結構混凝土耐久性設計

徐振偉

【摘要】混凝土是多組份、多孔和多相的結構工程主要材料，與環(huán)境作用，使得耐久性對工程的使用年限、使用功能有著深刻的影響，結合自己多年的設計經驗和理解，對結構混凝土耐久性設計談以下幾點體會。

【關鍵詞】劣化；耐久性；滲透性；碳化；堿骨料反應；凍融循環(huán)；鋼筋保護層

1、耐久性設計的理由

混凝土的耐久性是在外部和內部不利因素的長期作用下，保持其原有設計性能和使用功能的性質，在各種多樣性的使用環(huán)境下抵抗各種物理和化學作用破壞的能力。結構的設計使用年限通過安全性、適用性和耐久性來實現(xiàn)。而耐久性是實現(xiàn)預期使用年限中適用性和安全性的基礎。因混凝土耐久性不足而引起結構性能劣化，造成各種損失、降低建筑物的使用壽命，混凝土劣化是內外因素及相互作用的結果，主要表現(xiàn)為：

混凝土中的氣體、液體和離子在滲透、擴散和遷移中使得滲透性對結構性能有本質的影響；多孔-裂縫-缺陷間有著復雜的聯(lián)系，是水灰比、水泥用量、摻合料、骨料、外加劑與成型工藝、養(yǎng)護條件綜合作用的結果。環(huán)境的物理化學作用對混凝土有劣化作用，如材料與環(huán)境的磨損、沖蝕、荷載、溫度作用外，土壤和地下水中存在的硫酸鹽等腐蝕性介質導致混凝土膨脹和開裂，增大了滲透性，加速了混凝土的劣化。空氣中二氧化碳氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低即混凝土碳化，又稱作中性化，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護，促成鋼筋開始生銹。嚴重的銹蝕膨脹使鋼筋與混凝土黏結衰減失效、隨著混凝土保護層開裂甚至脫落，鋼筋的銹蝕加劇，進一步促使混凝土的劣化。北方嚴寒地區(qū)混凝土中結冰的水會體積膨脹而過冷的水會發(fā)生遷移，產生的壓力會引起混凝土開裂和剝落，而溫度回升后冰隨著融化更多的水被吸入裂縫中，這種凍融與滲透性加速了混凝土劣化，而除冰鹽在北方地區(qū)的使用帶來對混凝土耐久性的降低?；炷凉橇现械幕钚缘V物成分（活性二氧化硅）與堿性氫氧化物在潮濕環(huán)境下發(fā)生化學反應生成膨脹性堿硅膠，即堿骨料反應引起混凝土強度和彈性模量損失，其膨脹和開裂形成裂紋和裂縫或宏觀錯位。而水氣引入的過量氯離子會引起結構中鋼筋嚴重銹蝕。環(huán)境溫度和濕度變化，導致混凝土濕脹干縮、熱脹冷縮，引起混凝土中各組成材料因彈性模量不一致而漲縮不一致，產生微裂紋。所以，要防止混凝土碳化、限制堿含量、控制水膠比和混凝土中氯離子含量、控制溫濕度、選擇合適的骨料及級配、在規(guī)范基礎上選擇最外層鋼筋的混凝土保護層厚度是結構耐久性設計中的重要內容。

2、耐久性設計的原則

結構設計規(guī)范中的要求是基于公共安全和社會需要的最低限度要求。工程都有各自的特點和環(huán)境及施工方式，所以有時僅僅滿足規(guī)范的某些最低要求往往不能保證具體設計對象的耐久性從而保證設計使用年限。不同技術標準規(guī)范對同一問題規(guī)定不同，這時就需要設計人員運用力學、物理化學知識具體問題具體分析，有針對性、有理有據采取措施。工程技術人員的專業(yè)分析判斷能力往往比規(guī)范的規(guī)定更可靠。水泥用量要適當，主要控制水膠比、采用最佳礦物摻合料的參量和比例，摻減水劑和引氣劑，骨料的粒徑不宜過大，粗骨料一般不超過30mm為宜，而混凝土施工或與預制構件制作中要加強養(yǎng)護來控制溫度、塑性和干縮等裂縫的產生和發(fā)展，從而制作成低孔隙、界面結合良好和少裂縫混凝土，達到耐久性目的。為了避免混凝土碳化的影響需要使鋼筋有足夠的混凝土保護層厚度，避免鋼筋因碳化銹蝕而影響鋼筋混凝土的性能。

