建筑工程中混凝土結構的耐久性設計

段妮妮，張 彬

1.山東省熱電設計院，山東 濟南 250100

2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013

建筑工程的結構主體由混凝土、鋼筋等組成，混凝土的耐久性是影響結構工程質(zhì)量的重要因素。雖然我國的結構工程發(fā)展迅速，但混凝土結構的耐久性設計仍然與國外先進水平存在一定的差距[1]。因此，研究建筑工程中的混凝土結構設計具有重要的現(xiàn)實意義?；炷两Y構的耐久性主要指在自然環(huán)境下和使用條件下保持原有混凝土結構性能的一種能力，即混凝土結構抵抗外界影響因素侵蝕破壞的能力。混凝土結構的使用環(huán)境復雜多變，極易造成混凝土結構的侵蝕破壞，進而縮短建筑工程的使用壽命。鑒于此，筆者結合實踐經(jīng)歷，分析建筑工程中混凝土結構耐久性設計，為提高建筑工程施工質(zhì)量和延長建筑壽命提供參考。

1 混凝土結構耐久性的影響因素

1.1 自然環(huán)境的影響作用

混凝土結構的耐久性受自然環(huán)境的影響較大，這是由于自然環(huán)境隨著天氣、氣候以及空氣中污染物的含量等變化，導致大氣降水的pH值變化較大，即地表水體的酸堿度處于波動狀態(tài)，進而對混凝土結構產(chǎn)生侵蝕破壞[2]。因此，有必要分析混凝土的使用環(huán)境。在混凝土結構耐久性設計過程中，若混凝土結構裸露于地表，則應該充分研究雨水的酸堿度、氣候變化特征等；若混凝土結構位于地下，則還需考慮地下水及巖土體對混凝土結構的侵蝕破壞，包括酸度、鹽度等因素。

1.2 混凝土結構的碳化

混凝土結構的碳化現(xiàn)象（見圖1）極為普遍，碳化過程主要指混凝土結構中的部分堿性物質(zhì)與所處環(huán)境中的二氧化碳接觸過程中產(chǎn)生的化學反應，使混凝土結構中的主要組分成分、結構以及物理化學性能發(fā)生改變[3]?；炷两Y構的碳化過程使混凝土的堿度顯著降低，進而使混凝土結構內(nèi)部的鋼筋鈍化膜遭到侵蝕破壞，加劇了混凝土結構中鋼筋結構的腐蝕速率，間接地降低了混凝土結構的耐久性。因此，抗碳化設計是評價混凝土結構耐久性的重要指標之一。

圖1 混凝土碳化

1.3 混凝土結構中的鋼筋銹蝕

混凝土具有較強的堿性特征，這是由于混凝土結構中含有較多的氫氧化鈣飽和溶液。同時，強堿性能夠使鋼筋表面快速形成一層致密的氧化膜，即鋼筋鈍化膜。因此，混凝土能夠有效地保護鋼筋結構，使鋼筋內(nèi)部不再繼續(xù)受到腐蝕破壞，對防治鋼筋生銹有明顯的效果。但是，當混凝土結構的內(nèi)部物質(zhì)與空氣以及地下的水分、二氧化碳等接觸時，混凝土結構中的氫氧化鈣會產(chǎn)生化學反應生成碳酸鈣，進而使混凝土的堿度逐漸降低。大量的研究資料顯示[4]，當混凝土中的pH值小于11.5時，混凝土結構中鋼筋結構表面的鈍化膜將遭到破壞，即鋼筋結構失去了鈍化膜的保護，極易使鋼筋產(chǎn)生銹跡（見圖2）。鋼筋生銹過程中能夠生成一定數(shù)量的氯離子，氯離子含量的增加，加劇了鋼筋的腐蝕速率。因此，混凝土結構中鋼筋結構的腐蝕是影響混凝土結構耐久性的另一個重要因素。

圖2 混凝土結構中鋼筋結構銹蝕

1.4 混凝土堿-集料反應

混凝土中含有大量的氫氧化鈣，使混凝土具有強堿性。但是，混凝土中的堿性物質(zhì)能夠與混凝土集料中含有部分活性成分的材料發(fā)生化學反應，導致混凝土結構體積膨脹，使混凝土結構局部受力破壞。因此，混凝土堿-集料反應是影響混凝土結構耐久性的重要因素。通常情況下，在混凝土制作過程中，外加劑、水泥和水分是重要的基礎材料，而上述材料中均含有一定數(shù)量的堿性物質(zhì)，可與集料中的活性組分反應形成一種硅膠體物質(zhì)，在遇水的條件下產(chǎn)生劇烈的膨脹，進而導致混凝土結構受力，形成裂隙，甚至開裂。

