混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性環(huán)境區(qū)劃和設(shè)計方法研究

趙朋龍，張紅宇

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，沈陽11000)

0 前 言

混凝土結(jié)構(gòu)成為主要的建筑結(jié)構(gòu)以來，不斷優(yōu)化混凝土的使用技術(shù)，起初人們只看到了混凝土抗壓穩(wěn)固等特點(diǎn)，而忽視了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題。在混凝土的使用過程中，人們也漸漸開始意識到混凝土在使用中結(jié)構(gòu)的耐久性對工程的影響，尤其是鋼筋混凝土［1］。

現(xiàn)如今，混凝土的使用過程中，耐久性問題也成為工程學(xué)術(shù)主要關(guān)注的問題。對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，要從材料碳化、氯離子侵蝕、凍融問題、堿反應(yīng)還有物理環(huán)境作用等多方面入手，包括鋼筋混凝土中鋼材銹蝕力學(xué)特征、鋼筋與混凝土連接性能及承載力計算等等。研究方法有簡單項(xiàng)目到復(fù)雜復(fù)合項(xiàng)目，盡可能擬合實(shí)際混凝土使用過程中結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)律，更好的讓混凝土材料在建筑工程中發(fā)揮作用［2］。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的區(qū)域差異及自然環(huán)境差異

混凝土結(jié)構(gòu)在建筑使用過程中，基本都是長時間暴露在所在環(huán)境中，面臨著各種暴露條件，而混凝土結(jié)構(gòu)在使用中的結(jié)構(gòu)耐久性又與所處的環(huán)境有著最為直接的關(guān)系。

在復(fù)雜的外界環(huán)境變化中，一種或者多種自然因素，混凝土材料受到相應(yīng)的環(huán)境影響，材料的物理和化學(xué)性質(zhì)有可能發(fā)展一些衰退或者弱化，譬如混凝土中性開裂［3］。

因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)使用條件多種多樣，混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)環(huán)境因素產(chǎn)生的變化也就各有不同，如因?yàn)榭諝饣瘜W(xué)組成或者氣候，混凝土可能產(chǎn)生碳化、化學(xué)侵蝕等現(xiàn)象。受地理和自然環(huán)境特點(diǎn)的影響，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在著明顯的區(qū)域特征。不同的地區(qū)有著不同的自然影響因素，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)椴煌惢瘷C(jī)理而產(chǎn)生不同的耐久劣化問題，而且混凝土結(jié)構(gòu)耐久劣化程度也與所處環(huán)境有著明顯的關(guān)系［4］。

1.1 耐久性劣化機(jī)理與地區(qū)差異

我國幅員遼闊，有著多種多樣的氣候環(huán)境，就溫度和濕度來看，北方氣候趨于寒冷，南部氣候潮濕，且受海洋氣候的影響。

因此混凝土結(jié)構(gòu)在北方環(huán)境中往往會出現(xiàn)因?yàn)閮鋈诙a(chǎn)生結(jié)構(gòu)體損傷;南部地區(qū)空氣濕度大，受到海洋對空氣組成的影響，混凝土容易出現(xiàn)離子化學(xué)銹蝕;而在中部地區(qū)，氣候相對溫和，但也受到一部分海洋的影響，所以在這些地區(qū)凍融和侵蝕都應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注。

在北部環(huán)海地區(qū)，冬季常使用除冰鹽對路面進(jìn)行處理，此時還要注意鹽蝕對混凝土結(jié)構(gòu)耐久度的影響。大體上看，我國主要呈現(xiàn)出“北凍南銹”的趨勢，這也是最直觀的耐久性與空間分布的關(guān)系［5－6］。

1.2 相同劣化機(jī)理在不同環(huán)境下的差異

不同地區(qū)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化有著不同的影響，而相同的劣化機(jī)制在不同的地區(qū)也有著不同的影響程度。比如混凝土結(jié)構(gòu)的碳化問題，就標(biāo)準(zhǔn)使用環(huán)境對未來耐久年限進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)各個地區(qū)存在較大差異。

從整體數(shù)據(jù)來看，北方氣候較為寒冷的地區(qū)，如哈爾濱和烏魯木齊等，耐久年限預(yù)測可以達(dá)到120 a左右，而中部地區(qū)如北京和上海等，耐久年限預(yù)測只有100 a，南方如廣州，耐久年限預(yù)測則不到80 a。

2 基于自然區(qū)劃的研究

受到地域及地區(qū)分布差異的影響，自然環(huán)境存在著顯著的區(qū)域性差異，這些差異在生產(chǎn)建設(shè)中都會產(chǎn)生一定的作用。

