淺談混凝土結構的耐久性

張寶峰 盤錦水漫建筑設計有限公司 124200

淺談混凝土結構的耐久性

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只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知識、了解工程所處環境特點，細心設計、精心施工，混凝土結構才能在合理的使用年限內安全、可靠。

耐久性；碳化；環境溫度；凍融；使用年限；外加劑；膨脹

混凝土結構除了滿足安全性、適用性要求外，還應滿足耐久性方面的要求。因此，在設計混凝土結構時，除了進行承載力計算、變形和裂縫驗算外，還必須進行耐久性概念設計。

一、耐久性的概念

混凝土的耐久性是指在正常維護的條件下，在設計使用年限內，在指定的工作環境中保證結構滿足的功能要求，而不需進行維修加固?；炷两Y構廣泛用于各類工程結構中，如果因耐久性不足而失效，或為了繼續正常使用而進行相當規模的維修、加固或改造，則將付出高昂的代價。保證混凝土結構能在自然和人為環境的化學和物理作用下，滿足耐久性的要求，是一個十分迫切和重要的問題。

二、影響耐久性的主要因素

影響混凝土結構耐久性的因素主要有內部和外部兩個方面。內部因素主要是指混凝土的強度、滲透性、保護層厚度，水泥品種、標號和用量以及外加劑用量等；外部因素則指環境溫度、濕度、二氧化碳等，此外，設計不周、施工質量差或使用維修不當等也會影響耐久性能。下面就影響混凝土結構耐久性的主要因素簡單加以論述。

1、混凝土的碳化

混凝土中水泥石含有氫氧化鈣[(Ca (OH)2)而呈堿性，其在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護了金屬鋼筋免遭酸性介質的侵蝕，起到了“鈍化”保護作用。但大氣中存在的酸性介質及水通過各種孔道、裂縫而滲入混凝土，可以中和這種堿性。盡管其酸性很弱，但也能中和氫氧化鈣而生成無堿性的鹽——碳酸鈣（C a C O3），這個過程稱為“碳化”。

混凝土的碳化速度十分緩慢，并且與混凝土的質量、環境條件等因素有關。當混凝土保護層被碳化至鋼筋表面時，將破壞鋼筋表面的氧化膜。此外，當混凝土構件的裂縫寬度超過一定限值時，將會加快混凝土的碳化，使鋼筋表面的氧化膜更易遭受破壞。

混凝土碳化對混凝土的主要危害表現在使混凝土中的鋼筋保護膜受到破壞，引起鋼筋銹蝕，從而影響承載力水平?；炷恋奶蓟腔炷两Y構耐久性的重要影響因素之一。減小、延緩混凝土的碳化，可有效地提高混凝土結構的耐久性能。

2、鋼筋銹蝕

建筑結構中常用的鋼材為碳素結構鋼和普通低合鋼，其化學成分含有少量其他金屬（Mn、V、Ti）和非金屬（Si、C、S、P、O、N）元素并形成固液體、化合物或機械混合物的形態共存于鋼材結構中；此外還有許多晶界面和缺陷。鋼筋表面氧化膜被破壞后，當鋼材表面從空氣中吸收溶有C O2、O2或S O2的水分，形成一種電解質的水膜時，就會在鋼筋表面層的不同成分或晶界面之間構成無數微電池。陽極和陰極反應構成整個腐蝕過程——電化學腐蝕。結果生成的氫氧化鐵Fe(OH)2在空氣中又進一步被氧化成氫氧化鐵Fe(OH)3。鋼材的Fe變成Fe2O3，體積膨脹4倍，在少氧的條件下Fe(OH)3氧化不很完全的部分形成F e2O4，體積膨脹2倍。

