淺談混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

張寶峰 盤錦水漫建筑設(shè)計(jì)有限公司 124200

淺談混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

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只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知識、了解工程所處環(huán)境特點(diǎn)，細(xì)心設(shè)計(jì)、精心施工，混凝土結(jié)構(gòu)才能在合理的使用年限內(nèi)安全、可靠。

耐久性；碳化；環(huán)境溫度；凍融；使用年限；外加劑；膨脹

混凝土結(jié)構(gòu)除了滿足安全性、適用性要求外，還應(yīng)滿足耐久性方面的要求。因此，在設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，除了進(jìn)行承載力計(jì)算、變形和裂縫驗(yàn)算外，還必須進(jìn)行耐久性概念設(shè)計(jì)。

一、耐久性的概念

混凝土的耐久性是指在正常維護(hù)的條件下，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在指定的工作環(huán)境中保證結(jié)構(gòu)滿足的功能要求，而不需進(jìn)行維修加固?；炷两Y(jié)構(gòu)廣泛用于各類工程結(jié)構(gòu)中，如果因耐久性不足而失效，或?yàn)榱死^續(xù)正常使用而進(jìn)行相當(dāng)規(guī)模的維修、加固或改造，則將付出高昂的代價(jià)。保證混凝土結(jié)構(gòu)能在自然和人為環(huán)境的化學(xué)和物理作用下，滿足耐久性的要求，是一個(gè)十分迫切和重要的問題。

二、影響耐久性的主要因素

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素主要有內(nèi)部和外部兩個(gè)方面。內(nèi)部因素主要是指混凝土的強(qiáng)度、滲透性、保護(hù)層厚度，水泥品種、標(biāo)號和用量以及外加劑用量等；外部因素則指環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳等，此外，設(shè)計(jì)不周、施工質(zhì)量差或使用維修不當(dāng)?shù)纫矔绊懩途眯阅?。下面就影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素簡單加以論述。

1、混凝土的碳化

混凝土中水泥石含有氫氧化鈣[(Ca (OH)2)而呈堿性，其在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護(hù)了金屬鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護(hù)作用。但大氣中存在的酸性介質(zhì)及水通過各種孔道、裂縫而滲入混凝土，可以中和這種堿性。盡管其酸性很弱，但也能中和氫氧化鈣而生成無堿性的鹽——碳酸鈣（C a C O3），這個(gè)過程稱為“碳化”。

混凝土的碳化速度十分緩慢，并且與混凝土的質(zhì)量、環(huán)境條件等因素有關(guān)。當(dāng)混凝土保護(hù)層被碳化至鋼筋表面時(shí)，將破壞鋼筋表面的氧化膜。此外，當(dāng)混凝土構(gòu)件的裂縫寬度超過一定限值時(shí)，將會加快混凝土的碳化，使鋼筋表面的氧化膜更易遭受破壞。

混凝土碳化對混凝土的主要危害表現(xiàn)在使混凝土中的鋼筋保護(hù)膜受到破壞，引起鋼筋銹蝕，從而影響承載力水平?；炷恋奶蓟腔炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一。減小、延緩混凝土的碳化，可有效地提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。

2、鋼筋銹蝕

建筑結(jié)構(gòu)中常用的鋼材為碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通低合鋼，其化學(xué)成分含有少量其他金屬（Mn、V、Ti）和非金屬（Si、C、S、P、O、N）元素并形成固液體、化合物或機(jī)械混合物的形態(tài)共存于鋼材結(jié)構(gòu)中；此外還有許多晶界面和缺陷。鋼筋表面氧化膜被破壞后，當(dāng)鋼材表面從空氣中吸收溶有C O2、O2或S O2的水分，形成一種電解質(zhì)的水膜時(shí)，就會在鋼筋表面層的不同成分或晶界面之間構(gòu)成無數(shù)微電池。陽極和陰極反應(yīng)構(gòu)成整個(gè)腐蝕過程——電化學(xué)腐蝕。結(jié)果生成的氫氧化鐵Fe(OH)2在空氣中又進(jìn)一步被氧化成氫氧化鐵Fe(OH)3。鋼材的Fe變成Fe2O3，體積膨脹4倍，在少氧的條件下Fe(OH)3氧化不很完全的部分形成F e2O4，體積膨脹2倍。

