砼結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)

顧曉鋒

摘要：在我國目前的大量建筑工程當(dāng)中，新建和返修的項(xiàng)目當(dāng)中均大量運(yùn)用了砼結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)，其耐久性問題在發(fā)達(dá)國家當(dāng)中也成為了主流性的關(guān)注重點(diǎn)。因此，對于砼結(jié)構(gòu)耐久性的研究應(yīng)積極參照可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)化分析，進(jìn)行系統(tǒng)化、科學(xué)化的研究，將砼結(jié)構(gòu)的耐久度設(shè)計(jì)、判定評估以及項(xiàng)目整體的使用壽命進(jìn)行全面判定，這樣才能對砼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化與完善，并且將施工項(xiàng)目的使用壽命提高到新的層次，也是強(qiáng)化我國建筑領(lǐng)域的重要措施之一。本文對砼結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：砼結(jié)構(gòu)；耐久性；設(shè)計(jì)；方法

由于影響砼結(jié)構(gòu)物耐久性因素非常復(fù)雜，有的是不可預(yù)見的，因此對嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的原有結(jié)構(gòu)要進(jìn)行定期檢測，對于正在進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物，要進(jìn)行工程分析，調(diào)查所在地的水文、地下水以及污染源，摸清所在地區(qū)原有結(jié)構(gòu)物腐蝕情況，做到科學(xué)設(shè)計(jì)與施工。要達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的預(yù)定目標(biāo)，必須要求科學(xué)地分析客觀環(huán)境，找出結(jié)構(gòu)物所處位置的污染因子，進(jìn)行工程分析，并轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思路，從強(qiáng)度設(shè)計(jì)到性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，只有采用正確的設(shè)計(jì)，選用正確的材料，進(jìn)行正確的施工，加強(qiáng)正常的養(yǎng)護(hù)，這些需要建設(shè)單位、設(shè)計(jì)人員、施工方和用戶共同參與，才能延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命。

一、砼結(jié)構(gòu)的耐久性概述

在深入研究砼結(jié)構(gòu)耐久性的過程中，應(yīng)對其不斷的進(jìn)行總結(jié)，而所謂的耐久性就是指砼的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在事前可以預(yù)測到的工作環(huán)境中，并且在很多外界因素的影響下，在規(guī)范的時(shí)間內(nèi)對污染物侵蝕、天氣以及使用等各種因素所導(dǎo)致的劣化作用進(jìn)行抵抗的過程，在這段抵擋外界因素的規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)，不用采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)和維修的措施就可以繼續(xù)發(fā)揮固有的作用，充分地保證了砼結(jié)構(gòu)的安全性和實(shí)用性，使其符合工程項(xiàng)目的實(shí)際要求。在定義砼結(jié)構(gòu)耐久性的過程中，對于其影響的因素主要?dú)w納為三個(gè)方面，分別為功能、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)，而在特定的條件下，外界的不可抗拒的因素肯定也會(huì)侵蝕砼結(jié)構(gòu)的耐久性，另外，砼自身結(jié)構(gòu)是很難保證絕對穩(wěn)定的，隨著時(shí)間的不斷推移，砼結(jié)構(gòu)的耐久性肯定也是逐步的降低的，因此，在道路工程以及建筑工程等項(xiàng)目的使用過程中，砼結(jié)構(gòu)在正常和自然的損耗下，其耐久性就也會(huì)受到不同程度的影響。在此行業(yè)中，對砼結(jié)構(gòu)的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)地分析，根據(jù)其實(shí)際的應(yīng)用情況一共將其分為了六大應(yīng)用環(huán)境，即海洋、大氣、化學(xué)物質(zhì)、環(huán)境水、土壤以及特殊工作環(huán)境，而對于砼結(jié)構(gòu)的耐久性來說，其是結(jié)構(gòu)自身的一種綜合性能，對結(jié)構(gòu)的整體承載力和正常使用會(huì)產(chǎn)生一定的影響，并且隨著時(shí)間的不斷推移，在計(jì)算砼結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和承載能力的過程中，也應(yīng)將其耐久性納入進(jìn)來。

二、砼結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1、內(nèi)部因素

（1）砼的堿- 骨料反應(yīng)

堿- 骨料反應(yīng)一般指水泥中的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)，生成堿- 硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成砼開裂。其引起的砼結(jié)構(gòu)破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果也更為嚴(yán)重。而且堿-- 骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，所以有時(shí)也稱堿- 骨料反應(yīng)是砼結(jié)構(gòu)的“癌癥”。

