混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)劃與耐久性設(shè)計(jì)方法探討

【摘要】混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與其所處的工作環(huán)境以及內(nèi)部因素等均有關(guān)系，根據(jù)環(huán)境對混凝土耐久性的影響來區(qū)劃實(shí)際工程的環(huán)境，這對于混凝土耐久性的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。本文對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)劃與耐久性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究與探討。

【關(guān)鍵詞】混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；環(huán)境區(qū)劃

引言

混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件抵御化學(xué)侵蝕、大氣影響等劣化因素的能力就是耐久性。研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在耐久性提前失效以及耐久性不足等問題，處于海水、寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題尤為嚴(yán)重[1]?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性與混凝土材料的質(zhì)量、均勻性以及鋼筋與混凝土的相互作用等具有一定關(guān)系，而工作環(huán)境的差異讓該問題更加復(fù)雜?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性區(qū)劃注重對混凝土結(jié)構(gòu)抵抗外界環(huán)境作用能力的研究，并探討不同環(huán)境下對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行量化的方法，以此為混凝土的耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境影響因素分析

混凝土耐久性的環(huán)境影響因素可以分為氣候條件與侵蝕介質(zhì)這兩個(gè)方面，主要有溫濕度、二氧化碳、氯鹽等，通過分析不同環(huán)境因素對混凝土劣化的影響，為明確環(huán)境作用指標(biāo)提供參考。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要環(huán)境影響因素有以下幾個(gè)方面：

1.1所在環(huán)境的溫度

混凝土結(jié)構(gòu)的碳化反應(yīng)速度與溫度有很大的關(guān)系，在相對濕度、二氧化碳濃度等條件相同的情況下，溫度越高，碳化反應(yīng)的速度越快。在出現(xiàn)凍融循環(huán)的情況下，溫度越低，混凝土結(jié)構(gòu)的降溫速度越快，這樣在確定的時(shí)間內(nèi)將出現(xiàn)更多次的凍融循環(huán)，對混凝土結(jié)構(gòu)會造成很大的破壞。如果混凝土結(jié)構(gòu)處于硫酸鹽侵蝕的環(huán)境下，溫度升高會加快硫酸鹽擴(kuò)散的速度，也加快了化學(xué)反應(yīng)的速度，同時(shí)溫度偏高或偏低對硫酸鹽的侵蝕均有影響。此外，隨著溫度的升高，氯離子的擴(kuò)散速度會逐漸增大[2]。

1.2相對濕度

混凝土表明的水分在吸附與滲透作用下會進(jìn)入混凝土的間隙中，讓混凝土中的孔隙水增多，而相對濕度與孔隙水的飽和度密切相關(guān)，降水較多以及相對濕度大的環(huán)境下孔隙水的飽和度更高。同時(shí)相對濕度對于混凝土內(nèi)部的碳化反應(yīng)也有影響，研究表明[3]，相對濕度與碳化反應(yīng)之間呈拋物線的關(guān)系。而氯離子對混凝土的侵蝕與孔隙水有一定的關(guān)系，混凝土表面氯離子的滲透、擴(kuò)散的載體就是孔隙水。混凝土中孔隙水的飽和度與其抗凍能力也有關(guān)系，在相對濕度大的地區(qū)需要混凝土有較大的抗凍能力。此外，在相對濕度大的地區(qū)，發(fā)生堿-集料反應(yīng)的頻率越高，要避免該反應(yīng)應(yīng)該保障相對濕度在50%以下。

1.3侵蝕離子的濃度

混凝土結(jié)構(gòu)中離子的擴(kuò)散是由于內(nèi)外濃度不同導(dǎo)致的，如果混凝土表面的離子濃度過高會增大內(nèi)外的濃度差，并加快離子擴(kuò)散的速度?；炷两Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境中的二氧化碳越多，發(fā)生碳化反應(yīng)的速率越快。在正常環(huán)境下，不同區(qū)域二氧化碳的濃度差別不大，對碳化反應(yīng)速率的影響沒有多大差異。靠近海洋的陸地上混凝土表面氯離子濃度的變化與靠近海岸的距離、風(fēng)速有關(guān)，也與海水表面氯離子的濃度有關(guān)，而氯離子對碳化反應(yīng)速率影響很大。此外，在一定條件下硫酸根離子的濃度越大，混凝土結(jié)構(gòu)的抗衰減速率就越大，在不同的硫酸根離子濃度下其反應(yīng)機(jī)理以及生成物也存在差異。

1.4環(huán)境的PH值

混凝土所在環(huán)境中侵蝕液的PH值減小，其抗侵蝕能力也會隨之降低。侵蝕溶液的PH值與侵蝕反應(yīng)密切相關(guān)，如果城市污水或酸雨的PH值在8.6以下，即使加入混合劑也會讓讓混凝土結(jié)構(gòu)受到侵蝕。

