,并提升到了“强度设计与耐久性设计并重,强度服从耐久性”的认识高度。

1）长江三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利水电工程,拦河坝最大坝高183m,混凝土方量2700万m3。

1993年开工后,提出了“三峡大坝混凝土耐久性寿命500年的设计构想”。

明确提出了三峡大坝的设计思想要突出耐久性设计的概念,同时明确了三峡大坝要采用微膨胀型低碱中热硅酸盐水泥,掺用优质引气剂和优质高效减水剂,确定必须掺用Ⅰ级粉煤灰,尽可能降低用水量,严格控制水胶比,并明确三峡大坝外部混凝土,特别是水位变化区混凝土的抗冻等级要达到F250。

为预防混凝土的碱活性骨料反应,采用人工制备的花岗岩骨料,并限定水泥中的含碱量≤0.5%以及混凝土的总碱含量≤2.5kgm3,在施工过程中执行严格的温控防裂措施。

防裂关键部位混凝土出机口温度控制在7℃,浇筑温度≤12℃～14℃。

三峡工程1994年开始的大坝混凝土配合比优化设计理念就符合高性能混凝土思想,三峡工程采取的提高混凝土耐久性措施与2000年P.Mehta发表的论文MonolithFoundation:

Builttolasta“1000Years”有异曲同工之妙。

2）穿越“世界屋脊”的青藏铁路格拉段全长1180多公里,其中海拔高度大于4000m的路段约965km,穿越多年冻土地带的路段约550km。

除格尔木和拉萨外,沿线年平均气温为-2℃～-6℃,极端最高气温为25℃,极端最低气温为-45℃。

沿线气候干燥,干湿交替频繁,年日正负温天数高达180d左右,冻融作用强烈,一些地段的河流中存在有害离子的侵蚀危害。

为保证工程的长期耐久性使用要求,青藏铁路明确提出了必须按高性能混凝土原则配制桥隧结构用混凝土的要求:

水胶比≤0.4,抗冻耐久性指数0.6～0.9,电通量≤1000库仑,粉煤灰掺量10%～15%,同时掺入多重效能的复合高效外加剂达到高效减水、早强、防冻、引气、增实、保坍、抗硫酸盐腐蚀和抑制碱硅酸反应膨胀的功效。

3）杭州湾跨海大桥全长36km,其中跨越海域长度近32km。

大桥主体结构除南、北航道桥采用钢箱梁外,其余均为混凝土结构。

全桥混凝土用量约250万m3,设计使用寿命100年。

杭州湾跨海大桥保证混凝土结构的耐久性措施包括:

以氯离子扩散系数为混凝土耐久性的主要控制指标,采用大掺量掺合料（42.5P.Ⅱ硅酸盐水泥+55%～70%矿粉粉煤灰复掺料）和低水胶比（≤0.4）,低氯离子扩散系数（≤1.5×10-12～3.5×10-12m2s）;设置合理的钢筋保护层厚度（承台水变区90mm,桥墩浪溅区60mm）;对特殊部位采取附加防护措施,作为目前对耐久性问题认识不足的储备（环氧涂层钢筋、阴极防护、钢筋阻锈剂、表面防护涂层）,安装耐久性检测系统进行长期动态跟踪监测和验证评估等。

4）南水北调中线工程从湖北丹江口水库陶岔渠首引水至北京团城湖,输水总干线全长1267km,天津干线从河北徐水向东至天津长154km,是我国实现水资源合理调配的特大型调水工程。

工程的耐久性问题主要有冻融、碳化、碱活性骨料,重点是抑制碱骨料反应,确保工程的长期耐久性。

针对华北地区太行山脉和燕