（2）砼的碳化

砼的碳化是指砼中氫氧化鈣與滲透進(jìn)砼中的二氧化碳和其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。正常情況下砼呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到“鈍化”保護(hù)作用。而碳化的實(shí)質(zhì)是砼的中性化，砼的堿性降低，鈍化膜遭到破壞，使砼失去對鋼筋的保護(hù)作用。碳化同時(shí)也會(huì)加劇砼的收縮，致使砼出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。

2、外部因素

（1）侵蝕性介質(zhì)的腐蝕

當(dāng)砼結(jié)構(gòu)處在有侵蝕性介質(zhì)作用的環(huán)境時(shí)，會(huì)引起水泥石發(fā)生一系列化學(xué)、物理與物化變化，而逐步受到侵蝕，嚴(yán)重的使水泥石強(qiáng)度降低，以至破壞。常見的化學(xué)侵蝕可分為淡水腐蝕、一般酸性水腐蝕、碳酸腐蝕、硫酸鹽腐蝕等幾類。

（2）砼的凍融破壞

砼的抗凍性是砼受到物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）后反映砼耐久性的重要指標(biāo)之一。砼凍融作用破壞機(jī)理是砼在其凍融的過程中，遭受的破壞應(yīng)力，損傷砼內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴(kuò)大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使砼的強(qiáng)度逐步降低，最后甚至完全喪失。

（3）鋼筋的銹蝕

砼中鋼筋的銹蝕是一個(gè)電化學(xué)過程，電化學(xué)腐蝕是砼結(jié)構(gòu)中最常見的影響耐久性的問題，尤其是氯離子腐蝕。氯離子的侵入會(huì)使鋼筋表面的鈍化膜迅速破壞，引起鋼筋銹蝕，大量的鐵銹使砼體積膨脹，導(dǎo)致砼沿保護(hù)層發(fā)生縱向裂縫，造成鋼筋與砼之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減少，使結(jié)構(gòu)的承載力降低，變形和裂縫增大。并隨著時(shí)間的推移，腐蝕會(huì)逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。

（4）施工因素影響

砼材料本身質(zhì)量低下以及骨料級配不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致砼耐久性能下降；施工過程中工人操作不當(dāng)?shù)热藶橐蛩卦斐傻捻沤Y(jié)構(gòu)的內(nèi)、外部缺陷，也會(huì)使砼容易遭到破壞；而如果水灰比控制不當(dāng)，砼的密實(shí)性就降低，抗?jié)B性就變差，直接影響到砼的耐久性。

三、提高砼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法

1、合理選擇砼結(jié)構(gòu)的組成材料

骨料是砼的主要組成成分，在砼混合料中約占70%。粗骨料壓碎指標(biāo)增大，砼強(qiáng)度下降；粗骨料的表面愈粗糙，其配制的砼強(qiáng)度愈高。骨料粒徑增大，砼的強(qiáng)度提高，而在高于15 mm后，粗骨料粒徑愈大，砼強(qiáng)度愈低。水泥是促使砼成型的膠凝材料，依據(jù)其使用功能和組成成分的不同劃分為許多種類，其中硅酸鹽水泥砼是目前應(yīng)用最廣的砼結(jié)構(gòu)組成材料，但硅酸鹽水泥固有的多孔性帶來兩大缺點(diǎn)，即強(qiáng)度不高和耐久性差。摻加高效減水劑可以減少砼中的用量水，降低水膠比，對提高砼強(qiáng)度、耐久性以及增強(qiáng)砼的使用性能具有顯著的效果。隨著砼用鋼筋強(qiáng)度等級進(jìn)一步提高，低等級鋼筋使用率呈下降趨勢，高等級鋼筋被越來越多的砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用。

2、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的選型、布置和構(gòu)造應(yīng)有利于減輕環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)的作用。采用具有防腐保護(hù)的鋼筋（例如，體外預(yù)應(yīng)力筋，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，環(huán)氧涂層鋼筋等）；加強(qiáng)構(gòu)造配筋，控制裂縫發(fā)展；加大砼保護(hù)層厚度等。《橋規(guī)》與舊《橋規(guī)》相比，加外加劑，摻用超細(xì)活性摻合料，它的研制和應(yīng)用解決的核心問題之一就是保證耐久性。由于高強(qiáng)砼的密實(shí)性能好，抗?jié)B、抗凍性能均優(yōu)于普通砼，因此不但適用于高層和大跨度結(jié)構(gòu)物，對于海洋和港口工程，其抗?jié)B和耐腐蝕性能均大大優(yōu)于普通砼。

3、砼結(jié)構(gòu)中總含堿量控制設(shè)計(jì)

