混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的一些建議

張明友，李靜平

(唐山三友化工股份有限公司純堿公司，河北唐山 063305)

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混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的一些建議

張明友，李靜平

(唐山三友化工股份有限公司純堿公司，河北唐山 063305)

為提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，作者就自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了樹立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)理念的必要性。從設(shè)計(jì)角度，提出了混凝土耐久性設(shè)計(jì)原則，指出了純堿公司裝置區(qū)主要工序混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別，最后給出了保證結(jié)構(gòu)耐久性的一些建議。供同行借鑒參考。

混凝土；結(jié)構(gòu)；耐久性；設(shè)計(jì)；建議

1 背 景

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于自身優(yōu)勢(shì)，在純堿公司裝置區(qū)建構(gòu)筑物中被廣泛使用。由于生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物處于不同程度的腐蝕環(huán)境中。長(zhǎng)期的腐蝕環(huán)境使部分承重構(gòu)件鋼筋銹蝕，甚者鋼筋腐蝕銹斷，脹裂混凝土，導(dǎo)致構(gòu)件剛度、承載力嚴(yán)重下降，形成結(jié)構(gòu)安全隱患，甚至加固后的一部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件又出現(xiàn)了腐蝕破壞。結(jié)果是建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就被迫加固補(bǔ)強(qiáng)或拆除重建，同時(shí)給生產(chǎn)造成極大的威脅。

我公司屬于化工企業(yè)，生產(chǎn)的連續(xù)性使得建構(gòu)筑物加固補(bǔ)強(qiáng)在邊生產(chǎn)、邊施工條件下進(jìn)行。施工時(shí)間受限、施工操作空間受限，補(bǔ)強(qiáng)施工難度非常大。

嚴(yán)重的腐蝕破壞如得不到治理，就不能保證建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，將會(huì)制約企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。治理建構(gòu)筑物腐蝕，保證建構(gòu)筑物的實(shí)際使用年限達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，建立完善的建構(gòu)筑物管理制度以減少人為損壞，加強(qiáng)生產(chǎn)管理以減少腐蝕介質(zhì)跑冒滴漏，加強(qiáng)日常管理以及時(shí)維修是非常必要的，而建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)、新建工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者做好耐久性設(shè)計(jì)是保證建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)達(dá)到使用年限的首要關(guān)口?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題很復(fù)雜，作者從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)純堿公司裝置區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物耐久性設(shè)計(jì)提出自己的一些建議。

2 樹立建構(gòu)筑物的耐久性設(shè)計(jì)理念

設(shè)計(jì)責(zé)任終身制，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者首先注重構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算、剛度計(jì)算及承載力驗(yàn)算、變形驗(yàn)算，這無(wú)可非議，這在一般非腐蝕環(huán)境下對(duì)建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的耐久性不會(huì)造成大的影響，但是一些設(shè)計(jì)者即使在有腐蝕的生產(chǎn)裝置區(qū)也不考慮混凝土結(jié)構(gòu)的建構(gòu)筑物耐久性設(shè)計(jì)，勢(shì)必造成建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限。因此樹立結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)理念是非常必要的。純堿公司裝置區(qū)建構(gòu)筑物的使用情況就說(shuō)明了這一點(diǎn)。

純堿公司投產(chǎn)至今27年，近幾年，堿渣廢液輸送工序、鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土框架連年加固維修。二級(jí)泵站廢液前池到目前已新建2次，加固1次。新化鹽框架、建廠初期的老化鹽框架6年前雖然進(jìn)行了一次加固，但是由于混凝土框架沒有依據(jù)Cl-離子腐蝕環(huán)境做相應(yīng)的建筑防腐，大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件又出現(xiàn)了鋼筋生銹脹裂混凝土，結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患，導(dǎo)致繼續(xù)拆除重建或二次加固補(bǔ)強(qiáng)。重堿工序的蒸吸、碳化、濾過(guò)工段，煅燒工序的混凝土框架也存在著同樣的狀況。這與建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)未進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)或耐久性設(shè)計(jì)不合理有著直接的關(guān)系。

而與新化鹽框架同期建設(shè)的儲(chǔ)鹽倉(cāng)、卸鹽地槽同樣為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)常處于嚴(yán)重的Cl-離子(氯化鈉)腐蝕環(huán)境中，由于混凝土結(jié)構(gòu)做了耐久性設(shè)計(jì)，且合理，混凝土內(nèi)表面做了環(huán)氧玻璃鋼防腐隔離層，使用21年來(lái)安然無(wú)樣。

