《工程结构耐久性》系统且全面地阐述了多种土木工程结构耐久性相关的理论、测试方法、设计评估及实际应用。本书详细介绍了结构混凝土性能劣化、内部物质输运、钢筋锈蚀等原理，涵盖金属腐蚀基础理论，包括腐蚀机理、类型、典型金属腐蚀及保护方法。同时针对混凝土、砌体、地下钢结构、纤维增强复合材料等多种结构，分别深入剖析其劣化原因、过程及防护措施，如混凝土劣化从原材料、性能及劣化机制等方面展开，砌体结构介绍失效机理与防治手段。另一方面，着重讲解混凝土结构耐久性测试方法，如渗透、侵入测试等。在设计与评估上，以混凝土结构为主，阐述设计途径、数学理论与实用步骤，并列举示例。最后介绍交流阻抗谱方法在耐久性研究中的应用。
本书可作为土木工程等相关专业的高年级本科生、研究生的课程教材，也可以给科研人员以及从事土木工程结构设计、施工、维护的工程技术人员提供深入的专业知识与实践指导。

第1章 绪论 1
1.1 混凝土结构 3
1.2 混凝土结构的性能劣化 4
1.3 混凝土内部的物质输运和劣化机制 6
1.3.1 物质输运机制 6
1.3.2 力学作用 6
1.3.3 化学过程 6
1.3.4 物理过程 7
1.4 钢筋锈蚀 8
1.4.1 钢筋的脱钝化 8
1.4.2 钢筋的锈蚀过程 9
1.4.3 氯化物诱发腐蚀 9
1.4.4 杂散电流腐蚀 10
1.4.5 温度的影响 10
1.5 增强耐久性的措施 10
1.6 涂层和表面保护 11
1.7 钢筋的防腐 11
1.7.1 耐腐蚀钢筋 11
1.7.2 钢筋的环氧树脂涂层和热镀锌防护 12
1.7.3 阴极防护 13
1.8 施工与混凝土耐久性 14
1.9 质量保证 16
1.9.1 现场监督 16
1.9.2 从承包商移交给业主 16
1.10 混凝土结构的维护 16
1.10.1 耐久性“五倍定律” 16
1.10.2 预防性维护 17
1.10.3 耐久性监测 17
1.11 修复原则和方法 18
1.11.1 补丁修复的耐久性 18
1.11.2 电化学修复 19
1.12 钢结构的耐久性提升措施简介 20
1.13 砌体结构的耐久性提升措施简介 21
1.14 木结构的耐久性提升措施简介 21

第2章 金属腐蚀的基础理论 23
2.1 金属腐蚀概况 23
2.2 金属腐蚀机理 23
2.2.1 金属腐蚀的定义 23
2.2.2 腐蚀机理 24
2.2.3 热力学和腐蚀 25
2.2.4 腐蚀速率 26
2.2.5 腐蚀系统 27
2.3 腐蚀的类型 31
2.3.1 均匀腐蚀 31
2.3.2 局部腐蚀 31
2.4 典型金属的腐蚀 38
2.4.1 结构钢 38
2.4.2 铸铁的腐蚀 40
2.4.3 不锈钢 40
2.4.4 耐候钢 40
2.4.5 铝 41
2.5 金属的保护 42
2.5.1 表面处理 42
2.5.2 有机涂层 43
2.5.3 金属涂层 45
2.5.4 阴极保护 46

第3章 混凝土的劣化 49
3.1 硅酸盐水泥和辅助胶凝材料 49
3.1.1 化学侵蚀 50
3.1.2 物理侵蚀 51
3.2 骨料 52
3.2.1 物理机制 52
3.2.2 化学机理 54
3.3 拌和用水 54
3.4 掺合料 55
3.5 纤维 55
3.6 与耐久性有关的混凝土性能 56
3.6.1 混凝土的输运特性 57
3.6.2 与劣化有关的混凝土的力学、物理和化学特性 59
3.6.3 混凝土开裂及其劣化的影响 60
3.7 劣化机制 63
3.7.1 引言 63
3.7.2 机械和物理劣化机制 66
3.7.3 化学劣化机制 66
3.7.4 化学损伤需要考虑的其他因素 68
3.7.5 钢筋混凝土中的钢筋锈蚀 68
3.8 减少混凝土劣化的设计和施工做法 72

第4章 冻融作用 74
4.1 引言 74
4.2 冰冻作用理论和除冰盐剥蚀机理 77
4.2.1 冰冻作用理论 78
4.2.2 除冰盐剥蚀机理 83
4.3 有关抗冻性的基本概念 85
4.3.1 因冰冻作用而导致的劣化 85
4.3.2 硬化浆体和混凝土中冰的形成 87
4.3.3 良好抗冻性所需的气孔系统的特性 89
4.3.4 关于冰冻作用的其他假设 90
4.4 抗冻性指标 90
4.4.1 临界饱和度及临界膨胀 90
4.4.2 抗冻数 91
4.5 抗冻性能测试 92
4.5.1 混凝土测试 92
4.5.2 骨料测试 100
4.5.3 外加剂测试 101
4.5.4 新拌混凝土中含气量的测定 102
4.5.5 硬化混凝土气孔系统特性测定 106
4.5.6 新拌混凝土气泡间距系数的确定 110
4.6 冻融损伤模型 111