2.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)域等級的劃分

2.1不同地區(qū)混凝土耐久性年限的計(jì)算

根據(jù)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境影響因素分析，我們可以設(shè)置一個(gè)混凝土保護(hù)層厚度的正態(tài)分布模型，混凝土的強(qiáng)度為對數(shù)正態(tài)分布，設(shè)置變異系數(shù)為0.11。根據(jù)全國各地的實(shí)際環(huán)境，通過蒙特卡羅法對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部條件進(jìn)行預(yù)測，然后在滿足混凝土可靠性以及規(guī)定極限狀態(tài)的情況下，得出全國各地混凝土結(jié)構(gòu)的耐久年限。根據(jù)該方案可知除了我國南方部分高溫地區(qū)以外，新疆西部以及華北混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性年限最短，可見環(huán)境因素的影響最大。這些地區(qū)的年均溫度比較高，相對濕度在50%左右時(shí)碳化反應(yīng)的速率最快[4]。根據(jù)耐久年限的情況，混凝土結(jié)構(gòu)劣化情況從嚴(yán)重到輕微依次為西北與華北、華東與華中、西南以及東北，華南地區(qū)的相對溫度與濕度均較高，由于受到溫度的影響碳化反應(yīng)速率也較快。

2.2根據(jù)耐久性年限劃分區(qū)域

對我國部分特征城市的耐久性年限進(jìn)行計(jì)算，然后使用直方圖對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，如圖1所示，使用N代表頻數(shù)。從圖1可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部參數(shù)確定的條件下，我國大部分地區(qū)的混凝土耐久性年限范圍為50至200a。在正常情況下大氣環(huán)境對凍融以及氯鹽的影響很小，對耐久性指標(biāo)的要求也不高[5]。

由于混凝土耐久性年限的范圍相對較大，單純根據(jù)年限來劃分區(qū)域并不合理，這是因?yàn)椋海?）混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的厚度與耐久性年限密切相關(guān)，在某些碳化反應(yīng)侵蝕較輕微的地區(qū)，適當(dāng)增加保護(hù)層的厚度就可以提高混凝土的耐久年限；（2）各地區(qū)的耐久年限是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得出的，如果參考條件改變，耐久年限也會隨之發(fā)生變化，因此不可選取固定的年限。根據(jù)上述分析，可以選擇一定確定的年限，采用分析不同地區(qū)碳化反應(yīng)深度與在標(biāo)準(zhǔn)條件下使用年限之間的關(guān)系，將年限作為主導(dǎo)進(jìn)行區(qū)域劃分。下圖2為在50a耐久年限的碳化反應(yīng)深度與確定保護(hù)層厚度下耐久年限之間的關(guān)系曲線。從圖2可以看出在年限超過200a時(shí)，可以忽略各地區(qū)碳化反應(yīng)的侵蝕。

2.3環(huán)境區(qū)劃與特性分析

由于在區(qū)域等級相同的情況下，混凝土的劣化梯度相等，根據(jù)這個(gè)原則可以將在200a以內(nèi)的碳化深度情況分為五個(gè)區(qū)間，進(jìn)而得出在碳化反應(yīng)機(jī)理下不同地區(qū)的混凝土耐久性分區(qū)圖，如下圖3所示。一共將耐久性劃分為0-5這六個(gè)等級，并且侵蝕程度依次遞增。

3.環(huán)境區(qū)劃在耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在一般大氣環(huán)境下對北京市某具體工程進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，并結(jié)合上述環(huán)境區(qū)劃圖，具體的耐久性設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）根據(jù)工程的地理位置，從上圖3中確定混凝土環(huán)境區(qū)劃的等級，從圖中可以看出北京市為4級。（2）根據(jù)確定的耐久性環(huán)境區(qū)劃等級，結(jié)合混凝土耐久性區(qū)域的環(huán)境特征以及環(huán)境的影響程度，來確定該工程的環(huán)境作用情況。（3）根據(jù)已知的環(huán)境作用情況，結(jié)合混凝土耐久性的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。（4）設(shè)計(jì)完成后對相關(guān)方案進(jìn)行審核，對實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、構(gòu)造條件等進(jìn)行預(yù)測，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)與耐久年限的要求相符，如果不符合需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.結(jié)語

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，很難對其進(jìn)行定量設(shè)計(jì)。為了保障混凝土結(jié)構(gòu)耐久性區(qū)劃能夠直接為耐久性設(shè)計(jì)提供參考，還需要得到與區(qū)域等級相對應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)建議值，同時(shí)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境區(qū)劃研究還需要不斷完善。

參考文獻(xiàn)

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