上述過程如果繼續下去，嚴重時，體積膨脹，導致沿鋼筋長度的混凝土出現縱向裂縫，并使混凝土保護層剝落，從而降低承載力，最終失效。

3、混凝土凍融破壞

混凝土水化結硬后內部有很多毛細孔。在澆筑混凝土時，為了得到必要的和易性，往往會比水泥水化所需要的水多一些。處于飽和狀態的混凝土受凍時，毛細孔中同時受到膨脹壓力和滲透壓力，使混凝土結構產生內部裂縫和損壞，經過多次反復凍結、融化，損傷積累到一定程度就引起結構破壞。

4、混凝土的堿集料反應

混凝土的集料中某些活性礦物與混凝土微孔中的堿性溶液發生化學反應稱為堿集料反應，堿集料反應產生硅酸鹽凝膠，吸水后膨脹，體積可增大3～4倍，從而引起混凝土剝落、開裂，強度降低，甚至導致破壞。堿集料反應進展緩慢，需要多年才會造成結構破壞，所以它是影響混凝土耐久性的因素之一。

5、侵蝕性介質的腐蝕

侵蝕介質的腐蝕包括硫酸鹽腐蝕、酸腐蝕、海水腐蝕以及鹽類結晶型腐蝕等。

化學介質對混凝土的侵蝕，表現在有些化學物質侵入造成混凝土中一些成分被溶解、流失，引起裂縫、孔隙、松散破碎；有些化學物質與侵入混凝土中的一些成分反應生成體積膨脹的物質，引起混凝土結構破壞。對此，應根據實際情況，采取相應的技術措施，防止或減少對混凝土結構的侵蝕。另外，在冬季施工時往往在混凝土中摻入氯化鈉，如果摻量控制不嚴，將造成鋼筋銹蝕甚至嚴重銹蝕。大量工程調查表明，如果混凝土含氯化鈉，即使在混凝土未碳化區內也有10%鋼筋發生嚴重銹蝕。因此必須嚴格禁止使用氯鹽。

6、其他影響因素

其他因素包括高溫作用、生物腐蝕、混凝土徐變等。

三、提高混凝土耐久性的措施及耐久性概念設計

要提高結構耐久性，就要控制影響耐久性的因素。為此，提出了一系列提高耐久性的措施。

1、減緩混凝土碳化和防止鋼筋銹蝕的措施：

⑴鋼筋要有足夠的保護層厚度

在一般情況下，混凝土碳化達到鋼筋表面需要一定的時間，即脫鈍時間。顯然，保護層厚度越大，脫鈍時間越長。如果脫鈍時間超過建筑的設計使用年限，即可滿足要求。

⑵合理設計混凝土的配合比

首先，要有足夠的水泥用量，一般不宜少于225Kg/m3,以保持混凝土的堿性；同時，盡量降低水灰比，以減少游離水的量，對此可以采用減水劑，在滿足施工要求的前提下，降低用水量；用優質摻和料，嚴格控制原材料的含鹽量。

⑶盡量提高混凝土的密實性，增強抗滲性

對一般混凝土而言，設計、施工中要保證混凝土的密實性，保證振搗充分、密實，按規范要求仔細養護，經常保持新澆筑混凝土表面濕潤，可采用覆蓋養護材料等措施，以減少水分蒸發，避免出現表面裂縫。

⑷控制混凝土摻和料的量

混凝土中采用摻和料時，在滿足強度條件的前提下，采用超量替代法設計配合比。

⑸采用覆蓋面層

覆蓋面層可以隔離混凝土表面與大氣環境的直接接觸，這對減小混凝土碳化十分有利，尤其是在不利甚至惡劣的環境條件下，效果更加明顯；同時防止水、二氧化碳、氯離子和氧氣的侵入，減少鋼筋銹蝕。