北方地區(qū)為了抗凍融，要對地下水文地質情況做到心里有數，因混凝土孔隙水受凍結冰、遇熱融化的反復等交替的累計效應，會引起混凝土破壞，除了上面提到的因素外吸水飽和度和環(huán)境狀況在這種破壞中具有更加特殊的作用。降低水灰比、摻硅灰等抗凍性高的摻合料、用堅固的吸水率低的優(yōu)質骨料及合理的骨料級配，在必要時用減水劑、引氣劑等來減緩冰凍壓力。鹽溶液、干濕、凍融循環(huán)等各種因素的交互作用則將是更加不利的情況。因堿骨料反應發(fā)生往往在潮濕環(huán)境中，所以限制混凝土中堿含量，尤其是在地下工程、路橋工程、潮濕環(huán)境中根據情況不同程度的嚴格限制，這是防止堿骨料反應的重要措施；此外礦物摻合料、摻入引氣劑等也可有效的減輕堿骨料反應。耐久性和結構承載力設計有時對混凝土最低強度有不同要求，這就要同時考慮二者中要求偏高的要求，有些地下工程往往是耐久性起控制作用，同時應注意混凝土強度與鋼筋級別的匹配，從現(xiàn)行規(guī)范看，基礎及地下工程不能使用HPB300級鋼筋，而應使用比此級別高的鋼筋。所以耐久性設計應以解決混凝土劣化，保證結構的使用壽命為基本原則。

3、耐久性設計的一般內容

3.1結構的設計使用年限、環(huán)境影響

結構設計使用年限除考慮結構的重要性外，還與業(yè)主的要求、結構及基礎類型、環(huán)境狀況、布置方式和構造措施等有關，一般為50年，也有100年的。在北方地區(qū)，對剛性階梯形條形基礎，采取坡形并抹面的形式有利于減輕凍脹，這是從環(huán)境的凍脹角度來減輕基礎劣化；有條件或要求較高時，水泥宜采用硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥；而地下和潮濕環(huán)境等宜采用堿含量受控水泥，特別是地下潮濕的環(huán)境；對于如工業(yè)項目中的設備基礎等大體積混凝土則宜采用中低熱硅酸鹽水泥或低礦渣硅酸鹽水泥；此外粗細骨料也應根據特殊要求做相應的控制，但粗骨料級配應連續(xù)，細骨料對抗?jié)B抗凍和海砂等均有相應的耐久性方面的要求，這些在《混凝土質量控制標準》GB50164-2011中都有明確要求。地面以上環(huán)境類別不都是一類環(huán)境，如工業(yè)廠房不采暖的情況，一般不屬于一類環(huán)境，采暖的工業(yè)建筑或民用建筑，室內和室外也不是同類環(huán)境。一個構件的不同面，如屋面板靠外側及靠外側的墻梁面在沒有有效的保護措施時等都不屬于一類環(huán)境。同屬于室內的淋浴間也不屬于一類環(huán)境。

3.2鋼筋的混凝土保護層厚度

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的鋼筋保護層厚度是指箍筋、分布筋等最外層的鋼筋保護層厚度，這與以往的規(guī)定不同，這種規(guī)定更加合理，具體保護層厚度國家標準規(guī)范均有規(guī)定。

鋼筋的混凝土保護層厚度達不到要求和波動較大是施工中的質量通病，設計中應有明確的可控措施，《混凝土結構鋼筋間隔件應用技術規(guī)程》JGJ/T219-2010的做法是比較實用的控制保護層厚度的有效嘗試，保護層控制可依據環(huán)境類別、使用部位的不同而采用金屬類、塑料類、砂漿水泥基類或混凝土水泥基類的間隔件來保障，保護層采用鋼筋間隔墊的措施，雖然投資略有一點點增加，但操作宜控，提高了保護層的準確率，從而提高了耐久性。對于柱墻等豎直構件，地下部分的鋼筋保護層因環(huán)境類別的變化需要加厚，底層柱和往地面以下延伸的柱，應注意不宜采取同一截面，因為若采取同一截面，按底層柱的保護層，如25，但按地面以下則為40，勢必造成要地面以下的柱承載能力降低。宜鋼筋位置不變，將上下保護層的差加到地面以下延伸柱上，使底層柱略微擴大，這應在施工圖設計中特別給予關注的地方。

