钢筋混凝土结构设计的耐久性探析

混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、 道路与桥梁工程、港口与水利工程等各种工程结构中。长期以来，人们认为混凝土结构是一种耐久性能良好的建筑材料，而事实上混凝土结构在长期自然环境和使用条件下会逐渐老化丧失耐久性能。影响了结构物的使用功能和安全。

　　一、混凝土结构耐久性定义

　　这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素(1)环境：结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中，并受其侵蚀作用：(2)功能：结构的耐久性是一个结构多种功能(安全功能、适用性等)与使用时间相关联的多维函数；(3)经济：结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用．根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验．可将混凝土结构的工作环境分成6大类：(大气环境；②土壤环境；③海洋环境；(受环境水影响的环境；(化学物质侵蚀环境；(特殊工作环境。同时．结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。

　　二、影响混凝土结构耐久性的主要因素

　　(1)混凝土的碳化。混凝土碳化又称为混凝土的中性化,几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中,混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用。其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏,在一定条件下使钢筋产生锈蚀。

　　(2)混凝土碱集料反应。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂,集料中活性材料主要是SiO2、硅胶盐、碳酸盐等。混凝土碱集料反应中碱与SiO2反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅胶盐等凝胶遇水膨胀,将在混凝土内部产生很大的膨胀应力,引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布,故裂缝首先在混凝土表面乱向、大量产生,随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速下降。引起碱集料反应的3个条件中有2个来自混凝土内部本身,即混凝土凝胶中碱性物质、集料中有活性骨料(如含SiO2的骨料),第三个条件是外部的即水分,干燥条件下碱骨料反应难以发生。

　　(3)混凝土的冻融破坏。硬化后的混凝土内部有较多毛细孔,在潮湿、浸水条件下毛细孔处于饱水状态,此时混凝土负温受冻时其内部毛细孔中处于游离状态的水结冰,产生体积膨胀,另外毛细孔中处于过冷状态水分也将向毛细孔中冰的界面渗透而在毛细孔中产生渗透压力,毛细孔中膨胀压力和渗透压力共同作用下混凝土内部将产生裂缝和损伤,多次反复损伤积累至一定程度时将引起结构破坏。

　　(4)侵蚀性介质的腐蚀。化学介质,如硫酸盐、海水、腐殖质(呈酸性)、泥炭土存在的碳酸等都可能对混凝土产生腐蚀。

　　(5)机械磨损。不少混凝土结构在使用过程中不可避免地要经常性承受各种机械磨损,如建筑工程中楼地面、楼梯,路桥工程中路面、桥面,水工建筑物中溢洪道、消能结构、有压输水管等混凝土结构在使用中都将承受人群、车辆、高速水流等引起的机械磨损。

　　(6)钢筋锈蚀。钢筋锈蚀是混凝土结构最常见的耐久性问题,它一般是电化学腐蚀。电化反应必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和CL-。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素。CL-离子侵入(如用海浇

　　混凝土,环境CL-渗入等)也可使钢筋表面钝化膜迅速脱钝。根据钢筋锈蚀区的分布可将钢筋锈蚀分为两类:①裂缝处的锈蚀:构件混凝土表面可能由于荷载作用、沉降引起变形,产生结构性裂缝,也可因干缩、温度应力、碳化、碱骨料反应等因素产生非结构性裂缝。当在裂缝处存在水、氧、CL-侵入时,会使钢筋在裂缝附近产生锈蚀。②普遍蚀锈:当混凝土碳化到钢筋表面时,一旦存在水、氧、CL-等条件时首先在裂缝处出现钢筋坑蚀,进而发展为环蚀,环蚀向周围扩展成成片的普遍锈蚀,成片的锈蚀由于体积膨胀使混凝土沿保护层发生纵向裂缝,从普遍锈蚀发展过程可看出其特点是“先锈后裂”。

　　其他因素。混凝土结构耐久性问题具有“复杂性”,除以上主要因素外,长期处于自然环境中的混凝土结构还将受到各种有害因素甚至严重偶然因素的影响,如持续超高气温、生物腐蚀、风沙等等。

