武麗娜

摘要：當前，混凝土材料和結構的設計方法正處在由強度設計向耐久性設計過渡的階段?，F行的混凝土結構設計與施工規(guī)范，主要是考慮荷載作用下結構承載的安全性與使用性的要求，按照承載能力極限狀態(tài)來進行設計，以保證結構的安全。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為材料強度的降低，在通常的結構承載力設計中，已用持久強度、疲勞強度等參數加以考慮。但較少考慮結構長期使用過程中，由于環(huán)境作用引起材料性能劣化對結構安全性與耐久性的影響。

關鍵詞：混凝土結構;耐久性;設計

前 言

在環(huán)境的作用下，環(huán)境中的各種介質（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，混凝土產生裂縫，承載力下降等，一般按照規(guī)范的承載力設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，這樣就會造成結構承載力下降，甚至導致結構喪失整體穩(wěn)定性。文章介紹了混凝土結構耐久性定義，并闡述了影響混凝土結構耐久性的主要因素，同時提出了混凝土結構耐久性的設計方法。

一、混凝土結構耐久性定義

這個混凝土結構耐久性的定義實際上包含了三個基本要素（1）環(huán)境：結構處于某一特定環(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：結構的耐久性是一個結構多種功能（安全功能、適用性等）與使用時間相關聯(lián)的多維函數;（3）經濟：結構在正常使用過程（即設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)境及材料內部因素的作用指的是物理或化學作用.根據結構工作環(huán)境情況、破損機理、形態(tài)以及國內各行業(yè)傳統(tǒng)經驗.可將混凝土結構的工作環(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;（化學物質侵蝕環(huán)境;（特殊工作環(huán)境。同時.結構耐久性是結構的綜合性能，既涉及結構的承載能力、又涉及結構的正常使用以及維修等，反映了結構性能隨時間的變化。

二、影響混凝土結構耐久性的主要因素

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生銹蝕。

2.混凝土堿集料反應。混凝土堿集料反應被許多專家學者稱為混凝土的“癌癥”。堿集料反應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生的化學反應。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?；炷翂A集料反應中堿與SiO2反應最為常見。堿集料反應產生的堿—硅膠鹽等凝膠遇水膨脹，將在混凝土內部產生很大的膨脹應力，引起混凝土開裂?；炷良显诨炷林谐示鶆蚍植?，故裂縫首先在混凝土表面亂向、大量產生，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。引起堿集料反應的3個條件中有2個來自混凝土內部本身，即混凝土凝膠中堿性物質、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難以發(fā)生。

3.混凝土的凍融破壞。硬化后的混凝土內部有較多毛細孔，在潮濕、浸水條件下毛細孔處于飽水狀態(tài)，此時混凝土負溫受凍時其內部毛細孔中處于游離狀態(tài)的水結冰，產生體積膨脹，另外毛細孔中處于過冷狀態(tài)水分也將向毛細孔中冰的界面滲透而在毛細孔中產生滲透壓力，毛細孔中膨脹壓力和滲透壓力共同作用下混凝土內部將產生裂縫和損傷，多次反復損傷積累至一定程度時將引起結構破壞。凍融破壞發(fā)生早期，混凝土表面出現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)的結構如冷卻塔，冷凍倉庫等，應引起重視。如黑龍江省某電廠冷卻塔從建成到發(fā)現小顆粒剝落僅1～2年，從小顆粒徑剝落至保護層破壞再到完全破壞喪失受壓能力也只有2年。

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

三、混凝土結構耐久性的設計方法

1.國內的《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》（JTJ275—2000）、《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（CCES01—2004）等。這類方法首先按業(yè)主的意愿和經濟實力確定結構的設計使用年限;再按結構的工作環(huán)境確定腐蝕等級;進而建立在設計使用年限內，結構抵抗環(huán)境作用能力大于環(huán)境對結構作用準備應力耐久性極限方程：最后利用極限狀態(tài).主要按適用性的要求確定，常以有害物質侵蝕到鋼筋表面或混凝土保護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、組成和保護層厚度，具體為強度等級、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準試驗方法確定耐久性指標.如抗凍等級、擴散系數等。這類方法解決了耐久性構造要求和施工技術要求，細化了環(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驗的計算模型進行使用壽命預測.認為混凝土結構耐久性設計應包括計算和驗算部分，以及構造要求部分?；谶@種觀念，有學者提出以下的設計理念：S≤11R其中，S為內力設計值，R為結構件抗力設計值，11為耐久性設計系數，它是結構可靠指標的函數，11=f【p（t）】。這種設計方法形式，耐久性含義明確，且與我國現行《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010—2002）采用的極限狀態(tài)設計方法相一致，較能夠為技術人員所接受與掌握，但耐久性系數公式中的可靠度指標變化規(guī)律的分析方法需要建立對實際結構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，耐久性設計系數的計算不易實現。

四、設計使用年限的范圍

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，經過攪拌澆筑成型，養(yǎng)護凝結硬化形成的固體材料。由于物理、化學作用，施工、環(huán)境因素的影響，混凝土是帶裂縫工作的。當混凝土結構裂縫較大時.侵蝕性物質會通過裂縫滲入混凝土內部到達鋼筋表面引起銹蝕.鋼筋銹蝕氧化后體積膨脹將混凝土保護層脹裂，反過來又加速鋼筋銹蝕，最后導致保護層剝落，鋼筋銹蝕后，鋼筋的有效面積減小，強度降低導致結構承載力下降;另一方面銹蝕鋼筋的抗滑移能力降低，有可能導致結構出現滑移破壞。這便是混凝土耐久性問題的根源。根據《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》的規(guī)定，設計使用年限對臨時結構是5年：易于替換的結構構件為25年：普通房屋和構筑物為50年：紀念性建筑和特別重要的建筑結構為100年。

五、結束語

影響混凝土結構耐久性的因素很多，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，可根據可靠工程經驗來確定。規(guī)范采用了宏觀控制的方法，即根據結構設計使用年限和環(huán)境類別對結構混凝土提出相應的限制和要求，以保證其耐久性，這種方法概念清楚，設計簡單，規(guī)定設計人員在設計圖紙上就標明建筑結構的使用年限。

參考文獻：

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