3.3混凝土裂縫控制要求

屋面板的配筋一般是受力配筋，當屋面較長或溫差較大時就應該同時考慮溫度作用，尤其是比較吸熱的卷材屋面等，尤其要考慮。屋面的保溫材料的使用年限與結構的使用年限不一致，溫度對長度較長的屋面的影響是很大的，某些部位超出了受力的影響，鋼筋配置不能僅按荷載計算，而應疊加溫度作用，鋼筋的200間距的排布有時不夠，可為100-150間距，滿足強度的前提下有時調整鋼筋直徑，縮短間距也是一種可行的辦法。堿骨料反應、凍脹以及碳化等引起的裂縫的防治應有針對性。尤其是地下工程，如混凝土剪力墻等耐久性問題突出，應積極預防，如控制混凝土中堿含量、選擇低堿活性骨料、改善混凝土所處的環(huán)境，隔絕濕氣進入、摻礦物混合材、外加劑等，均簡單宜行。需要明確的是，水泥用量多在控制堿含量方面不是有利的。

3.4混凝土其他劣化的治理

基礎及地下結構和室外雨棚等屬于惡劣環(huán)境情況，防排水構造等要加強，如保護層普遍加厚，做防水防潮層，構件形狀有利于排水等；其實這些措施也有益于減輕堿骨料反應。堿、活性骨料和水是堿骨料反應的三因素，減少其中的任何一因素均可控制堿骨料反應。嚴重環(huán)境作用下合理采取防腐蝕附加措施或多重防護策略；耐久性需要的施工養(yǎng)護制度與保護層厚度的施工質量驗收要求。結構使用階段的維護、修理與檢測要求（圖紙應該明確，包括必要的檢測通道。預留檢測維修的空間和裝置）等。設計文件中應增加對混凝土養(yǎng)護、使用期的檢查和維護等內容。

3.5混凝土強度等級取值

配筋混凝土結構滿足耐久性要求的混凝土最低強度等級，設計使用年限30年-50年1-A環(huán)境C25，一般情況下，地面以下的混凝土的強度等級為C30，但地下室頂板一般應以C35比較合適，所以與環(huán)境類別密切相關。

4、混凝土耐久性規(guī)范的應用

《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》GB/T50476-2008適用于常見環(huán)境下房屋建筑物和構筑物及其連接件的耐久性設計，是達到設計使用年限的具有必要保證率的最低要求；此外還有《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（CCES01-2004）；《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010中第3.5節(jié)的耐久性設計是根據環(huán)境類別使用年限對房屋建筑結構耐久性設計的簡化和調整后的基本設計內容，混凝土保護層在8.2節(jié)；《混凝土質量控制標準》GB50164-2011則包含了混凝土耐久性方面通常的主要影響因素的材料控制內容等；《混凝土結構鋼筋間隔件應用技術規(guī)程》JGJ/T219-2010是針對影響混凝土耐久性的質量通病鋼筋的保護層的控制技術，《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2011對原材料、骨料含水率、最大水膠比、最小膠凝材料用量、礦物摻合料、水熔性最大氯離子含量、引氣劑摻量以及對預防堿骨料反應的措施等都有明確、簡潔可操作的規(guī)定。對于泵送混凝土還要執(zhí)行《泵送混凝土技術規(guī)范》JGJT10-2011。對于地下、外墻、坡屋面處于環(huán)境比較差的結構部位，分別有《地下工程防水技術規(guī)范》GB50108-2008和《建筑外墻防水技術規(guī)范》JGJT235-2011、《坡屋面工程技術規(guī)范》GB50693-2011可供執(zhí)行；對于凍土地區(qū)因凍脹性的影響須執(zhí)行《凍土地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》JGJ118-2011，根據凍土類別有著不同的勘察和設計要求；再有《混凝土結構工程施工規(guī)范》GB506666-2011結束了混凝土結構無施工規(guī)范的歷史。對于工業(yè)中經常遇到的大體積混凝土問題，有《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496--2009等等，這些近年來的技術標準，無異在促進混凝土耐久性提高方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

5、結論

通過對混凝土外部使用環(huán)境和結構內部因素的分析，探討了結構耐久性設計的基本理由、原則、設計內容和相應的規(guī)范，因混凝土耐久性的影響因素異常復雜，本文僅能對結構混凝土耐久性設計提出拋磚引玉之作用，旨在實現(xiàn)對房屋結構不需要花費大量資金加固就能保證安全、使用功能和外觀要求，在加強結構耐久性設計方面提供一些技術交流和參考。

參考文獻

[1]混凝土結構耐久性設計與應用 第2章混凝土結構性能劣化機理 第3章混凝土結構耐久性設計出版：2011年8月第一版.邢鋒.編著.

[2]混凝土結構耐久性設計規(guī)范 GB50467-2008出版：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]混凝土結構設計規(guī)范 GB50010-2010出版：中國建筑工業(yè)出版社.