混凝土结构耐久性设计探析

当前，混凝土材料和结构的设计方法正处在由强度设计向耐久性设计过渡的阶段。现行的混凝土结构设计与施工规范，主要是考虑荷载作用下结构承载的安全性与使用性的要求，按照承载能力极限状态来进行设计，以保证结构的安全。而荷载和环境的长期作用都能引起材料性能的劣化。荷载长期作用下的材料性能劣化主要表现为材料强度的降低，在通常的结构承载力设计中，已用持久强度、疲劳强度等参数加以考虑。但较少考虑结构长期使用过程中，由于环境作用引起材料性能劣化对结构安全性与耐久性的影响。在环境的作用下，环境中的各种介质(硫酸盐、氯盐、镁盐、酸等)，温度湿度的变化(冻融循环、干湿交替)等，都会导致钢筋混凝土的某些性能劣化，如钢筋发生锈蚀，混凝土产生裂缝，承载力下降等，一般按照规范的承载力设计方法所确定的截面尺寸，不考虑钢筋和混凝土截面的腐蚀损失，这样就会造成结构承载力下降，甚至导致结构丧失整体稳定性。

1混凝土结构耐久性定义

这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素(1)环境：结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中，并受其侵蚀作用：(2)功能：结构的耐久性是一个结构多种功能(安全功能、适用性等)与使用时间相关联的多维函数;(3)经济：结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用.根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验.可将混凝土结构的工作环境分成6大类：(大气环境;②土壤环境;③海洋环境;(受环境水影响的环境;(化学物质侵蚀环境;(特殊工作环境。同时.结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。

2影响混凝土结构耐久性的主要因素

(1)混凝土的碳化。混凝土碳化又称为混凝土的中性化,几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中,混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用。其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏,在一定条件下使钢筋产生锈蚀。

(2)混凝土碱集料反应。混凝土碱集料反应被许多专家学者称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂,集料中活性材料主要是SiO2、硅胶盐、碳酸盐等。混凝土碱集料反应中碱与SiO2反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅胶盐等凝胶遇水膨胀,将在混凝土内部产生很大的膨胀应力,引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布,故裂缝首先在混凝土表面乱向、大量产生,随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速下降。引起碱集料反应的3个条件中有2个来自混凝土内部本身,即混凝土凝胶中碱性物质、集料中有活性骨料(如含SiO2的骨料),第三个条件是外部的即水分,干燥条件下碱骨料反应难以发生。

(3)混凝土的冻融破坏。硬化后的混凝土内部有较多毛细孔,在潮湿、浸水条件下毛细孔处于饱水状态,此时混凝土负温受冻时其内部毛细孔中处于游离状态的水结冰,产生体积膨胀,另外毛细孔中处于过冷状态水分也将向毛细孔中冰的界面渗透而在毛细孔中产生渗透压力,毛细孔中膨胀压力和渗透压力共同作用下混凝土内部将产生裂缝和损伤,多次反复损伤积累至一定程度时将引起结构破坏。冻融破坏发生早期,混凝土表面出现几毫米大小片状剥落,随时间推移,剥落量及剥落粒径增大、由表及里发展。剥蚀一经开始,其发展速度将比较快。在我国南方环境引起的冻融破坏很少见,但处于人为冻融状态的结构如冷却塔,冷冻仓库等,应引起重视。如黑龙江省某电厂冷却塔从建成到发现小颗粒剥落仅1～2年,从小颗粒径剥落至保护层破坏再到完全破坏丧失受压能力也只有2年。

(4)侵蚀性介质的腐蚀。化学介质,如硫酸盐、海水、腐殖质(呈酸性)、泥炭土存在的碳酸等都可能对混凝土产生腐蚀。

(5)机械磨损。不少混凝土结构在使用过程中不可避免地要经常性承受各种机械磨损,如建筑工程中楼地面、楼梯,路桥工程中路面、桥面,水工建筑物中溢洪道、消能结构、有压输水管等混凝土结构在使用中都将承受人群、车辆、高速水流等引起的机械磨损。在以上各类混凝土结构中发生因机械磨损而影响结构耐久性的实例屡见不鲜。水泥混凝土路面因磨损而产生麻面、泛砂、剥落等破损几乎随处可见。我国水库大坝溢洪道底板因受高速水流冲刷引起表面破损普遍存在,有些已影响了正常的运行。

(6)钢筋锈蚀。钢筋锈蚀是混凝土结构最常见的耐久性问题,它一般是电化学腐蚀。电化反应必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和CL-。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素。CL-离子侵入(如用海浇