2 混凝土結構耐久性設計

2.1 明確設計目標

要想做好混凝土結構耐久性設計，首先需要明確耐久性設計的目標。（1）明確混凝土結構的強度和預期達到的使用壽命，根據(jù)對強度和壽命的要求選擇混凝土的基本材料組成。（2）明確混凝土結構的使用環(huán)境，包括使用區(qū)域的雨水酸堿度、氣候變化以及地下水的酸度、堿度、礦化度、鹽度等，同時根據(jù)調(diào)查結果調(diào)整混凝土材料、配比等。（3）若混凝土結構的使用環(huán)境溫度較低，如處于我國高寒冷高海拔地區(qū)，則需要結合使用區(qū)域的平均年凍融次數(shù)合理地增加引氣劑，從而有效地提高混凝土結構的耐久性。（4）若混凝土結構的使用環(huán)境存在較大的化學侵蝕作用，如雨水pH值較低，且地下水為酸性等，或地下水含有較高的鹽度等，需要對混凝土結構中的鋼筋結構進行抗腐蝕處理，如采用環(huán)氧涂層等。（5）若混凝土結構的使用環(huán)境變化較大，則需要針對不同環(huán)境對混凝土結構耐久性設計進行優(yōu)化，如預應力混凝土結構與普通混凝土結構混合使用時，需要根據(jù)使用環(huán)境等確定保護層的厚度。（6）為了提高混凝土結構的耐久性，應加強鋼筋結構表面的排水研究。

2.2 抗碳化及堿-集料反應設計

上文已述及，混凝土結構中含有過飽和的氫氧化鈣溶液，極易導致混凝土碳化或者發(fā)生堿-集料反應。因此，提高混凝土結構的耐久性必須加強抗碳化及堿-集料反應設計。混凝土結構耐久性設計中抗碳化及堿-集料反應設計可從封堵二氧化碳方面著手。二氧化碳是導致混凝土結構耐久性降低的主要原因，也是引發(fā)混凝土碳化的主要物質(zhì)成分，因此可通過封閉涂層的方式在混凝土結構表面形成一層致密的保護層，涂層材料可通過混凝土內(nèi)部的孔隙等滲透至混凝土結構內(nèi)部，從而有效地封堵混凝土內(nèi)部細小裂縫，使空氣和水體中的二氧化碳難以進入混凝土結構內(nèi)部，避免或者減緩混凝土的碳化及堿-集料反應，進而達到耐久性設計的預期目標。此外，利用涂層材料封堵混凝土結構中的細小裂隙及孔隙，有效地降低了混凝土結構孔隙中的水分含量，能夠有效地緩解凍融作用對混凝土結構的破壞，提升混凝土結構的耐久性。

2.3 防護鋼筋銹蝕的設計

影響混凝土結構耐久性的另一個重要因素就是混凝土結構中鋼筋結構的銹蝕現(xiàn)象，現(xiàn)階段常用的防護鋼筋銹蝕的方式為使用鋼筋銹蝕阻銹劑。鋼筋銹蝕阻銹劑從本質(zhì)上講是一種化學合成物，將其涂抹在鋼筋表面，能夠有效地防護鋼筋銹蝕。因此，在建筑工程混凝土結構耐久性設計中合理使用阻銹劑，不但能夠有效地避免鋼筋銹蝕，而且當鋼筋出現(xiàn)銹蝕時能夠起到一定的緩解作用，即能夠降低鋼筋銹蝕速率。常用的阻銹劑包括鈍化劑、吸附性阻銹劑等。此外，電化學反應也是有效阻止鋼筋銹蝕的方法之一，當混凝土結構中鋼筋表面的鈍化膜等遭到破壞而導致鋼筋銹蝕時，開始一般僅發(fā)生在混凝土結構的局部區(qū)域，可通過電化學反應的方式進行處理，如通過電化學反應的陰極進行脫氯、再堿化過程，進一步起到對鋼筋的保護作用。

3 結束語

文章研究表明，影響建筑工程混凝土結構耐久性的因素主要包括自然環(huán)境、碳化、堿-集反應、鋼筋銹蝕等。采用封閉涂層的方法，能夠有效地減少鋼筋以及混凝土原料等與二氧化碳的接觸，對提高混凝土的抗碳化性能和減緩堿-集反應等意義重大。