區(qū)劃簡單來說就是劃分區(qū)域，在國家或地區(qū)的區(qū)域范圍內(nèi)，根據(jù)地域差異性將整體區(qū)域細(xì)化成不同區(qū)劃，根據(jù)不同的差異參考，可以分成經(jīng)濟(jì)區(qū)劃、自然區(qū)劃、地理區(qū)劃和綜合區(qū)劃等［7］。

2.1 第一類自然區(qū)劃

第一類自然區(qū)劃是指完全按照自然環(huán)境因素進(jìn)行劃分的區(qū)域，只關(guān)注本身的自然特征和固有規(guī)律。具有代表性的自然區(qū)劃有綜合自然區(qū)劃，地形地貌區(qū)劃、土壤區(qū)劃、水文區(qū)劃、植被區(qū)劃等。這些區(qū)劃最主要的特點(diǎn)就是關(guān)注自然本身的固有屬性，如地形，水質(zhì)等等。

自然區(qū)劃還會根據(jù)地理空間的分布，是區(qū)域內(nèi)規(guī)劃具有最相似的自然特點(diǎn)，方便針對某一自然因素進(jìn)行分析［8］。

2.2 第二類自然區(qū)劃

該類區(qū)劃在關(guān)注自然因素的同時，將重點(diǎn)更多的放在與自然相關(guān)的生產(chǎn)建設(shè)活動上，按照該區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)的實(shí)際需要，從自然環(huán)境因素中選擇可供分類的指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。

代表性區(qū)劃有建筑與氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)與氣候區(qū)劃、公路與自然區(qū)劃、凍土區(qū)劃等。這些區(qū)劃主要是根據(jù)所在地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)需求和建設(shè)需求，以相互關(guān)系為中心建立起來的。這類區(qū)劃針對生產(chǎn)建設(shè)活動，聯(lián)系自然環(huán)境特點(diǎn)，滿足人類活動的實(shí)際需求，能夠?yàn)榘l(fā)展規(guī)劃和充分利用自然資源提供良好的支持［9］。

3 環(huán)境因素與混凝土耐久預(yù)測研究

環(huán)境對混凝土的影響機(jī)理上文也有提到，多是碳化、物理侵蝕、化學(xué)侵蝕等，堿化反應(yīng)和生物侵蝕研究的較少，在環(huán)境影響因素中關(guān)系較為具體，混凝土混合水中堿環(huán)境、混凝土接觸突然環(huán)境等與混凝土結(jié)構(gòu)耐久有著更加直接的關(guān)系，所以該類影響更傾向于具體實(shí)地研究［10］。

3.1 混凝土碳化預(yù)測研究

一般來說，對于過程的預(yù)測可以利用已有的定律進(jìn)行主要分析，在根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的修正，可以有較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

假設(shè)CO2在混凝土中的擴(kuò)散遵循菲克第一定律，以CO2濃度線性變化分布為主，通過特殊的測量手段可以發(fā)現(xiàn)模型中混凝土結(jié)構(gòu)的碳化程度與CO2的擴(kuò)散時間是成正比的。因?yàn)榛炷猎谑褂弥锌箟耗芰κ侵饕男阅苤笜?biāo)，測試數(shù)據(jù)也比較容易獲得，所以在原有模型的基礎(chǔ)上增加了混凝土結(jié)構(gòu)抗壓測試的新模型更具有說服力［11］。

在分別建立了暴露條件和非暴露條件下的實(shí)驗(yàn)，考慮部分不確定因素，提出了混凝土結(jié)構(gòu)的碳化程度與CO2擴(kuò)散濃度、所處環(huán)境溫度和相對濕度都有著一定的關(guān)系。

綜上所述，在研究混凝土結(jié)構(gòu)碳化的過程中，對于環(huán)境因素的分析多集中在環(huán)境溫度、相對濕度和CO2濃度等幾個方面，這與前文提到的環(huán)境區(qū)劃匹配相對應(yīng)。就碳化程度一個方面來說，其他環(huán)境因素，如風(fēng)力影響、日照影響等就需要結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行考察，這些因素的考量也更適合在主要因素區(qū)劃內(nèi)部進(jìn)行針對性修正。

