混凝土結構耐久性研究及其設計方法

□李 瑩 劉 瑩

混凝土結構應用非常廣泛，但由于其材料和使用環(huán)境的特殊性，混凝土結構存在嚴重的耐久性問題，這個問題處理不好將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。本文試圖對混凝土結構的耐久性進行深入研究，并在此基礎上對水利工作中的具體問題進行剖析，以期對混凝土結構耐久性設計、施工和養(yǎng)護水平的提高有所幫助。

一、混凝土耐久性危機

（一）危機的表現(xiàn)

混凝土結構的設計壽命一般為50年，有的甚至要求上百年，而現(xiàn)實中處于腐蝕環(huán)境下的混凝土結構遠遠達不到設計壽命要求，有的15年左右就會出現(xiàn)鋼筋銹蝕，有的建筑甚至不足5年就需要修復。國內(nèi)外大量統(tǒng)計資料表明，因混凝土結構耐久性損傷造成的經(jīng)濟損失十分巨大，而且隨著環(huán)境的惡化，這一問題有愈演愈烈之勢。建設部于上世紀80年代的一項調查表明，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25～30年后即需大修，處于嚴酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對較好，一般可維持50年以上，但室外的陽臺、雨罩等露天構件的使用壽命通常僅有30～40年。橋梁等基礎設施工程的耐久性問題更為嚴重，由于鋼筋混凝土保護層過薄且密實性差，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂?；炷聊途眯該p傷引起的結構破壞具有數(shù)量大、分布廣、危害重、修復困難和經(jīng)濟損失巨大的特點，是一個迫切需要解決的問題。

（二）危機的原因

長期以來，對混凝土耐久性的研究和設計都建立在對混凝土滲透性評價的基礎上，典型的方法如壓力透水性試驗。其原因是在早期的混凝土中，化學外加劑的使用尚少，結構混凝土的水灰比通常較大，因而抗?jié)B透性能明顯低于硬化水泥漿體。

如今除了大壩等大型實體結構物以外，混凝土的設計強度等級常在C30 或者更高標準以上，只要其原材料和施工操作正常，滿足設計要求的滲透性可以說是正常現(xiàn)象。然而，在實際結構物中，完全遵循規(guī)范，正常施工的混凝土結構也會出現(xiàn)開裂，有時甚至出現(xiàn)大量的可見裂縫（許多情況下，并未出現(xiàn)可見表面裂縫，但那些肉眼看不見或難以看見的裂縫正是侵蝕介質進入混凝土，并引起各種膨脹產(chǎn)物生成的通道）。強度等級越高的結構混凝土，特別是摻有硅粉（本意是降低滲透性從而改善耐久性能）的混凝土，尤其容易出現(xiàn)大量裂縫。原因：除所用水泥活性高、用量較大、水化溫升顯著、降溫期間會引起劇烈的溫度收縮變形外，低水灰比導致的自身收縮增大及混凝土的粘彈性減小、抗裂性能及開裂后的自愈性能差等，也是引起當今結構物大量出現(xiàn)早期開裂的重要因素。

（三）混凝土抗裂性能與耐久性的比較分析

由于早期熱裂縫成為當今影響混凝土耐久性的焦點，因此模擬混凝土硬化早期的條件，包括本身的變形和外界的約束，以評價其抵抗開裂的性能就顯得十分重要。長期以來，人們沿用評價溫度收縮導致開裂的方法，包括水泥的水化熱和混凝土的絕熱溫升試驗，事實上并不能作為比較不同原材料的品質、判斷混凝土配合比可行性的有效方法。因為結構混凝土開裂趨勢的大小取決于一系列因素，例如變形受外界的約束程度等。而且混凝土初期的許多性能是劇烈變化的，例如彈性模量從0 開始，很快增大到10～30Gpa。為此，德國慕尼黑大學的Springensch mid 教授等人開發(fā)了開裂構架和溫度應力試驗機，用于實驗室模擬實際結構混凝土的抗裂性能參數(shù)，此項研究已經(jīng)應用于工程中。

與前述耐久性整體模型相聯(lián)系，將混凝土早期熱開裂和滲透性的評價結合，并將其在實驗室放置和暴露于實際工程環(huán)境中，作出比較正確的耐久性評價和結構使用壽命預測，顯然比現(xiàn)有的針對單因素，且局限于人為室內(nèi)環(huán)境的各種耐久性試驗更符合實際，因而說前者代表著耐久性評價方法的發(fā)展方向。

