[12-11 16:59:52] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3370次
冯锦祥
（广州番禺城市建筑设计院有限公司，广东 广州 511440）
摘 要：近几十年来，混凝土结构因材质劣化造成失效以至破坏崩塌的事故在国内外频繁发生，用于混凝土结构修补、重建和改建的费用日益增大。因此，混凝土结构的耐久性问题越来越受到人们的重视。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。本文主要论述了影响混凝土结构耐久性的因素，并进一步提出提高其耐久性的设计措施。
关键词：混凝土结构；耐久性；措施
混凝土结构耐久性设计实质上是针对影响混凝土结构耐久性能的主要因素提出相应的对策。
1 影响混凝土结构耐久性的因素
影响混凝土结构耐久性的因素主要有内部和外部两个方面。内部因素主要有混凝土的强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种和标号及用量、外加剂、集料的活性等，外部因素则主要有环境温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等。耐久性不好往往是内部的不完善性和外部的不利因素综合作用的结果，而结构缺陷往往是设计不妥、施工不良引起的，也有因使用维修不当引起的。混凝土结构耐久性问题有：混凝土冻融破坏、碱-集料反应、侵蚀性介质腐蚀、机械磨损、混凝土碳化、钢筋锈蚀等。
1.1 混凝土的冻融破坏
混凝土水化结硬后，内部有很多孔隙，非结晶水滞留在这些孔隙中。在寒冷地区，由于低温时混凝土孔隙中的水冻结成冰后产生体积膨胀，引起混凝土结构内部损伤。在多次冻融作用下，混凝土结构内部损伤逐渐积累达到一定程度而引起宏观的破坏。在破坏前期是混凝土强度和弹性模量降低，接着是混凝土由表及里的剥落。我国部分地区特别是北方地区的室外混凝土结构存在冻融破坏问题。与环境水接触较多的混凝土，如电厂的通风冷却塔、水厂的水池、外露阳台、水工结构等的冻融破坏相对严重。
当混凝土孔隙溶液中含有一定量的氯离子时，混凝土的冻融破坏加剧。海港工程、使用化冰盐的混凝土高速公路和、城市立交桥和停车场等均有此类问题。
1.2 混凝土的碱-集料反应
混凝土碱-集料反应是指混凝土微孔中来自水泥、外加剂等的可溶性碱溶液和集料中某些活性组分之间的反应。发生碱-集料反应后，会在界面生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀的晶体，使混凝土产生何种膨胀，严重时会发生开裂破坏。碱溶液还会浸入集料在破碎加工时产生的裂缝中发生反应，使集料受肿胀作用而破坏。
碱-集料反应分为两类：一类为碱-硅酸反应，指碱与集料中活性组分反应，生成碱硅酸盐凝胶，凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂；另一类为碱-碳酸盐反应，指碱与集料中微晶体白云石反应，其生成物在白云石周围和周围基层之间的受限空间内结晶生长，使集料膨胀，进而使混凝土膨胀开裂。混凝土由于碱-硅酸反应破坏的特征是呈地图形裂缝，碱-碳酸反应造成的裂缝中还会有白色浆状物渗出。
1.3 侵蚀性介质的腐蚀
在石化、化学、冶金及港湾等工程结构中，由于环境中化学侵蚀性介质的存在，对混凝土的腐蚀很普遍。常见的侵蚀性介质腐蚀有：硫酸盐侵蚀。对混凝土有侵蚀性的硫酸盐存在于某些地区的土壤、工业排放的固体或液体的废弃物和海水中，当硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应时，将生成钙矾石。当有CO32-存在并牌高湿度的低温下时，还会生成硅灰石膏，产生体积膨胀，从而破坏混凝土。
酸腐蚀。酸不仅仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区也广泛存在碳酸及溶有CO2的水。混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落并导致破坏。海水腐蚀。海水中的CI-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用，并造成钢筋锈蚀。
1.4 钢筋的锈蚀
钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题，也是混凝土结构最常见和量最大的耐久性问题。新成型的混凝土是一种高碱性的材料，在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，有效地保护钢筋不发生锈蚀。混凝土保护层的碳化和氯离子腐蚀介质的影响是钢筋锈蚀的主要原因。当空气中的二氧化碳、二氧化硫等气体及其他酸性介质通过混凝土的孔隙进入到混凝土内部后，与混凝土孔隙溶液中的氢氧化钙发生化学反应，使溶液的碱度降低，钢筋表面出现脱钝现象，如果有足够氧和水，钢筋就会腐蚀。