結構混凝土耐久性設計
工程技術
作者：徐振偉
【摘要】混凝土是多組份、多孔和多相的結構工程主要材料，與環境作用，使得耐久性對工程的使用年限、使用功能有著深刻的影響，結合自己多年的設計經驗和理解，對結構混凝土耐久性設計談以下幾點體會。
【關鍵詞】劣化；耐久性；滲透性；碳化；堿骨料反應；凍融循環；鋼筋保護層
1、耐久性設計的理由
混凝土的耐久性是在外部和內部不利因素的長期作用下，保持其原有設計性能和使用功能的性質，在各種多樣性的使用環境下抵抗各種物理和化學作用破壞的能力。結構的設計使用年限通過安全性、適用性和耐久性來實現。而耐久性是實現預期使用年限中適用性和安全性的基礎。因混凝土耐久性不足而引起結構性能劣化，造成各種損失、降低建築物的使用壽命，混凝土劣化是內外因素及相互作用的結果，主要表現為：
混凝土中的氣體、液體和離子在滲透、擴散和遷移中使得滲透性對結構性能有本質的影響；多孔-裂縫-缺陷間有著複雜的聯係，是水灰比、水泥用量、摻合料、骨料、外加劑與成型工藝、養護條件綜合作用的結果。環境的物理化學作用對混凝土有劣化作用，如材料與環境的磨損、衝蝕、荷載、溫度作用外，土壤和地下水中存在的硫酸鹽等腐蝕性介質導致混凝土膨脹和開裂，增大了滲透性，加速了混凝土的劣化。空氣中二氧化碳氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低即混凝土碳化，又稱作中性化，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護，促成鋼筋開始生鏽。嚴重的鏽蝕膨脹使鋼筋與混凝土黏結衰減失效、隨著混凝土保護層開裂甚至脫落，鋼筋的鏽蝕加劇，進一步促使混凝土的劣化。北方嚴寒地區混凝土中結冰的水會體積膨脹而過冷的水會發生遷移，產生的壓力會引起混凝土開裂和剝落，而溫度回升後冰隨著融化更多的水被吸入裂縫中，這種凍融與滲透性加速了混凝土劣化，而除冰鹽在北方地區的使用帶來對混凝土耐久性的降低。混凝土骨料中的活性礦物成分（活性二氧化矽）與堿性氫氧化物在潮濕環境下發生化學反應生成膨脹性堿矽膠，即堿骨料反應引起混凝土強度和彈性模量損失，其膨脹和開裂形成裂紋和裂縫或宏觀錯位。而水氣引入的過量氯離子會引起結構中鋼筋嚴重鏽蝕。環境溫度和濕度變化，導致混凝土濕脹幹縮、熱脹冷縮，引起混凝土中各組成材料因彈性模量不一致而漲縮不一致，產生微裂紋。所以，要防止混凝土碳化、限製堿含量、控製水膠比和混凝土中氯離子含量、控製溫濕度、選擇合適的骨料及級配、在規範基礎上選擇最外層鋼筋的混凝土保護層厚度是結構耐久性設計中的重要內容。
2、耐久性設計的原則
結構設計規範中的要求是基於公共安全和社會需要的最低限度要求。工程都有各自的特點和環境及施工方式，所以有時僅僅滿足規範的某些最低要求往往不能保證具體設計對象的耐久性從而保證設計使用年限。不同技術標準規範對同一問題規定不同，這時就需要設計人員運用力學、物理化學知識具體問題具體分析，有針對性、有理有據采取措施。工程技術人員的專業分析判斷能力往往比規範的規定更可靠。水泥用量要適當，主要控製水膠比、采用最佳礦物摻合料的參量和比例，摻減水劑和引氣劑，骨料的粒徑不宜過大，粗骨料一般不超過30mm為宜，而混凝土施工或與預製構件製作中要加強養護來控製溫度、塑性和幹縮等裂縫的產生和發展，從而製作成低孔隙、界麵結合良好和少裂縫混凝土，達到耐久性目的。為了避免混凝土碳化的影響需要使鋼筋有足夠的混凝土保護層厚度，避免鋼筋因碳化鏽蝕而影響鋼筋混凝土的性能。
北方地區為了抗凍融，要對地下水文地質情況做到心裏有數，因混凝土孔隙水受凍結冰、遇熱融化的反複等交替的累計效應，會引起混凝土破壞，除了上麵提到的因素外吸水飽和度和環境狀況在這種破壞中具有更加特殊的作用。降低水灰比、摻矽灰等抗凍性高的摻合料、用堅固的吸水率低的優質骨料及合理的骨料級配，在必要時用減水劑、引氣劑等來減緩冰凍壓力。鹽溶液、幹濕、凍融循環等各種因素的交互作用則將是更加不利的情況。因堿骨料反應發生往往在潮濕環境中，所以限製混凝土中堿含量，尤其是在地下工程、路橋工程、潮濕環境中根據情況不同程度的嚴格限製，這是防止堿骨料反應的重要措施；此外礦物摻合料、摻入引氣劑等也可有效的減輕堿骨料反應。耐久性和結構承載力設計有時對混凝土最低強度有不同要求，這就要同時考慮二者中要求偏高的要求，有些地下工程往往是耐久性起控製作用，同時應注意混凝土強度與鋼筋級別的匹配，從現行規範看，基礎及地下工程不能使用HPB300級鋼筋，而應使用比此級別高的鋼筋。所以耐久性設計應以解決混凝土劣化，保證結構的使用壽命為基本原則。