基于耐久性的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)研究

董圓夢

摘 要：預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度以及各種性能都要比普通混凝土高，耐久性也相應(yīng)得好很多，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)耐久性事故相對于普通混凝土少，但只要問題一出現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)生的危害比普通鋼筋混凝土嚴(yán)重的多。因此，從預(yù)應(yīng)力筋銹蝕原因入手，闡述了鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)耐久性的危害，總結(jié)了防止鋼筋銹蝕的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；耐久性；鋼筋銹蝕；防護(hù)措施

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0145-02

1 概 述

自混凝土問世以來的很長一段時(shí)間，人們都認(rèn)為混凝土性能比較好，能夠保護(hù)內(nèi)部鋼筋不受侵蝕且自身也具有足夠的強(qiáng)度，能保證混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性、承載力和使用壽命，從而忽視了其自身的耐久性問題，由此，無論是經(jīng)濟(jì)還是生命財(cái)產(chǎn)方面都付出了很大的代價(jià)。美國等一些發(fā)達(dá)國家，提出了“全壽命經(jīng)濟(jì)分析”（LCCA-Life Cycle Cost Analysis）的概念，即在概念設(shè)計(jì)之初，就將結(jié)構(gòu)耐久性考慮其中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全性、適用性、耐久性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相對于普通混凝土而言，結(jié)構(gòu)性能好、節(jié)材，且適用于大型、重要結(jié)構(gòu)、惡劣環(huán)境等，應(yīng)用前景越來越好，林同炎教授曾說：“目前是預(yù)應(yīng)力混凝土世界”。但實(shí)際中預(yù)應(yīng)力筋容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕以及應(yīng)力腐蝕，自開始銹蝕至失效歷時(shí)時(shí)間很短，一旦發(fā)生損壞，常表現(xiàn)為無任何先兆的脆性斷裂破壞，造成嚴(yán)重的損失。所以應(yīng)嚴(yán)格注意預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性問題，將其與概念設(shè)計(jì)結(jié)合在一起。做到未雨綢繆，注重前期措施，著眼長遠(yuǎn)效益。

2 預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕

當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)措施不當(dāng)或者當(dāng)結(jié)構(gòu)處于惡劣環(huán)境中時(shí)，就會出現(xiàn)一系列的耐久性問題，例如，凍融環(huán)境使得混凝土出現(xiàn)裂縫，有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使得混凝土更容易發(fā)生碳化，內(nèi)部鋼筋也更容易銹蝕，從而鋼筋有效受力面積減小，與混凝土間的“握裹力”下降，進(jìn)而使得混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能改變、構(gòu)件承載能力下降。國外學(xué)者總結(jié)出了關(guān)于耐久性的“五倍定律” ，從中我們能夠清楚的了解到耐久性問題帶來的嚴(yán)重后果，產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)問題。由此，我們從預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕損害的原因著手，提出相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性防護(hù)措施。

國外學(xué)者通過對1951～1979年間發(fā)生的242起預(yù)應(yīng)力筋腐蝕損壞事故進(jìn)行總結(jié)，按預(yù)應(yīng)力筋腐蝕損壞的原因進(jìn)行分類：防腐保護(hù)不當(dāng)、采用對腐蝕敏感的預(yù)應(yīng)力筋、張拉或錨固不當(dāng)、受環(huán)境或侵蝕材料侵蝕、處于潮濕環(huán)境及結(jié)構(gòu)構(gòu)造不當(dāng)分別占23%、15%、4%、23%、24%和9%。

從以上的總結(jié)可以看出，在眾多影響鋼筋銹蝕的因素中，防腐保護(hù)不當(dāng)、受環(huán)境或侵蝕材料腐蝕、結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中是最常見的影響預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕破壞的因素。

3 防護(hù)措施

3.1 裂縫寬度

開裂是混凝土結(jié)構(gòu)最普遍的現(xiàn)象之一，當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)處于惡劣環(huán)境中時(shí)，裂縫的產(chǎn)生使得有害介質(zhì)更容易進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕。因此，防止、減少裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有很大的作用。大量研究表明，裂縫寬度對鋼筋銹蝕速度影響并不大，但是卻誘發(fā)鋼筋銹蝕。而裂縫又可分為荷載作用引起的裂縫以及溫度等非荷載作用引起的裂縫。

3.1.1 荷載作用裂縫

規(guī)范考慮結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件及環(huán)境作用等級等因素，通過規(guī)定荷載作用下裂縫寬度的限值，來保證結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力。但由于各地結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件以及考慮的結(jié)構(gòu)形式等不一樣，各規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度限值相應(yīng)的并不一樣。