3 耐久性設(shè)計(jì)原則

純堿公司混凝土框架的腐蝕現(xiàn)狀，已告誡我們?cè)O(shè)計(jì)者，腐蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，否則，設(shè)計(jì)文件中的設(shè)計(jì)使用年限就是紙上談兵，一句空話。

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008(以下簡(jiǎn)稱《耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》)，結(jié)合我公司的腐蝕環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)至少應(yīng)包括：

1)給出混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別及作用等級(jí)。

2)選擇有力于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造。

3)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)材料提出耐久性質(zhì)量要求。

4)給出鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。

5)通過(guò)計(jì)算，嚴(yán)格控制混凝土裂縫。

6)防排結(jié)合。采取防水、防腐蝕液體的構(gòu)造措施；采取排水、排腐蝕液體的構(gòu)造措施。

7)嚴(yán)重腐蝕環(huán)境作用下，合理采取防腐蝕附加措施或多重防護(hù)策略。

8)對(duì)施工提出施工養(yǎng)護(hù)制度、保護(hù)層厚度的質(zhì)量要求。

9)對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段的維護(hù)、修理與檢測(cè)提出要求。

4 我公司的主要工序的環(huán)境類別

要想做好混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，首先要依據(jù)耐久性設(shè)計(jì)原則，結(jié)合我公司生產(chǎn)工序的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)，確定環(huán)境類別。例如：

4.1 堿渣廢液輸送工序

1)主要是廢液中Cl-離子侵入混凝土內(nèi)部，到達(dá)鋼筋表面與鋼筋接觸，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，引起鋼筋銹蝕而脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為氯化物環(huán)境Ⅳ類。

因此，堿渣廢液輸送工序環(huán)境類別為氯化物環(huán)境Ⅳ類及化學(xué)腐蝕環(huán)境Ⅴ類。

4.2 涼水塔

1)普通涼水塔

主要是反復(fù)凍融循環(huán)損傷混凝土，后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為凍融環(huán)境Ⅱ類。

2)海水涼水塔

Michael Mauer:Apple公司的首席設(shè)計(jì)師Jonathan Ive就設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的品牌世界，從產(chǎn)品到廣告，從商店到包裝。你我都知道，這一整套設(shè)計(jì)棒極了！

4.3 鹽水工序

4.4 重堿工序

4.5 其他工序

煅燒、成品工序主要是屋面、樓面、墻面隨意開鑿孔洞，屋面泛水施工質(zhì)量不佳，防水層破壞，造成漏水漏液。雨水、生產(chǎn)沖洗水、蒸汽跑冒滴漏凝結(jié)水、檢修時(shí)泄漏水等積聚在存有堿塵地面上，形成碳酸鈉溶液，甚至人為用蒸汽、水清理廠房墻面、窗臺(tái)、地面上的堿塵或堿疤。堿溶液滲入混凝土后，反復(fù)凍融循環(huán)溶蝕損傷混凝土，后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據(jù)此環(huán)境類別應(yīng)為凍融環(huán)境Ⅱ類。

作為設(shè)計(jì)者，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到多種環(huán)境共同作用時(shí)，應(yīng)綜合考慮作用等級(jí)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

5 耐久性設(shè)計(jì)的一些建議

5.1 各專業(yè)要加強(qiáng)溝通

5.2 依據(jù)腐蝕環(huán)境及作用等級(jí)做相應(yīng)的建筑防腐

5.2.1 新化鹽棧橋、老化鹽棧橋、化鹽框架、儲(chǔ)鹽倉(cāng)、海水涼水塔

這些混凝土結(jié)構(gòu)綜合判斷為海洋氯化物環(huán)境為主，作用等級(jí)為非常嚴(yán)重腐蝕Ⅲ-E。類似建構(gòu)筑物混凝土構(gòu)件，依據(jù)《耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.4條必須做防腐措施。

混凝土表面防腐做法建議采用環(huán)氧類玻璃鋼隔離層，其特點(diǎn)是耐酸耐堿。地面、樓面、踢腳、墻裙面層采用環(huán)氧類砂漿，有條件時(shí)可采用耐腐蝕花崗巖石板；梁、柱、頂棚隔離層上做耐紫外線防腐涂料兩道，以防止隔離層老化，同時(shí)也可起到裝飾效果。此做法為傳統(tǒng)施工工藝，工人操作熟練，經(jīng)濟(jì)適用，市場(chǎng)上材料供應(yīng)充足。