当混凝土成型时使用了含氯离子的原材料，如海沙、海水或含氯的外加剂等，或混凝土结构处于使用含氯原材料的工业环境、海洋环境、盐渍土与含氯地下水的环境和使用化冰盐的环境中，氯离子通过构件表面侵入到混凝土内部，达到钢筋表面，钝化膜也会提早破坏，钢筋锈蚀就会更严重。随着混凝土保护层的剥落，钢筋锈蚀加速，直到构件破坏。混凝土中的钢筋锈蚀是电化学腐蚀。首先在裂缝宽度较大处发生个别点的“坑蚀”，进而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋截面削弱，锈蚀产生的铁锈体积要比原来的体积增大3-4倍，使周围的混凝土产生膨胀拉应力。钢筋锈蚀严重时，体积膨胀导致沿钢筋长度出现纵身裂缝。顺筋裂缝的产生又加剧了钢筋的锈蚀，形成恶性循环。如果混凝土的保护层比较薄，最终会导致混凝土保护层剥落，钢筋也可能锈断，导致截面承载力降低直到构件丧失承载力。www.tmgc8.com
2 提高混凝土结构耐久性的设计措施。
目前，对混凝土结构耐久性的研究尚不够深入，因此，耐久性设计主要采取以下技术保证措施。
2.1 划分混凝土结构的环境类别
混凝土结构耐久性与结构的工作环境条件有密切的关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中使用寿命短。对结构所处的环境划分类别可使设计者针对不同的环境采用相应的对策。第一类环境类别为：室内正常环境； 第二类环境类别为：室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。这部分主要是考虑基础、地下室、人防工程等在浸水情况下的耐久性；第二类环境类别为：严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；第三类环境类别为：使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境。这类环境在空气中含有大量的氯离子，氯离子有很强的活性，日长月久极易破坏钢筋表面的钝化膜而引起钢筋锈蚀；水位变动的环境加上严寒和寒冷地区冬季的反复冻融，往往对混凝土造成很大的损伤；第四类环境类别为：海水环境。如港口码头，灯塔、海岛高脚屋等；第五类环境类别为：受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境。由于耐久性与环境条件密切相关，不同的环境条件，应有不同的控制要求。对此设计者应根据具体工程情况具体分析。
2.2 控制混凝土保护层厚度
混凝土保护层厚度的大小及保护层的密实性是决定结构的设计使用年限的根本因素。环境条件及保护层厚度又是从钢筋开始锈蚀到出现沿钢筋的纵向裂缝的时间的决定因素。因此，《结构规范》根据混凝土结构所处的环境条件类别，规定了混凝土保护层的最小厚度。要求设计人员应根据已有的经验和当地工程实践来适当增加钢筋混凝土保护层厚度。
2.3 控制裂缝等级和限值
裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是钢筋开始锈蚀的主要条件。因此，《结构规范》根据钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所处的环境类别和构件受力特征，规定了裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。
2.4 混凝土的基本要求
根据结构的环境类别，合理地选择混凝土原材料，控制混凝土的氯离子含量和碱含量，防止碱集料反应。改善混凝土的级配，控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土强度等级，提高混凝土的抗渗性能和密实度。选择合适的混凝土抗渗等级和抗冻等级。对抗冻混凝土必须掺加引气剂。有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求；严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。混凝土表面喷涂或涂刷聚合物水泥砂浆、沥青及环氧树酯等防腐层。必要时在结构表面设置专门的防渗面层。对于二类和三类环境中，设计年限为100年的混凝土结构，应采用专门有效措施。采用耐腐蚀钢筋。暴露在侵蚀环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树酯涂层带肋钢筋；为防氯盐的腐蚀，采用各种钢筋阻锈剂或对钢筋采用阴极防护法。对预应力钢筋、锚具及连接器，应采取专门防护措施。
四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性设计应符合有关标准的规定。
总结：
规范采用了宏观控制的方法，即根据结构设计使用年限和环境类别对结构混凝土提出相应的限制和要求，以保证其耐久性。这种方法概念清楚，设计简单。规范规定设计人员在设计图纸上应标明建筑结构的使用年限，为此，设计人员应结合已有的设计经验和当地工程建设实践认真进行结构的耐久性设计，以保证和提高混凝土结构的耐久性。