⑹其他措施

采用鋼筋阻銹劑，以防止氯鹽的腐蝕；采用防腐蝕鋼筋，其種類有環氧涂層鋼筋、鍍鋅鋼筋、不銹鋼鋼筋等；對鋼筋采用陰極保護法，包括犧牲陽極法和輸入電流法等。

2、耐久性概念設計

根據國內外研究成果和工程經驗，我國現行《混凝土結構設計規范》首次列入有關耐久性設計的條文——耐久性規定。耐久性設計涉及面廣，影響因素多，有別于結構抗力設計，且以概念設計為主。

⑴耐久性概念設計的目的和基本原則

耐久性概念設計的目的是指在規定的設計使用年限內，在正常維護情況下，必須保持適合使用、滿足規定功能的要求。

耐久性概念設計的基本原則是根據結構的環境分類和設計使用年限進行設計。

⑵混凝土結構使用環境分類

混凝土結構相同但所處使用環境不同，結構的壽命也不相同。因此，混凝土結構的耐久性與其使用環境密切相關。

混凝土結構環境共分五類，具體分類見《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）中的有關分類。

⑶混凝土結構設計的使用年限

混凝土結構設計的使用年限主要根據建筑物的重要程度確定，在我國可按照國家標準《建筑結構可靠設備設計統一標準》確定，一般分為≤50年和100年，也可以根據工程業主的要求確定。

⑷保證耐久性的技術措施及構造要求

為了保證混凝土結構的耐久性，根據環境類別和設計的使用年限，針對影響耐久性的主要因素，應從設計、材料和施工方面提出技術措施，并采取有效的構造措施。

1）結構設計技術措施

①未經技術鑒定及設計許可，不能改變結構的使用環境，不得改變結構的用途。

②對于結構中使用環境較差的構件，宜設計成可更換或易更換的構件。

③宜根據環境類別，規定維護措施及檢查年限；對重要的結構，宜在與使用環境類別相同的適當位置設置供耐久性檢查的專用構件。

④對于暴露在侵蝕性環境中的結構構件，其受力鋼筋可采用環氧涂層帶肋鋼筋，預應力筋應有保護措施。在此情況下宜采用高強度等級的混凝土。

2）對混凝土材料的要求

用于一、二類和三類環境中設計使用年限為50年的結構混凝土，應控制最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級、最大氯離子含量以及最大堿含量，保護層厚度應符合《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）的相關規定。

設計使用年限為100年且處于一類環境中的混凝土結構，應符合下列規定：

①鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30，預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C40；

② 混凝土中氯離子含量不得超過水泥重量的0.06%；

③ 宜使用非堿活性骨料，當使用堿活性骨料時，混凝土中堿含量不應超過3. 0Kg/m3。

3）施工要求

混凝土的耐久性主要取決于它的密實性，除應滿足上述對混凝土材料的要求外，還應高度重視對混凝土的施工質量，控制商品混凝土的各個環節，加強對商品混凝土的養護，防止過早受荷等。

4）混凝土保護層最小厚度

混凝土保護層最小厚度是從保證鋼筋與混凝土共同工作，滿足對受力鋼筋的有效錨固以及保證耐久性的要求為依據的。

縱向受力鋼筋及預應力鋼筋、鋼絲、鋼絞線的混凝土保護層厚度是指從鋼筋外緣到混凝土外邊緣的距離，它不應小于鋼筋的直徑或等效直徑，應不應小于骨料最大粒徑的1.5倍,且應符合《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）的相關規定，如果保護層厚度超過40mm，不但增加造價，而且還應加防裂措施。

總之，只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知識、了解工程所處環境特點，細心設計、精心施工，混凝土結構才能在合理的使用年限內結構才能安全、可靠。

[1] 混凝土結構設計規范.GB50010-2002.中國建筑工業出版社.2002.

[2] 建筑結構可靠度設計統一標準. GB50068-2001. 中國建筑工業出版社. 2001.

[3] 預應力混凝土用鋼絲.GB/T5223-1995.中國標準出版社.1995.

[4] 預應力混凝土用鋼絞線. GB/T5224-1995. 中國標準出版社.1995.