3.2 化學(xué)侵蝕預(yù)測研究

菲克第二定律概括的表述了氯離子在混凝土材料中的擴(kuò)散規(guī)律，該定律也是現(xiàn)行主要的氯離子侵蝕處理方法的參考。其中提到的氯離子擴(kuò)散因子、混凝土結(jié)構(gòu)表面離子濃度和使用時間系數(shù)，是主要的規(guī)律參數(shù)，針對這些參數(shù)的研究能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)侵蝕模型做出更好的分析總結(jié)［12］。

混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子濃度因子與使用時間系數(shù)成冪函數(shù)關(guān)系，在加入了環(huán)境溫度的影響，還要將氯離子濃度滲透程度與表面氯離子濃度指數(shù)考慮進(jìn)來。

混凝土的使用齡期在混凝土模型研究中也有著重要的作用，其系數(shù)的確定與混凝土材料組成有關(guān)，也與水的比例、環(huán)境溫濕度有關(guān)。直接關(guān)系表現(xiàn)為，齡期衰減系數(shù)與衰減速度成正比。也就是說齡期系數(shù)隨著混凝土水比例的增加而降低，水膠比＞0.5 的則呈相反的變化規(guī)律。

綜上所述，氯離子對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕作用主要參考菲克第二定律，通過有限數(shù)學(xué)統(tǒng)計對模型進(jìn)行修復(fù)，并增加混凝土結(jié)構(gòu)表面氯離子隨時間變化關(guān)系。在考慮自然環(huán)境因素時，對于混凝土所處水環(huán)境及離子擴(kuò)散的研究更為重要，并且環(huán)境氯離子和溫濕度條件也是裂化現(xiàn)象主要參考。

4 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性區(qū)劃設(shè)計需要注意的問題

不同的區(qū)域有著不同的環(huán)境特征，而區(qū)劃的設(shè)計與規(guī)劃最重要的就是要找到共同特點(diǎn)，將區(qū)域通過共同特征進(jìn)行整合，在通過差異進(jìn)行區(qū)分，這樣形成的區(qū)劃則更有利于環(huán)境特征的分析和決策。

4.1 水平區(qū)域差異的考量

地理環(huán)境氣候的影響，主要表現(xiàn)在地理區(qū)域的水平差異上，因?yàn)檫@種差異，使環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化也跟著產(chǎn)生不同的表現(xiàn)特征。

在區(qū)域環(huán)境的條件下，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性主要表現(xiàn)在不同地區(qū)的不同環(huán)境特點(diǎn)，導(dǎo)致了不同的結(jié)構(gòu)劣化機(jī)理;同時也表現(xiàn)在相同耐久性劣化機(jī)理在不同環(huán)境特點(diǎn)下的程度差異。

所以在設(shè)計規(guī)劃混凝土結(jié)構(gòu)耐久度環(huán)境區(qū)劃時，可以就這些規(guī)律進(jìn)行考量。第一可以將不同環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化機(jī)理進(jìn)行對比研究，具有相似劣化機(jī)理的可以劃分為統(tǒng)一區(qū)劃;第二可以針對某一地區(qū)具有相同的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化機(jī)理，從大的環(huán)境區(qū)域中對比分析不同區(qū)域環(huán)境對劣化程度的影響，以此來確定環(huán)境作用區(qū)劃。

4.2 縱向空間差異的考量

在混凝土結(jié)構(gòu)的使用過程中，結(jié)構(gòu)作用特點(diǎn)使得整體影響出現(xiàn)差異，不同的作用區(qū)域可能有著不同的劣化機(jī)理與程度。例如結(jié)構(gòu)接觸土壤的部分與頂層部分受到的化學(xué)侵蝕程度會有所不同，頂部受到的物理風(fēng)力影響也相對比根基位置要深。

這就是混凝土結(jié)構(gòu)在使用時存在的縱向局部差異。該差異主要考量因素有海拔、太陽高度角、建筑密度等。對于該類差異進(jìn)行區(qū)劃設(shè)計，第一要明確環(huán)境自身存在的差異，明確混凝土耐久性適應(yīng)的基本原則;第二對區(qū)域內(nèi)的局部環(huán)境進(jìn)行分層分析，選擇相對基準(zhǔn)的參考環(huán)境進(jìn)行考慮。

總而言之，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性環(huán)境區(qū)劃的設(shè)計一方面要針對環(huán)境因素，另一方面還要針對環(huán)境與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)關(guān)系進(jìn)行考慮。在混凝土結(jié)構(gòu)自身屬性完善的過程中，從區(qū)域角度優(yōu)化耐久性設(shè)計，能夠更好的發(fā)揮混凝土的作用，合理運(yùn)用環(huán)境因素來消除不良影響。

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