建筑大面積的使用砼結(jié)構(gòu)，由于砼自身化學(xué)因素與周圍環(huán)境因素的影響，會(huì)造成砼結(jié)構(gòu)建筑的嚴(yán)重破壞，如砼集料的堿反應(yīng)、砼自身的化學(xué)干縮反應(yīng)造成砼的開裂及水化熱性過高造成的溫度開裂等。因此，提高砼建筑的耐久性，需嚴(yán)格控制砼的總含堿量，減少其引起的對砼結(jié)構(gòu)的化學(xué)破壞，同時(shí)在建筑的設(shè)計(jì)過程中盡可能的隔絕長時(shí)間的水與潮濕空氣影響，提高建筑砼結(jié)構(gòu)的耐久性。一般水泥中Na2 和K2O 的主要生產(chǎn)原料是粘土，粘土的含堿量高達(dá)2.6% 左右，但使用堿含量為0.2% 左右的砂巖，則會(huì)影響到水泥的生產(chǎn)工藝，因此，水泥的堿含量一般難以降低，這時(shí)通過采取有效措施降低砼摻料中的堿含量，從而降低砼的總含堿量。如在砼中摻入一些活性混合材料，將建筑砼結(jié)構(gòu)的總堿含量控制在3.0kg/m3以下，可一定程度上緩解砼的堿集料反應(yīng)。此外還要注意隔絕水等潮濕空氣來源的環(huán)境影響，緩和砼的堿集料反應(yīng)對建筑工程造成的損害，提高其耐久性。

4、砼結(jié)構(gòu)中防凍融保護(hù)設(shè)計(jì)

由于建筑的砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮到會(huì)有一些游離水會(huì)滯留在砼中，從而形成相連通的細(xì)孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)砼中的水處于飽和狀態(tài)時(shí)，砼中游離水遇冷則可能會(huì)凍結(jié)成冰，使砼結(jié)構(gòu)的體積膨脹，由于細(xì)孔壁要同時(shí)承受著膨脹壓和滲透壓，這兩種壓力超過了砼抗拉的最大強(qiáng)度時(shí)，建筑中的砼結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生開裂，而交替反復(fù)的凍融侵害，會(huì)進(jìn)一步加大砼結(jié)構(gòu)的裂縫，從而大面積破壞砼結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)該采取有效措施控制凍融侵害，提高建筑砼的耐久性。首先在水泥的品種的選取時(shí)，應(yīng)考慮到提高砼的抗凍融性要求，合理調(diào)配在0℃左右的低溫環(huán)境下適用的砼，如早強(qiáng)硅酸鹽水泥，該品種的水泥的化熱性較大，且在早期的化熱強(qiáng)度最大。在砼的配制過程中，還可通過適當(dāng)降低水泥的水灰比，稍微增加水泥的比重，從而增加砼的化熱量。同時(shí)通過摻入適量的引氣劑，也可增加砼的抗凍融性，但由于市場上品種繁多的引氣劑，在其的選擇上應(yīng)慎重。此外還可通過蓄熱法和外部的加熱法等，增加建筑砼結(jié)構(gòu)的抗凍融性，提高砼建筑的耐久性。

5、砼結(jié)構(gòu)監(jiān)測與維護(hù)

在砼結(jié)構(gòu)使用階段的檢查和維護(hù)是必要而有效的，如果缺少對已有砼結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)測，人身的財(cái)產(chǎn)、生命安全也就失去意義。對已有砼結(jié)構(gòu)的耐久性病害的診治是必要而緊迫的，不僅可以及時(shí)查找“病因”，而且對新建的砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的預(yù)防，正確認(rèn)識砼劣化現(xiàn)狀，為砼結(jié)構(gòu)的危害治理提供依據(jù)，對砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有選擇地采用合適的材料和工藝，最大限度地提高砼的結(jié)構(gòu)性能提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)在使用階段，應(yīng)注意檢測，維護(hù)和修理，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程更應(yīng)如此，建立檢測和評估體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)修理，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的正常使用。在使用中，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)承受超重荷載、接觸腐蝕性物質(zhì)，并盡量減少凍融環(huán)境的影響。同時(shí)在結(jié)構(gòu)建成后定期檢查，在結(jié)構(gòu)破壞超過一定的界限后，就需要詳查破壞原因并評估是否需要維修或加固。

總之，砼結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮原料、銹蝕及環(huán)境等因素，通過選取高質(zhì)量的原料及摻料，控制砼的總含堿量，做好砼的防凍融工作，同時(shí)提高砼的抗腐蝕性，能夠有效提高建筑的砼結(jié)構(gòu)的耐久性。此外，在砼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，加強(qiáng)質(zhì)量的管理及維護(hù)，保證建筑的耐久性，促進(jìn)我國建筑事業(yè)的健康發(fā)展。

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