第5章 混凝土结构耐久性测试理论与方法 114
5.1 引言 114
5.2 渗透测试简介 115
5.2.1 非反应性流体 115
5.2.2 反应性侵蚀流体 116
5.3 基于非反应性流体输运的侵入测试 116
5.3.1 气体渗透性 116
5.3.2 渗水性测试 125
5.3.3 毛细吸入 128
5.3.4 氯化物渗透 133
5.4 混凝土电阻率和电导率 145
5.4.1 原理和机制 145
5.4.2 测试方法 145
5.4.3 混凝土质量评价概述和标准 147
5.5 CO2 和碳化 148
5.6 劣化机制测试方法 149
5.6.1 鉴定和量化混凝土劣化过程的试验 149
5.6.2 碱-集料反应试验 149
5.6.3 抗硫酸盐侵蚀试验 150
5.6.4 抗冻融损伤试验 151
5.6.5 钢筋在混凝土中的锈蚀情况 152
5.7 小结 158

第6章 砌体结构耐久性 159
6.1 引言 159
6.2 失效机理及防治措施 161
6.2.1 硫酸盐侵蚀 161
6.2.2 盐结晶 162
6.2.3 酸雨侵蚀 163
6.2.4 碳酸水侵蚀 164
6.2.5 酸侵蚀 164
6.2.6 冻融 165
6.2.7 风蚀和水冲刷 166
6.2.8 配筋的锈蚀 166
6.2.9 植物、藻类等的生长 167
6.2.10 变形 168
6.2.11 风化 169
6.3 小结 170

第7章 地下钢结构的耐久性 171
7.1 介绍 171
7.2 腐蚀反应的基本原理 171
7.2.1 一般腐蚀反应 171
7.2.2 不同形式的腐蚀 172
7.3 作为腐蚀环境的土壤 173
7.3.1 pH值为 4～9的未受扰动的土壤 173
7.3.2 pH值为 4～9的扰动土壤 174
7.3.3 pH< 4的酸性土壤 174
7.3.4 受污染的土壤 174
7.4 腐蚀风险评估 174
7.4.1 一般评估 174
7.4.2 详细评估 175
7.5 防腐蚀方法 177
7.5.1 腐蚀裕量 177
7.5.2 阴极保护 178
7.5.3 防护层 181
7.6 小结 181

第8章 纤维增强复合材料/结构的耐久性 182
8.1 引言 182
8.2 纤维增强聚合物（FRP）的制造材料 184
8.2.1 纤维 184
8.2.2 热固性树脂 185
8.2.3 填料 186
8.2.4 添加剂 186
8.2.5 纤维增强复合材料的涂层 186
8.2.6 黏结剂 187
8.3 FRP复合材料应用场合 188
8.3.1 FRP筋混凝土构件 188
8.3.2 FRP加固混凝土构件 188
8.3.3 FRP构件 188
8.4 材料耐久性问题 189
8.4.1 液体 189
8.4.2 碱 190
8.4.3 冻融 192
8.4.4 疲劳 193
8.4.5 徐变/松弛和徐变断裂 194
8.4.6 紫外线 195
8.4.7 高温 195
8.4.8 火 196
8.5 FRP加固体系的耐久性 196
8.5.1 冻融 196
8.5.2 疲劳 197
8.5.3 徐变 197
8.5.4 火灾/高温 197
8.5.5 FRP桥面疲劳性能 198
8.5.6 FRP和混凝土黏结的耐久性 198
8.5.7 FRP外部加固混凝土构件 199
8.6 小结 200

第9章 混凝土结构耐久性设计和评估 203
9.1 引言 203
9.2 耐久性设计的实现途径 204
9.2.1 传统的耐久性设计方法 204
9.2.2 欧洲的使用寿命设计方法——FIB第 34号公报方法 205
9.3 耐久性设计的基础数学理论 206
9.3.1 失效概率与使用寿命理论 206
9.3.2 耐久性设计的基本公式 207
9.4 通过随机方法进行耐久性设计的示例 208
9.4.1 R 和 S 呈正态分布时的性能原则设计 208
9.4.2 对数正态服役寿命分布 210
9.4.3 对数正态服役寿命分布的概率 211
9.5 耐久性设计的实用步骤和内容 212
9.6 混凝土结构耐久性设计和评估的示例 213
9.6.1 简介 213
9.6.2 策略和方法 213
9.6.3 服役环境和分区 214
9.6.4 劣化评估与缓解措施 215
9.6.5 基于氯离子传输的使用寿命建模 217
9.6.6 设计成果 221
9.6.7 混凝土耐久性测试要求 223
9.7 港珠澳大桥的耐久性设计 225
9.8 多种设计方法的联合使用示例 228
9.8.1 完全概率方法 228
9.8.2 避免劣化方法 230
9.8.3 基于全寿命周期成本的设计评估 231
9.9 混凝土结构耐久性评定方法 232
9.10 钢结构的耐久性评定 233
9.11 砌体结构的耐久性设计简介 233

