王建立

河南省郵政公司（450000）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力?，F(xiàn)行規(guī)范主要考慮荷載作用下結(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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的安全。但較少考慮結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于環(huán)境作用引起材料性能劣化對(duì)結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的影響[1]。

結(jié)構(gòu)可靠性是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的條件下、完成預(yù)定功能的能力。但由于環(huán)境、材料、設(shè)計(jì)、施工、使用及養(yǎng)護(hù)方面未滿足規(guī)范的要求，不能保證設(shè)計(jì)所要求的可靠性；因此，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，基于可靠度基本理論，考慮抗力和荷載的隨機(jī)變化特性，將靜態(tài)的性能參數(shù)與動(dòng)態(tài)的耐久性參數(shù)在設(shè)計(jì)中有機(jī)結(jié)合在一起，減少人為因素的影響，保證結(jié)構(gòu)應(yīng)有的安全性與耐久性，具有重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素

影響混凝土耐久性的因素很多，主要包括∶環(huán)境因素、材料因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素等四個(gè)方面[3]。

1.1 環(huán)境因素

1）混凝土碳化

混凝土中堿性物質(zhì)（Ca(OH)2）使混凝土內(nèi)的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護(hù)鋼筋，防止鋼筋銹蝕。但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化?？紤]混凝土碳化的隨機(jī)性，在工程實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)外常用的碳化速率模型如式1所示∶

式中∶X 碳化深度；t∶碳化時(shí)間(結(jié)構(gòu)服役時(shí)間)；K∶碳化系數(shù)，表示碳化的速度。

2）硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽對(duì)混凝土的化學(xué)腐蝕有兩種∶①與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)形成硫鋁酸鈣；②與混凝土中氫氧化鈣結(jié)合形成硫酸鈣；兩種反應(yīng)均會(huì)造成體積膨脹，使混凝土開(kāi)裂。硫酸鹽對(duì)混凝土的化學(xué)腐蝕過(guò)程一般較為緩慢，通常要持續(xù)很多年，地下水、土中的硫酸鹽可以滲入混凝土內(nèi)部，并在一定條件下使得混凝土毛細(xì)孔隙水溶液中的硫酸鹽濃度不斷積累，當(dāng)超過(guò)飽和濃度時(shí)就會(huì)析出鹽結(jié)晶而產(chǎn)生很大的壓力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞，這一過(guò)程是純粹的物理作用。

3）氯離子腐蝕

由氯鹽引起的鋼筋銹蝕，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的因素。通常情況下，影響氯離子擴(kuò)散的因素主要為混凝土材料因素和環(huán)境因素。氯離子侵入混凝土主要有毛細(xì)管作用、滲透作用、擴(kuò)散作用、電化學(xué)遷移等四種方式；氯離子在混凝土中的滲透過(guò)程被視為擴(kuò)散過(guò)程,擴(kuò)散模型沿用典型的Fick第二擴(kuò)散定律來(lái)描述[4]，如式2所示。

式中，Ccl為氯離子濃度（%），一般以氯離子占水泥或混凝土重量百分比表示；t為時(shí)間（a），x為位置（cm），Dcl為擴(kuò)散系數(shù)。

4）混凝土凍融破壞

混凝土的抗凍耐久性是指飽水混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的性能。混凝土處于飽水狀態(tài)和凍融循環(huán)交替作用是發(fā)生混凝土凍融破壞的必要條件，因此，混凝土的凍融破壞一般發(fā)生于寒冷地區(qū)經(jīng)常與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)物，如水位變化區(qū)的海工、水工混凝土結(jié)構(gòu)物、水池、發(fā)電站冷卻塔以及與水接觸部位的道路、建筑物勒腳、陽(yáng)臺(tái)等?；炷恋目箖鲂允腔炷聊途眯灾凶钪匾膯?wèn)題之一。

1.2 材料因素

1）堿骨料反應(yīng)

混凝土原材料中的堿與骨料中的活性成份在混凝土澆筑成型后若干年逐漸反應(yīng)，生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，膨脹開(kāi)裂。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體在混凝土內(nèi)部呈均勻分布，一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng),混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使混凝土開(kāi)裂。而混凝土的開(kāi)裂往往又會(huì)加劇鋼筋的銹蝕、凍融破壞、碳化和侵蝕等腐蝕作用，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的迅速下降，針對(duì)混凝土的堿骨料反應(yīng)，目前尚無(wú)有效的阻止和修復(fù)方法，因此被稱為“混凝土的癌癥”。