二、混凝土結構耐久性的設計方法

（一）幾類主要方法的比較分析

1.傳統(tǒng)法。針對不同類別的環(huán)境作用，通過混凝土材料控制和構造措施，滿足耐久性和使用壽命要求。如我國和Eurocode 混凝土結構設計規(guī)范對環(huán)境作用下的耐久性設計就采用此法，將環(huán)境作用分類，每類提出不同使用年限的不同要求。

2.指數(shù)（評分）法。環(huán)境指數(shù)小于等于耐久性指數(shù)，影響耐久性的因素分為8 類，共包括32個因素，分別評分后相加。

3.可靠度法。鋼筋混凝土結構的耐久性不足將會引起結構性能的劣化，從而使結構的可靠度降低。給出耐久性失效概率的分析方法，運用現(xiàn)階段研究成果解決混凝土結構耐久性設計問題。

4.系統(tǒng)工程方法。從方法論角度，指出用系統(tǒng)論方法研究混凝土耐久性，有利于從性能——結構——過程——環(huán)境的全局出發(fā)，揭示混凝土性能的演變規(guī)律。

5.全壽命分析方法。以“全壽命”為出發(fā)點，為保證規(guī)定的工程使用年限，采用技術、經(jīng)濟等合理的防護措施，貫徹實施全壽命經(jīng)濟分析法。

（二）設計的思路和方法

耐久性設計的目的是要滿足一定的使用年限，而其判斷的標準應是使用功能和是否滿足安全要求。面對耐久性問題更多的是需要設計者擁有計算分析之外的材料、化學、電化學、物理等方面的知識，耐久性設計的方法應該提供設計者廣泛的選擇機會，以便更多地考慮公眾、社會利益，貫徹可持續(xù)發(fā)展的要求。

采用分階段分層次設計方法是一個可行的途徑。在初步設計階段主要進行材料設計,在技術設計階段主要進行耐久性指標和計算分析指標的設計,在施工圖設計階段主要進行施工質量的控制與保證、構造措施與裂縫控制、定期維修與檢測等設計內(nèi)容。分層次主要是考慮設計對象的重要性和環(huán)境作用的大小，重要工程在環(huán)境作用比較大的情況下，要進行三個階段設計，一般工程在環(huán)境作用比較小的情況下，可僅進行一個階段設計，其他情況可以參照進行。

耐久性指標和計算分析指標的設計,可以將耐久性設計分析的專家知識與經(jīng)驗組織起來，形成具有一定規(guī)模的知識庫，在大量實驗的基礎上形成數(shù)據(jù)庫，將設計與分析計算方法形成具有一定功能的計算模塊，形成耐久性設計與分析軟件或系統(tǒng)，實現(xiàn)耐久性的計算機輔助設計。

三、水環(huán)境對混凝土性能的影響

混凝土結構經(jīng)常在水環(huán)境中工作，如大壩、過河橋梁的基礎及墩臺、海岸及近海岸的結構物、海洋采油平臺等等。由于混凝土具有毛細管—孔隙結構的特點，它與混凝土的一系列物理力學性質密切相關，這些毛細管—孔隙包括混凝土成型時殘留下來的氣泡，水泥石中的毛細管孔腔和凝膠孔，以及水泥石和集料接觸處的孔穴等。此外，還可能存在著由于水泥石的干燥收縮和溫度變形而引起的微裂縫。在水壓力的作用下，水就會滲透到混凝土的孔隙和裂縫中，致使混凝土結構物一方面承受著上部荷載和外界水壓力以及孔隙水壓力的作用，處在一種比較復雜的應力狀態(tài)，另一方面又承受著水中化學物質的侵蝕作用，使混凝土的力學性能發(fā)生變化。

（一）水的化學作用對混凝土耐久性的影響

水對混凝土的化學腐蝕包括水分的進入、作為腐蝕劑的載體、成為有害反應中的參與者等。水的化學腐蝕可分為混凝土組分的浸出、分解與結晶膨脹?；炷寥缡艿郊兯⒂晁群}較少的軟水侵蝕時，水化物中的Ca(OH)2很容易被水溶解浸出。在靜水中，隨著水中Ca(OH)2濃度的提高，溶出作用會減緩或者達到飽和而終止。但在流動的水中，Ca(OH)2會不斷地被溶出帶走，使混凝土中形成較大的空隙，從而導致混凝土強度不斷降低。例如，小豐滿水電站水壩的破壞就是典型的混凝土組分溶出破壞，破壞時混凝土中已經(jīng)形成了很大的孔洞。