第10章 交流阻抗谱方法在耐久性研究中的应用 235
10.1 引言 235
10.2 EIS数据的表示 237
10.3 电路描述码 238
10.3.1 简介 238
10.3.2 构建步骤 239
10.3.3 电路元件及其表示法摘要 240
10.4 EIS图谱的分析和解释 242
10.5 EIS在金属腐蚀中的应用 249
10.5.1 对腐蚀金属施加电压激励的影响分析 249
10.5.2 钢材在不同水溶液条件下的氧化动力学反应 251
10.5.3 在非稳态溶液中腐蚀的钢材（使用旋转圆盘电极） 254
10.5.4 混凝土中钢筋的锈蚀监测 254
10.5.5 从植物中提取的有机分子或天然液体的抑制作用 255
10.5.6 硼化处理硬涂层 257
10.5.7 用作容器的钢材 258
10.6 EIS在混凝土冻融研究中的应用 260
10.7 EIS在混凝土碳化研究中的应用 264
10.8 EIS在混凝土硫酸盐侵蚀研究中的应用 269
10.9 EIS在混凝土碱-集料反应研究中的应用 274

参考文献 282

20世纪90年代以来，我国开展了大规模基础设施建设。目前我国已建成全球最大的高速公路网、高速铁路网和世界级港口群；我国高速铁路通车总里程已达到48万公里，高速公路通车总里程已达到19万公里，均居世界第一；铁路隧道和公路隧道超过5万公里，已成为世界隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。当前，我国基础设施事业已从以建设为主转变为建设与运维并重的阶段。由于服役条件、工程设计、施工、运营等因素，不少工程结构面临或者已经出现较为严重的耐久性问题，带来了较大的维修加固负担。
工程结构的耐久性是指结构在正常使用和维护条件下，能够抵抗自然环境的侵蚀、人为因素的损害以及各种荷载作用，长期保持其必要的安全性和适用性的能力。混凝土结构出现耐久性问题具体表现为钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、钙矾石延迟生成、碱集料反应、溶蚀、磨损等。在所有结构类型中，混凝土结构的耐久性问题得到的关注最多，成果也最多。钢结构的耐久性问题主要是锈蚀。砌体结构的耐久性问题也很复杂，但受到的关注较少，具体表现为硫酸盐侵蚀、盐结晶、酸性物质侵蚀、冻融破坏、风蚀、冲蚀、金属锈蚀等。木结构有“干千年，湿千年，干干湿湿两三年”之说，木结构的耐久性破坏主要由真菌腐蚀和昆虫蛀蚀造成，目前我国木结构的耐久性研究集中于古建筑。
近20年来，我国的工程材料/结构耐久性研究在国际上的影响力日益增强，一些学者编著了一些教材和专著，如邢锋院士于2011年出版的《混凝土结构耐久性设计与应用》，金伟良教授、赵羽习教授于2014年出版的《混凝土结构耐久性》，孙伟院士于2015年出版的《现代结构混凝土耐久性评价与寿命预测》，元成方教授、冯虎教授于2020年出版的《工程材料与结构耐久性》等。还有一些专注于特定问题的著作，如曾勇教授于2017年出版的《波形钢腹板PC组合箱梁桥耐久性研究》，史才军教授、元强教授、何富强教授、胡翔教授于2021年出版的《水泥基材料中氯离子的传输及相互作用》，邱洪兴教授于2021年出版的《木竹结构安全性、耐久性和舒适性检测评价指南》，金伟良教授、夏晋教授、毛江鸿教授于2021年出版的《混凝土结构耐久性电化学方法——防护、修复、提升和控制》，宋神友总工于2023年出版的《钢壳混凝土沉管钢结构长寿命耐久性设计方法与防护技术》等。这些著作对耐久性领域的高等教育和工程师能力提升具有重要价值。
作为上述著作的补充，考虑到我国“南锈北冻”的耐久性成因特征，本书对混凝土结构的耐久性机理，特别是钢筋锈蚀、冻融循环、测试理论和方法，进行了较为详细的介绍，另外对钢结构、砌体结构和木结构的耐久性作了简要介绍。由于纤维增强复合材料在土木工程领域的应用日益增多，本书对纤维增强复合材料/结构的耐久性问题也作了介绍。
本书是河北省研究生示范课程“工程结构耐久性”的教材，编者的研究生刘硕、李京伦、郑卫民、赵祎、邢金正、姚舜元、李赛、秦庆威、孙泽旭、赵一凡、隽辉、张绍旋绘制了部分图表，谨此致谢。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请广大读者批评指正。意见和建议可发送至wulp08@tsinghuaorgcn，编者深表感谢！

吴立朋
2025年12月