混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計方法

武麗娜

摘要：當(dāng)前，混凝土材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法正處在由強(qiáng)度設(shè)計向耐久性設(shè)計過渡的階段?，F(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范，主要是考慮荷載作用下結(jié)構(gòu)承載的安全性與使用性的要求，按照承載能力極限狀態(tài)來進(jìn)行設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)的安全。而荷載和環(huán)境的長期作用都能引起材料性能的劣化。荷載長期作用下的材料性能劣化主要表現(xiàn)為材料強(qiáng)度的降低，在通常的結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計中，已用持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等參數(shù)加以考慮。但較少考慮結(jié)構(gòu)長期使用過程中，由于環(huán)境作用引起材料性能劣化對結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的影響。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu);耐久性;設(shè)計

前 言

在環(huán)境的作用下，環(huán)境中的各種介質(zhì)（硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽、酸等），溫度濕度的變化（凍融循環(huán)、干濕交替）等，都會導(dǎo)致鋼筋混凝土的某些性能劣化，如鋼筋發(fā)生銹蝕，混凝土產(chǎn)生裂縫，承載力下降等，一般按照規(guī)范的承載力設(shè)計方法所確定的截面尺寸，不考慮鋼筋和混凝土截面的腐蝕損失，這樣就會造成結(jié)構(gòu)承載力下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定性。文章介紹了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定義，并闡述了影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，同時提出了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計方法。

一、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定義

這個混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的定義實際上包含了三個基本要素（1）環(huán)境：結(jié)構(gòu)處于某一特定環(huán)境（包括自然環(huán)境、使用環(huán)境）中，并受其侵蝕作用：（2）功能：結(jié)構(gòu)的耐久性是一個結(jié)構(gòu)多種功能（安全功能、適用性等）與使用時間相關(guān)聯(lián)的多維函數(shù);（3）經(jīng)濟(jì)：結(jié)構(gòu)在正常使用過程（即設(shè)計要求的自然物理剩余壽命）中不需要大修。定義中的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用指的是物理或化學(xué)作用.根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境情況、破損機(jī)理、形態(tài)以及國內(nèi)各行業(yè)傳統(tǒng)經(jīng)驗.可將混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境分成6大類：（大氣環(huán)境;②土壤環(huán)境;③海洋環(huán)境;（受環(huán)境水影響的環(huán)境;（化學(xué)物質(zhì)侵蝕環(huán)境;（特殊工作環(huán)境。同時.結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)的綜合性能，既涉及結(jié)構(gòu)的承載能力、又涉及結(jié)構(gòu)的正常使用以及維修等，反映了結(jié)構(gòu)性能隨時間的變化。

二、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素

1.混凝土的碳化?；炷撂蓟址Q為混凝土的中性化，幾乎所有混凝土表面都處在碳化過程中，混凝土碳化本身對混凝土并無破壞作用。其主要危害是由于混凝土堿性降低使鋼筋表面在高堿環(huán)境下形成的對鋼筋起保護(hù)作用的致密氧化膜（鈍化膜）遭到破壞，在一定條件下使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。

2.混凝土堿集料反應(yīng)。混凝土堿集料反應(yīng)被許多專家學(xué)者稱為混凝土的“癌癥”。堿集料反應(yīng)是指混凝土集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。堿主要來源于水泥熟料、外加劑，集料中活性材料主要是SiO2、硅膠鹽、碳酸鹽等。混凝土堿集料反應(yīng)中堿與SiO2反應(yīng)最為常見。堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿—硅膠鹽等凝膠遇水膨脹，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，引起混凝土開裂?；炷良显诨炷林谐示鶆蚍植迹柿芽p首先在混凝土表面亂向、大量產(chǎn)生，隨后將加速其他因素的破壞作用而使混凝土耐久性迅速下降。引起堿集料反應(yīng)的3個條件中有2個來自混凝土內(nèi)部本身，即混凝土凝膠中堿性物質(zhì)、集料中有活性骨料（如含SiO2的骨料），第三個條件是外部的即水分，干燥條件下堿骨料反應(yīng)難以發(fā)生。

3.混凝土的凍融破壞。硬化后的混凝土內(nèi)部有較多毛細(xì)孔，在潮濕、浸水條件下毛細(xì)孔處于飽水狀態(tài)，此時混凝土負(fù)溫受凍時其內(nèi)部毛細(xì)孔中處于游離狀態(tài)的水結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹，另外毛細(xì)孔中處于過冷狀態(tài)水分也將向毛細(xì)孔中冰的界面滲透而在毛細(xì)孔中產(chǎn)生滲透壓力，毛細(xì)孔中膨脹壓力和滲透壓力共同作用下混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生裂縫和損傷，多次反復(fù)損傷積累至一定程度時將引起結(jié)構(gòu)破壞。凍融破壞發(fā)生早期，混凝土表面出現(xiàn)幾毫米大小片狀剝落，隨時間推移，剝落量及剝落粒徑增大、由表及里發(fā)展。剝蝕一經(jīng)開始，其發(fā)展速度將比較快。在我國南方環(huán)境引起的凍融破壞很少見，但處于人為凍融狀態(tài)的結(jié)構(gòu)如冷卻塔，冷凍倉庫等，應(yīng)引起重視。如黑龍江省某電廠冷卻塔從建成到發(fā)現(xiàn)小顆粒剝落僅1～2年，從小顆粒徑剝落至保護(hù)層破壞再到完全破壞喪失受壓能力也只有2年。