水對混凝土的化學侵蝕，不僅與水中各種有害物質的濃度有關，而且與混凝土結構的應力水平有關。隨著應力水平的提高，水中混凝土的強度和變形性能明顯降低，如在鹽酸溶液中腐蝕50 天的混凝土試件，應力水平為0%時，彎拉強度剩余率為81%；應力水平為60%時，彎拉強度剩余率為74%，且混凝土的抗疲勞性能要比混凝土的靜態(tài)性能明顯降低。在高濃度、高應力狀態(tài)下，混凝土很快就會受到嚴重的侵蝕而發(fā)生破壞。當水溶液中的硫酸根離子濃度較低時，混凝土只有在較高的應力水平下，才會出現(xiàn)侵蝕加劇現(xiàn)象；而當水溶液中的硫酸根離子濃度較高時，在無應力狀態(tài)下混凝土就已經(jīng)受到了較大的侵蝕。在混凝土的應力水平達到40%左右時，混凝土在較短的時間內(nèi)就會因受到嚴重的侵蝕而發(fā)生斷裂。

實際上，混凝土的化學損傷和應力有關的主要原因是受混凝土滲透性的影響，當混凝土中的應力達到一定的水平時，混凝土的滲透性明顯增大，混凝土受化學物質的損傷也在增大；當應力水平低于0.5fc（混凝土的軸心抗壓強度）時，混凝土的滲透性無明顯改善，主要是因為此時有部分混凝土的微裂縫產(chǎn)生閉合。當超過此應力水平時，混凝土的滲透性明顯增大。

（二）水的力學作用對混凝土性能的影響

水對混凝土的力學作用，主要是外部靜水壓力作用，水通過滲流而建立的孔隙水壓力對混凝土材料的作用。傳統(tǒng)理論中關于混凝土力學性能的研究是建立在兩相基礎上，即忽略混凝土中的孔隙和缺陷，認為混凝土是由集料和灰漿兩相組成。研究表明混凝土的力學性能受孔隙、孔隙水含量、孔隙的離散和混凝土材料滲透性等的影響很大，因此要研究混凝土在水壓力作用下的力學行為，必須考慮混凝土的孔隙、微裂縫、界面裂縫以及它們之間連通程度的影響，此時混凝土應該看成為三相或多相材料，即將混凝土中的孔隙、孔隙水和裂縫、裂縫水等看成三相或者多相。

通過以上論述，可以得到以下基本認識：混凝土中孔隙水壓力的分布情況主要和混凝土的體積變形及飽和度有關；孔隙水壓力對混凝土力學性能的影響，主要取決于混凝土的受力類型。在靜壓作用下，飽和混凝土強度降低，徐變量增加，孔隙水對混凝土產(chǎn)生不利影響；而在動荷載作用下，飽和混凝土的強度有所增加，孔隙水對混凝土產(chǎn)生有利影響。要建立合理的水與混凝土相互作用的力學模型，需要宏、細觀力學的相互結合，滲流力學與混凝土力學的相互耦合，如將混凝土的變形和孔隙水壓力結合起來考慮，二者之間相互影響并納入以下一些因素的影響：混凝土飽和度的變化、混凝土中液體和氣體對混凝土力學性能的不同影響及二者之間的體積變換等等。

目前研究中把水對混凝土的化學和力學作用分開討論，還沒有形成有機的統(tǒng)一，且化學損傷后混凝土力學行為的研究多是建立在單因素影響基礎之上，沒有考慮到多因素的相互作用。而要建立比較完善的水與混凝土相互作用理論，就必須將二者結合起來進行研究。

四、結束語

黨的十八大報告明確提出：“加強社會建設，必須以保障和改善民生為重點。”對混凝土結構耐久性的深入研究，關系著人民群眾最直接的現(xiàn)實利益，對深入貫徹落實科學發(fā)展觀、全面建成小康社會具有重大的理論和實踐意義。努力把這項工作做好，是實現(xiàn)好、維護好最廣大人民根本利益的要求，也是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求。