1.3 設(shè)計(jì)因素

根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定理，氯離子擴(kuò)散至鋼筋表面的時(shí)間與保護(hù)層厚度的平方成正比；而在碳化現(xiàn)象中，二氧化碳的擴(kuò)散速度也與保護(hù)層厚度密切相關(guān)。保護(hù)層越厚，介質(zhì)侵入到鋼筋表面的時(shí)間就越長(zhǎng)。過(guò)多超量的水在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部留下了孔縫，從而大大降低了混凝土的密實(shí)度而增加了空隙率和滲透性，使混凝土容易受有害氣體和液體的侵蝕滲透，表面吸水率和滲透也增大，使抗?jié)B能力下降幅度過(guò)大。

1.4 施工因素

施工因素（混凝土振搗和后期養(yǎng)護(hù)）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有較大影響，如在施工過(guò)程中振搗不密實(shí)，就會(huì)在混凝土中留下很多孔徑，從而減小混凝土的密實(shí)性，使混凝土結(jié)構(gòu)更容易遭受凍融、酸堿侵蝕、碳化等。在后期養(yǎng)護(hù)中，如養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，特別是大體積混凝土,由于混凝土的收縮開(kāi)裂的因素，在混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫,從而使酸堿介質(zhì)、CO2等更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使鋼筋銹蝕，體積膨脹，造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

2 基于可靠性的耐久性設(shè)計(jì)

2.1 耐久性極限狀態(tài)

混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耐久性極限狀態(tài)應(yīng)按正常使用下的適用性極限狀態(tài)考慮，且不應(yīng)損害到結(jié)構(gòu)承載能力和可修復(fù)要求。其耐久性極限狀態(tài)可分以下三種∶①鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；②鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；③混凝土表面發(fā)生輕微損傷的極限狀態(tài)。

2.2 基于可靠性的耐久性設(shè)計(jì)的計(jì)算模型

在基于可靠度的設(shè)計(jì)理論框架下，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的目的∶結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預(yù)定時(shí)期內(nèi)，其材料性能的劣化不致導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率?？煽慷饶Ｐ涂紤]時(shí)間變化因素，是結(jié)構(gòu)可靠度分析的動(dòng)態(tài)模型。這種方法是直接計(jì)算不同時(shí)刻t的抗力效應(yīng)R(t)與荷載效應(yīng)S(t)的兩個(gè)隨機(jī)變量，用蒙特卡羅法求對(duì)應(yīng)時(shí)刻功能函數(shù)Z(t)的可靠度,從而求出混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可靠度變化。從理論上講,這種方法很適合混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究。從強(qiáng)度降低的計(jì)算、某一時(shí)刻抗力效應(yīng)隨機(jī)變量計(jì)算、功能函數(shù)可靠度計(jì)算到最終回歸出動(dòng)態(tài)可靠度函數(shù)，每個(gè)步驟都可使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的功能函數(shù)隨機(jī)過(guò)程為∶

式中∶R(t)為結(jié)構(gòu)抗力隨機(jī)過(guò)程；S(t)為結(jié)構(gòu)荷載隨機(jī)過(guò)程。

其可靠度指標(biāo)∶

式中∶UR(t)、US(t)分別是 R(t)、S(t)的平均值(t)、σ2S(t)分別是 R(t)、S(t)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)語(yǔ)

1）由于影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，難以達(dá)到定量設(shè)計(jì)的程度。GB/T 50476-2008[6]采用了宏觀控制的方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限和環(huán)境類別對(duì)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，為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)踐認(rèn)真的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)。

2）混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法正在由強(qiáng)度設(shè)計(jì)向耐久性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的階段。目前，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素的研究?jī)H局限于個(gè)別因素，應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際，綜合考慮各種因素對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)該以對(duì)不同的環(huán)境類別和條件進(jìn)行分類，對(duì)不同設(shè)計(jì)使用年限的結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3）基于可靠性的耐久性設(shè)計(jì)考慮了抗力和荷載的隨機(jī)變化特性，將靜態(tài)的性能參數(shù)與動(dòng)態(tài)的耐久性參數(shù)在設(shè)計(jì)中有機(jī)結(jié)合在一起，較好的符合結(jié)構(gòu)損傷對(duì)服役壽命影響的變化規(guī)律，減少了人為因素的影響，對(duì)耐久性設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

[1]陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]趙國(guó)藩,金偉良,貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[3]Mather Bryant.Concrete durabi1ity[J].Cement and Concrete Composites,2004,26(1):3～4.

[4]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[5]翁玲.關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)問(wèn)題的討論[J].黃石高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2002,18(4):12～14.

[6]GB/T 50476-2008,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.