化鹽棧橋、化鹽框架及加固后的化鹽棧橋、化鹽框架，混凝土表面由于沒有做任何防腐隔離層，導(dǎo)致目前二次加固補(bǔ)強(qiáng)，設(shè)計(jì)、施工方案確定非常困難。

5.2.2 一、二、三級(jí)泵站的廢液前池

綜合判斷為氯化物環(huán)境為主, 作用等級(jí)為非常嚴(yán)重腐蝕Ⅳ-E, 類似建構(gòu)筑物混凝土構(gòu)件依據(jù)《耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.4條必須做防腐措施。但不宜采用各種纖維類的玻璃鋼隔離層，也不宜采用強(qiáng)度較高的花崗巖、鑄石板等石板面層。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，受高溫廢液沖刷，玻璃鋼、石板脫落進(jìn)入廢液泵體內(nèi)，纏繞打擊葉輪，導(dǎo)致葉輪損壞。防腐材料選擇上原則上要選擇耐溫、耐磨材料。堿渣廢液溫度85～95 ℃ ，防腐做法建議采用酚醛類材料(耐溫120 ℃)、乙烯基酯類材料(耐溫120 ℃)、雙酚A型不飽和聚酯類材料(耐溫100 ℃)，防腐構(gòu)造為底漆、封閉膩?zhàn)?、面漆、稀撒?xì)石英砂、抹相應(yīng)的樹脂砂漿。

以前廢液前池混凝土開裂導(dǎo)致加固補(bǔ)強(qiáng)或重建，除了工程施工質(zhì)量問(wèn)題外，表面沒有防腐措施是一個(gè)主要原因。

5.2.3 重堿工序

綜合判斷為氯化物環(huán)境為主，作用等級(jí)應(yīng)定為Ⅳ-D，從現(xiàn)場(chǎng)腐蝕現(xiàn)狀看，同樣應(yīng)做防腐措施。防腐做法建議同5.2.1。由于蒸吸、碳化工段是敞開式框架，防腐隔離層表面刷耐紫外線防腐涂料是非常必要的。

原混凝土框架梁柱開裂，加固補(bǔ)強(qiáng)后又開裂。混凝土內(nèi)銹蝕鋼筋未替換、混凝土外表面沒有做隔離層防腐是兩個(gè)主要原因。

5.3 結(jié)構(gòu)布置

力求平面、剖面簡(jiǎn)單，減少構(gòu)件的暴露面積，盡量避免凹凸變化；盡量不選用懸挑結(jié)構(gòu)，如必須選用宜采用懸挑梁板結(jié)構(gòu)，不宜采用懸挑板結(jié)構(gòu)。施工縫、變形縫避開環(huán)境不利的部位，否則采取有效構(gòu)造措施。

如鹽水工序儲(chǔ)鹽倉(cāng)，設(shè)計(jì)設(shè)置伸縮縫時(shí)就存在構(gòu)造不合理問(wèn)題。兩個(gè)框架柱凈寬即伸縮縫寬僅僅100 mm, 因施工無(wú)法操作，伸縮縫處的框架柱表面既沒有做抹面防腐，也未做隔離層防腐，樓層伸縮縫散落下的原鹽掉入框架柱之間的伸縮縫中，原鹽中的Cl-離子給兩側(cè)的框架柱造成了非常嚴(yán)重的腐蝕，鋼筋銹蝕甚者銹斷，混凝土爆裂，被迫加固。伸縮縫狹窄，加固補(bǔ)強(qiáng)后又要保證伸縮縫的伸縮功能，使得設(shè)計(jì)方案的確定和施工非常困難。伸縮縫兩側(cè)同一框架柱相鄰內(nèi)側(cè)面，由于做了環(huán)氧類玻璃鋼隔離層，混凝土目前完好無(wú)損。

建議類似的非常嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中，建筑結(jié)構(gòu)的伸縮縫設(shè)置寬度應(yīng)大于500 mm，為施工防腐隔離層、防腐抹面或加固提供可操作空間。