4.侵蝕性介質(zhì)的腐蝕?；瘜W(xué)介質(zhì)，如硫酸鹽、海水、腐殖質(zhì)（呈酸性）、泥炭土存在的碳酸等都可能對混凝土產(chǎn)生腐蝕。

三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計方法

1.國內(nèi)的《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275—2000）、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》（CCES01—2004）等。這類方法首先按業(yè)主的意愿和經(jīng)濟(jì)實力確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限;再按結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境確定腐蝕等級;進(jìn)而建立在設(shè)計使用年限內(nèi)，結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境作用能力大于環(huán)境對結(jié)構(gòu)作用準(zhǔn)備應(yīng)力耐久性極限方程：最后利用極限狀態(tài).主要按適用性的要求確定，常以有害物質(zhì)侵蝕到鋼筋表面或混凝土保護(hù)層脹裂作為為耐久性極限狀態(tài)。這些方法主要用于近期制混凝土材料常規(guī)指標(biāo)、組成和保護(hù)層厚度，具體為強(qiáng)度等級、水膠比、膠凝材用量、原材料選擇、礦物摻和料、外加劑等。同時，要求在實驗室條件下按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法確定耐久性指標(biāo).如抗凍等級、擴(kuò)散系數(shù)等。這類方法解決了耐久性構(gòu)造要求和施工技術(shù)要求，細(xì)化了環(huán)境類別及其作用等級，提出了不同使用年限的不同要求。

2.方法主要通過理論或經(jīng)驗的計算模型進(jìn)行使用壽命預(yù)測.認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計應(yīng)包括計算和驗算部分，以及構(gòu)造要求部分?；谶@種觀念，有學(xué)者提出以下的設(shè)計理念：S≤11R其中，S為內(nèi)力設(shè)計值，R為結(jié)構(gòu)件抗力設(shè)計值，11為耐久性設(shè)計系數(shù)，它是結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的函數(shù)，11=f【p（t）】。這種設(shè)計方法形式，耐久性含義明確，且與我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）采用的極限狀態(tài)設(shè)計方法相一致，較能夠為技術(shù)人員所接受與掌握，但耐久性系數(shù)公式中的可靠度指標(biāo)變化規(guī)律的分析方法需要建立對實際結(jié)構(gòu)抗力衰減過程分析模型。由于不同地區(qū)抗力衰減規(guī)律難以統(tǒng)計，即使是同一地區(qū)，由于使用環(huán)境不同，其抗力衰減規(guī)律也有所不同。因此，耐久性設(shè)計系數(shù)的計算不易實現(xiàn)。

四、設(shè)計使用年限的范圍

一般混凝土是以水泥為粘合材料.以天然砂、石為骨料加水拌合，經(jīng)過攪拌澆筑成型，養(yǎng)護(hù)凝結(jié)硬化形成的固體材料。由于物理、化學(xué)作用，施工、環(huán)境因素的影響，混凝土是帶裂縫工作的。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫較大時.侵蝕性物質(zhì)會通過裂縫滲入混凝土內(nèi)部到達(dá)鋼筋表面引起銹蝕.鋼筋銹蝕氧化后體積膨脹將混凝土保護(hù)層脹裂，反過來又加速鋼筋銹蝕，最后導(dǎo)致保護(hù)層剝落，鋼筋銹蝕后，鋼筋的有效面積減小，強(qiáng)度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降;另一方面銹蝕鋼筋的抗滑移能力降低，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移破壞。這便是混凝土耐久性問題的根源。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，設(shè)計使用年限對臨時結(jié)構(gòu)是5年：易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為25年：普通房屋和構(gòu)筑物為50年：紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)為100年。

五、結(jié)束語

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，就是在混凝土規(guī)范《GB50010—2002》中，也在處于一類和二類環(huán)境中的最低混凝土等級，可根據(jù)可靠工程經(jīng)驗來確定。規(guī)范采用了宏觀控制的方法，即根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限和環(huán)境類別對結(jié)構(gòu)混凝土提出相應(yīng)的限制和要求，以保證其耐久性，這種方法概念清楚，設(shè)計簡單，規(guī)定設(shè)計人員在設(shè)計圖紙上就標(biāo)明建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。

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