平潭某工程基礎(chǔ)地下室的混凝土耐久性設(shè)計(jì)

一、工程概況

本工程建筑場(chǎng)地位于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)金井彎片區(qū)，靠近海邊。建筑物一幢12層的主樓和3層的附屬樓，建筑高度57米，設(shè)置地下室一層。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。上部結(jié)構(gòu)采用框架=剪力墻結(jié)構(gòu)，下部基礎(chǔ)采用沖鉆孔灌注樁。建筑+0.000的黃海標(biāo)高為5.85m，地下室頂板標(biāo)高-0.60m，底板標(biāo)高為-6.0m。

二、地質(zhì)情況

場(chǎng)地地貌單元主要為沖淤積平原地貌，工程地質(zhì)分區(qū)為淤積，沖積區(qū)。按地下水的賦存條件及水力特征主要為淺部填土（石）層中的上層滯水及場(chǎng)地下部的巖層空隙-裂隙承壓水?？辈槠陂g測(cè)得的地下水位為上層滯水水位，水位受地表水，大氣降水及臨時(shí)施工排水的影響較大。勘查期間測(cè)得的地下水位埋深0.3-2.6米。3-5年水位變化幅度約為3米。場(chǎng)區(qū)地下（表）水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，按地層滲透性對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，在長期浸水條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有弱等腐蝕性，在干濕交替條件下對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有中腐蝕性。具體分析結(jié)果詳見下表：

三、地下環(huán)境對(duì)混凝土耐久性的影響

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素主要有混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素和外部環(huán)境因素兩方面。內(nèi)在因素主要為混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度、水灰比、密實(shí)度、水泥品種、標(biāo)號(hào)和用量、外加劑類型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造、混凝土和鋼筋的應(yīng)力大小、裂縫等。外部環(huán)境因素主要為氣候、潮濕、高溫、氯離子腐蝕、化學(xué)介質(zhì)（酸、鹽、海水堿類等）腐蝕，還有凍融、磨損破壞等，環(huán)境不同影響程度不同。

3.1有害物質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕

①硫酸鹽對(duì)混凝土的腐蝕

硫酸鹽腐蝕主要是因?yàn)槟軌蚺c混凝土中水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成體積膨脹性侵蝕產(chǎn)物，如鈣礬石結(jié)晶，石膏結(jié)晶，結(jié)晶體引起混凝土體積膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂，破壞混凝土與鋼筋的粘結(jié)，甚至使混凝土表層脫落，失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。

②鎂鹽對(duì)混凝土的腐蝕

水泥石主要膠凝物質(zhì)是硅酸鈣和鋁酸鈣，均需要相應(yīng)的穩(wěn)定堿度，如果介質(zhì)中的堿度不斷的下降，則所有水硬性膠凝物質(zhì)將會(huì)分解為毫無膠凝作用的硅膠和鋁膠，從而使混凝土潰散。鎂離子還能置換混凝土中水泥水化產(chǎn)物中的鈣，形成可溶性或軟體物，使混凝土喪失強(qiáng)度，構(gòu)成所謂的分解性腐蝕。

③氯鹽對(duì)混凝土的腐蝕

氯離子也會(huì)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成CaCl2，將降低混凝土的堿度，CaCl2將被溶出，也是引起混凝土潰散的原因之一 。

3.2有害鹽對(duì)混凝土中鋼筋的腐蝕

水泥在水化過程中，可產(chǎn)生一定量的氫氧化鈣，使混凝土保持高堿度。水泥水化的高堿度，使鋼筋表面生成一層氧化物保護(hù)膜，或稱“鈍化膜”，從而使鋼筋免受腐蝕。鋼筋銹蝕首先是鋼筋表面氧化物保護(hù)膜的破壞，目前的研究認(rèn)為鋼筋“鈍化膜”的破壞主要是兩個(gè)方面：一是氯離子的侵入，二是混凝土保護(hù)層的碳化。氯離子引起銹蝕的破壞機(jī)理是氯離子擴(kuò)散，滲透到鋼筋表面，當(dāng)它吸附于局部“鈍化膜”時(shí)，可使該處的PH值迅速降低，于是該處的“鈍化膜”就被破壞了?；炷恋奶蓟谴髿庵蠧O2，水，和混凝土的氫氧化鈣化學(xué)反應(yīng)，使PH值降低，此時(shí)，鋼筋銹蝕就是不可避免的。一般來說，由碳化引起的鋼筋銹蝕進(jìn)程比較緩慢，而由氯離子侵入引起的鋼筋銹蝕進(jìn)程很快。