上述過程如果繼續(xù)下去，嚴(yán)重時(shí)，體積膨脹，導(dǎo)致沿鋼筋長度的混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，并使混凝土保護(hù)層剝落，從而降低承載力，最終失效。

3、混凝土凍融破壞

混凝土水化結(jié)硬后內(nèi)部有很多毛細(xì)孔。在澆筑混凝土?xí)r，為了得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多一些。處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時(shí)，毛細(xì)孔中同時(shí)受到膨脹壓力和滲透壓力，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)部裂縫和損壞，經(jīng)過多次反復(fù)凍結(jié)、融化，損傷積累到一定程度就引起結(jié)構(gòu)破壞。

4、混凝土的堿集料反應(yīng)

混凝土的集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)，堿集料反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鹽凝膠，吸水后膨脹，體積可增大3～4倍，從而引起混凝土剝落、開裂，強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致破壞。堿集料反應(yīng)進(jìn)展緩慢，需要多年才會造成結(jié)構(gòu)破壞，所以它是影響混凝土耐久性的因素之一。

5、侵蝕性介質(zhì)的腐蝕

侵蝕介質(zhì)的腐蝕包括硫酸鹽腐蝕、酸腐蝕、海水腐蝕以及鹽類結(jié)晶型腐蝕等。

化學(xué)介質(zhì)對混凝土的侵蝕，表現(xiàn)在有些化學(xué)物質(zhì)侵入造成混凝土中一些成分被溶解、流失，引起裂縫、孔隙、松散破碎；有些化學(xué)物質(zhì)與侵入混凝土中的一些成分反應(yīng)生成體積膨脹的物質(zhì)，引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞。對此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，防止或減少對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕。另外，在冬季施工時(shí)往往在混凝土中摻入氯化鈉，如果摻量控制不嚴(yán)，將造成鋼筋銹蝕甚至嚴(yán)重銹蝕。大量工程調(diào)查表明，如果混凝土含氯化鈉，即使在混凝土未碳化區(qū)內(nèi)也有10%鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。因此必須嚴(yán)格禁止使用氯鹽。

6、其他影響因素

其他因素包括高溫作用、生物腐蝕、混凝土徐變等。

三、提高混凝土耐久性的措施及耐久性概念設(shè)計(jì)

要提高結(jié)構(gòu)耐久性，就要控制影響耐久性的因素。為此，提出了一系列提高耐久性的措施。

1、減緩混凝土碳化和防止鋼筋銹蝕的措施：

⑴鋼筋要有足夠的保護(hù)層厚度

在一般情況下，混凝土碳化達(dá)到鋼筋表面需要一定的時(shí)間，即脫鈍時(shí)間。顯然，保護(hù)層厚度越大，脫鈍時(shí)間越長。如果脫鈍時(shí)間超過建筑的設(shè)計(jì)使用年限，即可滿足要求。

⑵合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比

首先，要有足夠的水泥用量，一般不宜少于225Kg/m3,以保持混凝土的堿性；同時(shí)，盡量降低水灰比，以減少游離水的量，對此可以采用減水劑，在滿足施工要求的前提下，降低用水量；用優(yōu)質(zhì)摻和料，嚴(yán)格控制原材料的含鹽量。

⑶盡量提高混凝土的密實(shí)性，增強(qiáng)抗?jié)B性

對一般混凝土而言，設(shè)計(jì)、施工中要保證混凝土的密實(shí)性，保證振搗充分、密實(shí)，按規(guī)范要求仔細(xì)養(yǎng)護(hù)，經(jīng)常保持新澆筑混凝土表面濕潤，可采用覆蓋養(yǎng)護(hù)材料等措施，以減少水分蒸發(fā)，避免出現(xiàn)表面裂縫。

⑷控制混凝土摻和料的量

混凝土中采用摻和料時(shí)，在滿足強(qiáng)度條件的前提下，采用超量替代法設(shè)計(jì)配合比。

⑸采用覆蓋面層

覆蓋面層可以隔離混凝土表面與大氣環(huán)境的直接接觸，這對減小混凝土碳化十分有利，尤其是在不利甚至惡劣的環(huán)境條件下，效果更加明顯；同時(shí)防止水、二氧化碳、氯離子和氧氣的侵入，減少鋼筋銹蝕。

⑹其他措施

采用鋼筋阻銹劑，以防止氯鹽的腐蝕；采用防腐蝕鋼筋，其種類有環(huán)氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋等；對鋼筋采用陰極保護(hù)法，包括犧牲陽極法和輸入電流法等。