混凝土,环境CL-渗入等)也可使钢筋表面钝化膜迅速脱钝。根据钢筋锈蚀区的分布可将钢筋锈蚀分为两类:①裂缝处的锈蚀:构件混凝土表面可能由于荷载作用、沉降引起变形,产生结构性裂缝,也可因干缩、温度应力、碳化、碱骨料反应等因素产生非结构性裂缝。当在裂缝处存在水、氧、CL-侵入时,会使钢筋在裂缝附近产生锈蚀。②普遍蚀锈:当混凝土碳化到钢筋表面时,一旦存在水、氧、CL-等条件时首先在裂缝处出现钢筋坑蚀,进而发展为环蚀,环蚀向周围扩展成成片的普遍锈蚀,成片的锈蚀由于体积膨胀使混凝土沿保护层发生纵向裂缝,从普遍锈蚀发展过程可看出其特点是“先锈后裂”。

(7)其他因素。混凝土结构耐久性问题具有“复杂性”,除以上主要因素外,长期处于自然环境中的混凝土结构还将受到各种有害因素甚至严重偶然因素的影响,如持续超高气温、生物腐蚀、风沙等等。

3混凝土结构耐久性的设计方法

第一类，国内的《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)、《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)等。这类方法首先按业主的意愿和经济实力确定结构的设计使用年限;再按结构的工作环境确定腐蚀等级;进而建立在设计使用年限内，结构抵抗环境作用能力大于环境对结构作用准备应力耐久性极限方程：最后利用极限状态.主要按适用性的要求确定，常以有害物质侵蚀到钢筋表面或混凝土保护层胀裂作为为耐久性极限状态。这些方法主要用于近期制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度，具体为强度等级、水胶比、胶凝材用量、原材料选择、矿物掺和料、外加剂等。同时，要求在实验室条件下按照标准试验方法确定耐久性指标.如抗冻等级、扩散系数等。这类方法解决了耐久性构造要求和施工技术要求，细化了环境类别及其作用等级，提出了不同使用年限的不同要求。

第二类.方法主要通过理论或经验的计算模型进行使用寿命预测.认为混凝土结构耐久性设计应包括计算和验算部分，以及构造要求部分。基于这种观念，有学者提出以下的设计理念：S≤11R其中，S为内力设计值，R为结构件抗力设计值，11为耐久性设计系数，它是结构可靠指标的函数，11=f【p(t)】。这种设计方法形式，耐久性含义明确，且与我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)采用的极限状态设计方法相一致，较能够为技术人员所接受与掌握，但耐久性系数公式中的可靠度指标变化规律的分析方法需要建立对实际结构抗力衰减过程分析模型。由于不同地区抗力衰减规律难以统计，即使是同一地区，由于使用环境不同，其抗力衰减规律也有所不同。因此，耐久性设计系数的计算不易实现。

4设计使用年限的范围

一般混凝土是以水泥为粘合材料.以天然砂、石为骨料加水拌合，经过搅拌浇筑成型，养护凝结硬化形成的固体材料。由于物理、化学作用，施工、环境因素的影响，混凝土是带裂缝工作的。当混凝土结构裂缝较大时.侵蚀性物质会通过裂缝渗入混凝土内部到达钢筋表面引起锈蚀.钢筋锈蚀氧化后体积膨胀将混凝土保护层胀裂，反过来又加速钢筋锈蚀，最后导致保护层剥落，钢筋锈蚀后，钢筋的有效面积减小，强度降低导致结构承载力下降;另一方面锈蚀钢筋的抗滑移能力降低，有可能导致结构出现滑移破坏。这便是混凝土耐久性问题的根源。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定，设计使用年限对临时结构是5年：易于替换的结构构件为25年：普通房屋和构筑物为50年：纪念性建筑和特别重要的建筑结构为100年。

5结束语

影响混凝土结构耐久性的因素很多，就是在混凝土规范《GB50010—2002》中，也在处于一类和二类环境中的最低混凝土等级，可根据可靠工程经验来确定。规范采用了宏观控制的方法，即根据结构设计使用年限和环境类别对结构混凝土提出相应的限制和要求，以保证其耐久性，这种方法概念清楚，设计简单，规定设计人员在设计图纸上就标明建筑结构的使用年限。

参考文献

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[2]　刘西拉.结构工程的现状与展望[M].北京:人民交通出版社,1997.

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