四、本工程基礎(chǔ)地下室的混凝土耐久性設(shè)計(jì)

本工程地下結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)主要考慮水中硫酸根離子和氯離子對(duì)混凝土及鋼筋的腐蝕。本工程耐久性防腐設(shè)計(jì)主要依據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50046-2008），同時(shí)參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476-2008）進(jìn)行。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》本工程地下室及基礎(chǔ)受到Ⅳ（除冰鹽等其他氯化物環(huán)境---氯鹽引起鋼筋銹蝕）和Ⅴ（化學(xué)腐蝕環(huán)境----硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕）環(huán)境類別共同作用。環(huán)境作用等級(jí)分別為Ⅳ-D(嚴(yán)重）和Ⅴ-C(中度）。因此本工程從結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制、混凝土材料、混凝土施工等方面進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

4.1結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)和裂縫控制

①直線型構(gòu)件最小截面的最小邊長不小于保護(hù)層厚度的6倍；曲線形構(gòu)件最小截面最小曲率半徑不小于保護(hù)層厚度的3倍。

②結(jié)構(gòu)的構(gòu)造應(yīng)有利于減小結(jié)構(gòu)變形而引起的約束應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的變形縫，施工縫位置應(yīng)盡量避開可能遭受最不利局部腐蝕性環(huán)境作用的部分。

③目前研究認(rèn)為，保護(hù)層厚度是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要因素之一，增大保護(hù)層厚度可以推遲鋼筋鈍化膜破壞的時(shí)間，同時(shí)增加混凝土抵抗鋼筋銹蝕造成的脹裂的能力。混凝土保護(hù)層厚度越大，氯離子擴(kuò)散到鋼筋表面的時(shí)間就越長，鋼筋開始銹蝕的時(shí)間就越長，同時(shí)，鋼筋銹蝕所需要的水，氧氣等物質(zhì)進(jìn)入鋼筋表面的時(shí)間也越長。由此可以看出混凝土保護(hù)層對(duì)鋼筋的保護(hù)作用是其他保護(hù)措施所無法取代的，進(jìn)而對(duì)整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也是至關(guān)重要的。本工程樁基設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了這一原則。

本工程樁基采用沖鉆孔灌注樁。規(guī)范規(guī)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C35，混凝土保護(hù)層厚度不小于55mm，考慮到日后樁基所處的工作環(huán)境及對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要性，樁基采用抗?jié)BS10，C40混凝土，樁基混凝土保護(hù)層厚度要求不小于85mm。底板及外墻保護(hù)層厚度不小于50mm。

④嚴(yán)格控制鋼筋混凝土表面裂縫寬度。外墻、底板，暴露面上的分布鋼筋配筋率（單位長度內(nèi)一側(cè)分布鋼筋面積mm2/mm與0.5h之比，其中h為構(gòu)件厚度，當(dāng)h大于500mm時(shí)按500mm計(jì)算）不宜低于0.6（用Ⅰ鋼筋時(shí)）、0.5%(H及鋼筋)和0.4%（Ⅱ級(jí)鋼筋），分布鋼筋間距不宜大于150mm。同時(shí)嚴(yán)格控制理論計(jì)算混凝土表面裂縫寬度不大于0.2mm。

4.2混凝土材料的設(shè)計(jì)

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性性設(shè)計(jì)與施工指南》推薦使用大摻量礦物摻合料高性能混凝土，本文認(rèn)為在條件都允許的條件下應(yīng)優(yōu)先采用大摻量礦物摻合料高性能混凝土，但由于多種原因施工方未能提供，混凝土材料設(shè)計(jì)主要依據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)參考《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》。考慮到本工程氯離子和硫酸根離子含量較高，設(shè)計(jì)中按強(qiáng)腐蝕等級(jí)對(duì)照《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行防腐措施。