2、耐久性概念設(shè)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》首次列入有關(guān)耐久性設(shè)計(jì)的條文——耐久性規(guī)定。耐久性設(shè)計(jì)涉及面廣，影響因素多，有別于結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)，且以概念設(shè)計(jì)為主。

⑴耐久性概念設(shè)計(jì)的目的和基本原則

耐久性概念設(shè)計(jì)的目的是指在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常維護(hù)情況下，必須保持適合使用、滿足規(guī)定功能的要求。

耐久性概念設(shè)計(jì)的基本原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境分類和設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑵混凝土結(jié)構(gòu)使用環(huán)境分類

混凝土結(jié)構(gòu)相同但所處使用環(huán)境不同，結(jié)構(gòu)的壽命也不相同。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與其使用環(huán)境密切相關(guān)。

混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境共分五類，具體分類見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2002）中的有關(guān)分類。

⑶混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用年限

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用年限主要根據(jù)建筑物的重要程度確定，在我國可按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠設(shè)備設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》確定，一般分為≤50年和100年，也可以根據(jù)工程業(yè)主的要求確定。

⑷保證耐久性的技術(shù)措施及構(gòu)造要求

為了保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，根據(jù)環(huán)境類別和設(shè)計(jì)的使用年限，針對影響耐久性的主要因素，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料和施工方面提出技術(shù)措施，并采取有效的構(gòu)造措施。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)措施

①未經(jīng)技術(shù)鑒定及設(shè)計(jì)許可，不能改變結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境，不得改變結(jié)構(gòu)的用途。

②對于結(jié)構(gòu)中使用環(huán)境較差的構(gòu)件，宜設(shè)計(jì)成可更換或易更換的構(gòu)件。

③宜根據(jù)環(huán)境類別，規(guī)定維護(hù)措施及檢查年限；對重要的結(jié)構(gòu)，宜在與使用環(huán)境類別相同的適當(dāng)位置設(shè)置供耐久性檢查的專用構(gòu)件。

④對于暴露在侵蝕性環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其受力鋼筋可采用環(huán)氧涂層帶肋鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)有保護(hù)措施。在此情況下宜采用高強(qiáng)度等級的混凝土。

2）對混凝土材料的要求

用于一、二類和三類環(huán)境中設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土，應(yīng)控制最大水灰比、最小水泥用量、最低強(qiáng)度等級、最大氯離子含量以及最大堿含量，保護(hù)層厚度應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2002）的相關(guān)規(guī)定。

設(shè)計(jì)使用年限為100年且處于一類環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)符合下列規(guī)定：

①鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C40；

② 混凝土中氯離子含量不得超過水泥重量的0.06%；

③ 宜使用非堿活性骨料，當(dāng)使用堿活性骨料時(shí)，混凝土中堿含量不應(yīng)超過3. 0Kg/m3。

3）施工要求

混凝土的耐久性主要取決于它的密實(shí)性，除應(yīng)滿足上述對混凝土材料的要求外，還應(yīng)高度重視對混凝土的施工質(zhì)量，控制商品混凝土的各個(gè)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對商品混凝土的養(yǎng)護(hù)，防止過早受荷等。

4）混凝土保護(hù)層最小厚度

混凝土保護(hù)層最小厚度是從保證鋼筋與混凝土共同工作，滿足對受力鋼筋的有效錨固以及保證耐久性的要求為依據(jù)的。

縱向受力鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼絲、鋼絞線的混凝土保護(hù)層厚度是指從鋼筋外緣到混凝土外邊緣的距離，它不應(yīng)小于鋼筋的直徑或等效直徑，應(yīng)不應(yīng)小于骨料最大粒徑的1.5倍,且應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2002）的相關(guān)規(guī)定，如果保護(hù)層厚度超過40mm，不但增加造價(jià)，而且還應(yīng)加防裂措施。

總之，只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知識、了解工程所處環(huán)境特點(diǎn)，細(xì)心設(shè)計(jì)、精心施工，混凝土結(jié)構(gòu)才能在合理的使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)才能安全、可靠。

[1] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50010-2002.中國建筑工業(yè)出版社.2002.

[2] 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn). GB50068-2001. 中國建筑工業(yè)出版社. 2001.

[3] 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲.GB/T5223-1995.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1995.

[4] 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線. GB/T5224-1995. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1995.