　　三、提高混凝土结构耐久性的技术措施

　　（一） 改进结构构件的设计

　　(1)要有足够的钢筋保护层厚度《混凝土设计规范GB50010-2010》提出如果混凝土实际保护层比要求的减少一半,碳化或氯离子侵入钢筋表面的时间就会提前3/4。CEP-FIP模式规范按暴露条件、构件类别及混凝土强度等级,规定了不同保护层厚度, 如一般构件, 混凝土为C25～C30时,保护层不小于40mm, 基础混凝土等级≦C25的应再加5mm.考虑碳化速度的影响，使用年限100年的结构，保护层厚度取1.4倍。而美国ACI-201委员会规定接近水位或外露与海上的沿海建筑物,其保护层厚度最小75mm,混凝土路面及桥梁护栏最少为50mm;美国ACI-318规范规定室内混凝土梁、柱,筋的最小保护层厚度为38mm;我国现行《混凝土结构设计规范》对室内环境的梁、柱结构最小保护层厚度也做了具体规定：

　　设计使用年限为50年的混凝土保护层的最小厚度c(mm)

　　注：1 混凝土强度等级不大于C25时，表中保护层厚度应增加5mm；

　　2 钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm。

　　3 设计年限为100年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度表中保护层数值的1.4倍。

　　(2)混凝土结构及构件尚应采取下列耐久性技术措施：

　　 ① 预应力混凝土结构中的预应力筋应根据具体情况采取表面防护、孔道灌浆、加大混凝土保护层厚度等措施，外露的锚固端应采取封锚和混凝土表面处理等有效措施。

　　 ② 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。

　　 ③ 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。

　　 ④ 处于二、三类环境中的悬臂构件宜采用悬臂梁-板的结构形式，或在其上表面增设防护层。

　　 ⑤ 处于二、三类环境中的结构构件，其表面的预埋件、吊钩、连接件等金属部位应采取可靠地防锈措施，对于后张预应力混凝土外露金属锚具应采取可靠的防腐及防火措施。

　　 ⑥ 处在三类环境中的混凝土结构构件，可采用阻锈迹、环氧树脂层钢筋或其他具有耐腐蚀性能的钢筋、采取阴极保护措施或采用可更换的构件等措施。

　　(3)正确选用钢筋及其间距;尽量不用腐蚀敏感的钢筋,如ф≤4mm的钢筋及经过处理的钢筋,以及持续拉应力大于400MPa的冷加工的钢筋;钢筋的间距要保证易于振捣。

　　(4)限制含盐量;含盐尤其含氯离子成分对钢,筋腐蚀有严重影响,国外一般限制氯离子含量要小于水泥重量的0.3%～1.0%,德国甚至不允许用CaCl2。

　　（二） 加强施工管理

　　(1)充分振捣和充分养护,可以增加混凝土内部及表面的密实性,降低混凝土渗透性,养护不好对混凝土的碳化合抗腐蚀的能力影响甚大,养护的敏感性随水灰比的增加,水泥用量的减少而增大。

　　(2)为防止除冰盐剥蚀混凝土,可采用引气剂,形成均匀气泡,降低混凝土渗透性。

　　(3)对沿海地区氯盐(NaCL、CaCl 2、MgCl2)含量超过70%的盐渍土地区,可采用增加水泥用量、减少水灰比,掺加减水剂或掺加钢筋阻锈剂(水泥用量的1%～3%),提高混凝土密实性并防锈。

　　（三） 防止继续劣化的措施

　　(1)涂层法。采用一些防护装饰材料涂盖在构件表面上,如丙乳砂浆、环氧树脂砂浆、过氯乙烯涂料等,或者增涂一层水泥砂浆(厚度20mm左右),均能阻止空气中氧和盐类继续侵入,延缓混凝土碳化合防止钢筋进一步锈蚀。

　　(2)阴极防腐法。由于混凝土含盐浓度不同,钢筋之间存在电位差,阴极钢筋锈蚀,可采用在混凝土表面涂一层导电涂料或埋设导电材料(铂丝等),与直流电源正极相连,形成新的电位差,使原钢筋骨架转化为阴极,则钢筋锈蚀可得到抑制。

　　（四）混凝土结构在设计使用年限内尚应遵守下列规定：

　　(1)建立定期检测、维修制度。

　　(2)设计中可更换的混凝土构件应按规定更换。

　　(3)构件表面的保护层应按规定维护或更换。

　　(4)结构出现可见的耐久性缺陷时，应及时进行处理。

　　四、结束语

　　建筑技术的发展，钢筋混凝土结构的设计也随之丰富起来，但是为了达到耐久性的需求，设计时应当利用概念设计的理念针对结构设计的关键问题进行控制，提高房屋的钢筋混凝土结构设计的耐久性。

相信经过以上的介绍，大家对钢筋混凝土结构设计的耐久性探析也是有了一定的认识。欢迎登陆鲁班乐标，查询更多相关信息。