5.4 明確混凝土保護(hù)層厚度

《耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》2.1.18條明確規(guī)定，混凝土保護(hù)層指從混凝土表面到鋼筋(包括縱向鋼筋、箍筋和分布筋)公稱直徑外邊緣之間的最小距離；對(duì)后張法預(yù)應(yīng)力筋，為套管或孔道外邊緣到混凝土表面的距離?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010第2.1.18條明確規(guī)定，混凝土保護(hù)層是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件中鋼筋外邊緣至構(gòu)件表面范圍用于保護(hù)鋼筋的混凝土?；炷帘Ｗo(hù)層概念現(xiàn)行規(guī)范與舊規(guī)范有著本質(zhì)的不同。據(jù)了解現(xiàn)在一些設(shè)計(jì)者及施工人員還是舊規(guī)范的概念，誤認(rèn)為保護(hù)層厚度指的是主筋外邊緣至混凝土構(gòu)件表面的距離。例如箍筋為φ10的混凝土柱，如果老規(guī)范保護(hù)層為30 mm，按現(xiàn)行規(guī)范保護(hù)層為20 mm,就鋼筋混凝土一般環(huán)境下，都不滿足現(xiàn)行規(guī)范的的構(gòu)造要求。我們時(shí)常發(fā)現(xiàn)梁柱箍筋、縱筋在混凝土表面對(duì)應(yīng)位置上呈現(xiàn)紅褐色的條狀銹斑，沿銹斑混凝土開裂。這與設(shè)計(jì)或施工原因?qū)е碌谋Ｗo(hù)層厚度偏小有著直接關(guān)系。

混凝土的保護(hù)層厚度直接影響構(gòu)件的耐久性，因此設(shè)計(jì)者要給以重視，要根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境作用等級(jí)，依據(jù)《耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》嚴(yán)格確定保護(hù)層厚度。

5.5 設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格控制混凝土裂縫

腐蝕環(huán)境下，混凝土構(gòu)件如在正常使用時(shí)受拉區(qū)就出現(xiàn)裂縫，腐蝕介質(zhì)就可暢通無(wú)阻到達(dá)鋼筋表面，無(wú)疑加快了混凝土構(gòu)件的破壞，耐久性也就無(wú)從談起。因此，構(gòu)件設(shè)計(jì)不僅要滿足承載力要求，還必須依據(jù)腐蝕環(huán)境下作用等級(jí)，控制混凝土裂縫。

儲(chǔ)鹽、化鹽、海水涼水塔直接接觸海水氯離子的類似建構(gòu)筑物的構(gòu)件，建議按“嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫控制”，即荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算時(shí)，構(gòu)件受拉區(qū)混凝土不產(chǎn)生拉應(yīng)力。蒸吸、碳化、固定銨工段類似建構(gòu)筑物的構(gòu)件，建議按“一般要求不出現(xiàn)裂縫控制”，即荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算時(shí)，構(gòu)件受拉區(qū)混凝土拉應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5.6 排水、排液

屋面樓面要減少開洞，必須開洞時(shí)，洞口周圍應(yīng)向上、下做反沿，防止雨水、雪水、腐蝕液體流到板底腐蝕梁板柱。

樓地面要做排液坡度，減少液體在樓地面上的滯留時(shí)間。如果生產(chǎn)特點(diǎn)，樓面不可避免地積聚腐蝕液體時(shí)，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的排液系統(tǒng)。

5.7 設(shè)計(jì)中，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)材料的耐久性提出質(zhì)量要求

如最大水膠比、最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量，粗骨料細(xì)骨料的巖類及最大含泥量等。它們直接影響著混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性。腐蝕等級(jí)作用越嚴(yán)重，要求最大水膠比、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量就越低，要求最低混凝土強(qiáng)度等級(jí)就越高。

如儲(chǔ)鹽、化鹽、海水涼水塔、重堿工序類似建筑結(jié)構(gòu)即使有防腐隔離層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也不宜低于C40。

6 結(jié) 語(yǔ)

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)做好耐久性設(shè)計(jì)，尤其是腐蝕環(huán)境作用等級(jí)較高的混凝土結(jié)構(gòu)，必須做好耐久性設(shè)計(jì)。依據(jù)腐蝕介質(zhì)、機(jī)理的不同，采取針對(duì)性的建筑防腐構(gòu)造。混凝土發(fā)生微小裂縫時(shí)，說(shuō)明鋼筋已經(jīng)銹蝕，此時(shí)做建筑防腐為時(shí)已晚，建筑防腐應(yīng)與混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)，同時(shí)施工，同時(shí)投入使用，將得到事半功倍的作用，才能從設(shè)計(jì)本質(zhì)上保證混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。

[1] 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T50476-2008[S]

TU276

C

1005-8370(2016)04-07-04

2016-06-06

張明友，1986年畢業(yè)于河北建筑工程學(xué)院，工民建專業(yè)，本科學(xué)士。土建高級(jí)工程師，國(guó)家二級(jí)注冊(cè)建筑師，現(xiàn)任唐山三友化工股份有限公司純堿公司二級(jí)專家，30年來(lái)一直從事工程施工管理、項(xiàng)目建設(shè)、土建專業(yè)設(shè)計(jì)工作。