①本工程承臺(tái)底板及外墻采用抗?jié)B等級(jí)為S10，C40混凝土。要求混凝土最大水灰比0.4，最小水泥用

量340kg/M3，水泥中的最大氯離子含量小于8%。同時(shí)要求水泥C3A的含量不宜大于8%。另《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)混凝土做了基本規(guī)定外，還對(duì)基礎(chǔ)、地梁的涂抹防腐措施做了明確的規(guī)定。由于本工程為帶地下室的一般民用工程，承臺(tái)地梁施工較一般工業(yè)建筑的獨(dú)立基礎(chǔ)+地梁的形式要復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)范中所規(guī)定的涂抹保護(hù)措施，因此本工程樁基、底板混凝土采用了適量添加防腐劑和摻阻銹劑的方法，以滿足防腐蝕要求。外墻混凝土表面涂刷環(huán)氧瀝青防腐蝕涂料，涂層厚度不小于1mm。

②骨料應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)固耐久，具有良好集配的天然河砂，碎石或卵石；細(xì)骨料不應(yīng)采用海砂；粗骨料的最大粒徑不宜超過25mm。粗骨料的壓碎指標(biāo)不大于7%，吸水率不大于2%，針，片狀顆粒不宜超過5%，粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)分別不低于0.7%和1%。

③外加劑中氯離子含量不得大于水泥質(zhì)量的0.02%，減水劑中的硫酸鈉含量不宜大于減水劑干重的10%

④拌合用水宜采用城市供水系統(tǒng)的飲用水，不得采用海水；鋼筋混凝土拌和用水的氯離子含量不宜大200mg/L.

4.3施工設(shè)計(jì)要求

①耐久性混凝土工程在正式施工前，應(yīng)針對(duì)工程的特點(diǎn)和施工環(huán)境與施工條件，會(huì)同設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理及商品混凝土供料單位各方，共同制定施工全過程和各個(gè)施工環(huán)節(jié)的治療控制和質(zhì)量保證措施。結(jié)構(gòu)表面混凝土的密實(shí)性、均勻性與良好的養(yǎng)護(hù)，混凝土保護(hù)層厚度的準(zhǔn)確性，裂縫控制應(yīng)是耐久混凝土施工質(zhì)量保證的重點(diǎn)。

②混凝土結(jié)構(gòu)的施工順序應(yīng)仔細(xì)規(guī)劃，以盡量減少新澆筑混凝土硬化收縮過程中的約束拉應(yīng)力與開裂。如墻、板分段分塊的間隔澆筑順序和設(shè)置后澆帶等。

③為保證混凝土抗?jié)B性能，在澆筑過程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的均勻性和密實(shí)性。特別對(duì)構(gòu)件棱角處，應(yīng)采取有效措施，使接縫嚴(yán)密，防止在混凝土振搗過程中出現(xiàn)漏漿。在澆筑及靜置過程中，應(yīng)采取措施防止裂縫，對(duì)混凝土的層降級(jí)塑性干縮產(chǎn)生的表面裂縫，應(yīng)及時(shí)予以處理。

④結(jié)構(gòu)表層混凝土的耐久性質(zhì)量很大程度上取決于施工養(yǎng)護(hù)過程中的濕度和溫度控制。在澆筑底板等大面積構(gòu)件應(yīng)盡量減少暴露的工作面，澆筑完后立即抹平，并用塑料薄膜緊密覆蓋（與混凝土表面之間不得留與空隙）防止表面水分蒸發(fā)。待混凝土初凝前后，卷起塑料薄膜用抹子搓壓表面至少兩遍，使之平整后再次覆蓋，至終凝后拆除塑料薄膜進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)。混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)的期限不應(yīng)小于7天，且養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)混凝土達(dá)到的最低強(qiáng)度（根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)的小試件測(cè)得，其養(yǎng)護(hù)條件與現(xiàn)場(chǎng)混凝土相同）與28天強(qiáng)度的比值應(yīng)不低于70%。在整個(gè)潮濕養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)根據(jù)混凝土溫度與氣溫的差別及變化，及時(shí)采取和調(diào)整措施，控制混凝土的升溫和降溫速率。

五、結(jié)語

目前民用建筑混凝土耐久性防腐設(shè)計(jì)主要依據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》。兩本規(guī)范各又特點(diǎn)，《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》除了對(duì)混凝土的基本規(guī)范外，主要體現(xiàn)在對(duì)構(gòu)件的外防護(hù)上。而《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》主要體現(xiàn)在通過使用大摻量礦物摻合料高性能混凝土，提高混凝土自身的密實(shí)度，來達(dá)到耐久性設(shè)計(jì)的要求?；炷聊途眯苑栏O(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，需要從材料性能，防護(hù)、構(gòu)造措施，施工條件，以及工程造價(jià)等多方綜合考慮。

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