①GB/T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮結(jié)構(gòu)所處環(huán)境作用等級，限制了其表面裂縫計(jì)算寬度的最大值，見表1。

BS EN 1992—1—1：2004《Eurcode 2：Design of concrete structures》中對裂縫寬度限值的規(guī)定不超過的最大值，見表2。

以上兩規(guī)范對于裂縫寬度限值基本上都考慮了環(huán)境作用等級、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，我們現(xiàn)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及裂縫寬度計(jì)算時(shí)都考慮了荷載組合作用的影響，因此，《Eurcode 2：Design of concrete structures》中考慮的荷載作用對裂縫寬度影響的這一方面是國內(nèi)應(yīng)該學(xué)習(xí)的一部分。

3.1.2 非荷載作用裂縫

非荷載作用產(chǎn)生的裂縫也是耐久性設(shè)計(jì)不可忽視的一部分?？梢詮脑牧稀⑴浜媳?、施工和養(yǎng)護(hù)、設(shè)計(jì)、人員等角度來進(jìn)行控制。見表3。

3.2 預(yù)應(yīng)力筋防護(hù)

GB/T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中對后張法預(yù)應(yīng)力筋的耐久性問題提出了一些構(gòu)造要求及防護(hù)措施，見表4。

隨后根據(jù)不同的環(huán)境類別、環(huán)境作用等級以及預(yù)應(yīng)力體系的特點(diǎn)（體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力）采用不同的防護(hù)措施。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的基本防護(hù)措施包括PS2和PS4，體外預(yù)應(yīng)力的基本防護(hù)措施包括PS2和PS3。[1]

我們可以從以上的這些方面來控制非荷載作用的影響，盡量控制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

3.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性影響很大，各地由于地理位置不同，環(huán)境因素劃分隨之也有差異。但在總體上，能夠劃分為5大類別：

大氣環(huán)境、凍融環(huán)境、海洋環(huán)境、除冰鹽等其他氯化物環(huán)境、化學(xué)腐蝕環(huán)境[1][2]。

此時(shí)，耐久性防護(hù)措施有如下幾種方式：

①保證混凝土的滲透性；

②結(jié)構(gòu)合理選型和細(xì)部設(shè)計(jì)合理；

③預(yù)應(yīng)力鋼筋的表面防護(hù)；

④使用高性能混凝土，摻外加劑；

⑤采用可更換的預(yù)應(yīng)力體系；

⑥其他合理的構(gòu)造措施；

⑦在設(shè)計(jì)之前，調(diào)查當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境作用。

4 結(jié) 語

①混凝土裂縫雖然對預(yù)應(yīng)力筋后期的銹蝕速度影響不大，但是卻會對預(yù)應(yīng)力筋前期開始銹蝕產(chǎn)生很大的影響，因此，可以通過對裂縫限值的控制以及一些構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制，提高結(jié)構(gòu)在服役期間的結(jié)構(gòu)承載能力以及結(jié)構(gòu)本身的美觀。

②對于預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)，基本上都是從混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、人員、材料等五個(gè)方面方面著手，然而，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的混凝土強(qiáng)度等級，許多情況下是由環(huán)境作用決定的，并非由荷載作用控制。而且結(jié)構(gòu)處在惡劣環(huán)境作用中對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響特別大，因此不能忽視環(huán)境作用對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

③不僅要注意預(yù)防常見的耐久性損壞因素，對于那些不常出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力鋼筋損壞因素，仍然不能忽視，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)比普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要好，但是一旦出現(xiàn)損壞，其損壞程度比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要嚴(yán)重的多。因此要注重前期措施，著眼長遠(yuǎn)效益，做到未雨綢繆。

④國外耐久性研究比國內(nèi)的要早很多，例如，歐盟和美國ACI學(xué)會很早就開始了對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，而我國最早在2002年才將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性寫入規(guī)范，到2008年才有專門的一本耐久性規(guī)范，而且還不是很成熟，之后一直到現(xiàn)在都還沒有更加完整耐久性國家規(guī)范，但是，一些高等學(xué)院正在積極進(jìn)行耐久性研究，并且獲得了很多的研究成果，例如大連理工大學(xué)。

因此，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)國外的一些耐久性先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，但同時(shí)，由于每個(gè)國家所處的地理位置、環(huán)境條件不一樣，我們也要進(jìn)行符合自身?xiàng)l件的研究并提出本國條件的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性相應(yīng)措施。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的六個(gè)最基本的要求（安全性、適用性、耐久性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、與環(huán)境的適應(yīng)性）。在合理的施工、養(yǎng)護(hù)、維修等條件下，盡可能的延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

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