砼結構的耐久性設計

顧曉鋒

摘要：在我國目前的大量建筑工程當中，新建和返修的項目當中均大量運用了砼結構作為主體結構，其耐久性問題在發(fā)達國家當中也成為了主流性的關注重點。因此，對于砼結構耐久性的研究應積極參照可靠數(shù)據(jù)進行強化分析，進行系統(tǒng)化、科學化的研究，將砼結構的耐久度設計、判定評估以及項目整體的使用壽命進行全面判定，這樣才能對砼結構耐久性設計進行強化與完善，并且將施工項目的使用壽命提高到新的層次，也是強化我國建筑領域的重要措施之一。本文對砼結構的耐久性設計進行了探討。

關鍵詞：砼結構；耐久性；設計；方法

由于影響砼結構物耐久性因素非常復雜，有的是不可預見的，因此對嚴重腐蝕環(huán)境下的原有結構要進行定期檢測，對于正在進行設計的結構物，要進行工程分析，調查所在地的水文、地下水以及污染源，摸清所在地區(qū)原有結構物腐蝕情況，做到科學設計與施工。要達到設計壽命的預定目標，必須要求科學地分析客觀環(huán)境，找出結構物所處位置的污染因子，進行工程分析，并轉變設計思路，從強度設計到性能設計轉化，只有采用正確的設計，選用正確的材料，進行正確的施工，加強正常的養(yǎng)護，這些需要建設單位、設計人員、施工方和用戶共同參與，才能延長結構物的使用壽命。

一、砼結構的耐久性概述

在深入研究砼結構耐久性的過程中，應對其不斷的進行總結，而所謂的耐久性就是指砼的結構和構件在事前可以預測到的工作環(huán)境中，并且在很多外界因素的影響下，在規(guī)范的時間內對污染物侵蝕、天氣以及使用等各種因素所導致的劣化作用進行抵抗的過程，在這段抵擋外界因素的規(guī)定的時間之內，不用采取相應的養(yǎng)護和維修的措施就可以繼續(xù)發(fā)揮固有的作用，充分地保證了砼結構的安全性和實用性，使其符合工程項目的實際要求。在定義砼結構耐久性的過程中，對于其影響的因素主要歸納為三個方面，分別為功能、環(huán)境以及經(jīng)濟，而在特定的條件下，外界的不可抗拒的因素肯定也會侵蝕砼結構的耐久性，另外，砼自身結構是很難保證絕對穩(wěn)定的，隨著時間的不斷推移，砼結構的耐久性肯定也是逐步的降低的，因此，在道路工程以及建筑工程等項目的使用過程中，砼結構在正常和自然的損耗下，其耐久性就也會受到不同程度的影響。在此行業(yè)中，對砼結構的作業(yè)區(qū)域進行了詳細地分析，根據(jù)其實際的應用情況一共將其分為了六大應用環(huán)境，即海洋、大氣、化學物質、環(huán)境水、土壤以及特殊工作環(huán)境，而對于砼結構的耐久性來說，其是結構自身的一種綜合性能，對結構的整體承載力和正常使用會產(chǎn)生一定的影響，并且隨著時間的不斷推移，在計算砼結構的使用狀態(tài)和承載能力的過程中，也應將其耐久性納入進來。

二、砼結構耐久性的影響因素

1、內部因素

（1）砼的堿- 骨料反應

堿- 骨料反應一般指水泥中的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應，生成堿- 硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成砼開裂。其引起的砼結構破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果也更為嚴重。而且堿-- 骨料反應一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會使結構出現(xiàn)明顯開裂，所以有時也稱堿- 骨料反應是砼結構的“癌癥”。

（2）砼的碳化

砼的碳化是指砼中氫氧化鈣與滲透進砼中的二氧化碳和其它酸性氣體發(fā)生化學反應的過程。正常情況下砼呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護鋼筋免遭酸性介質的侵蝕，起到“鈍化”保護作用。而碳化的實質是砼的中性化，砼的堿性降低，鈍化膜遭到破壞，使砼失去對鋼筋的保護作用。碳化同時也會加劇砼的收縮，致使砼出現(xiàn)裂縫，導致結構的破壞。

2、外部因素

（1）侵蝕性介質的腐蝕

當砼結構處在有侵蝕性介質作用的環(huán)境時，會引起水泥石發(fā)生一系列化學、物理與物化變化，而逐步受到侵蝕，嚴重的使水泥石強度降低，以至破壞。常見的化學侵蝕可分為淡水腐蝕、一般酸性水腐蝕、碳酸腐蝕、硫酸鹽腐蝕等幾類。

（2）砼的凍融破壞

砼的抗凍性是砼受到物理作用（干濕變化、溫度變化、凍融變化等）后反映砼耐久性的重要指標之一。砼凍融作用破壞機理是砼在其凍融的過程中，遭受的破壞應力，損傷砼內部微觀結構。當經(jīng)過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使砼的強度逐步降低，最后甚至完全喪失。

（3）鋼筋的銹蝕

砼中鋼筋的銹蝕是一個電化學過程，電化學腐蝕是砼結構中最常見的影響耐久性的問題，尤其是氯離子腐蝕。氯離子的侵入會使鋼筋表面的鈍化膜迅速破壞，引起鋼筋銹蝕，大量的鐵銹使砼體積膨脹，導致砼沿保護層發(fā)生縱向裂縫，造成鋼筋與砼之間的粘結力破壞，鋼筋截面面積減少，使結構的承載力降低，變形和裂縫增大。并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導致結構的完全破壞。

（4）施工因素影響

砼材料本身質量低下以及骨料級配不當都會導致砼耐久性能下降；施工過程中工人操作不當?shù)热藶橐蛩卦斐傻捻沤Y構的內、外部缺陷，也會使砼容易遭到破壞；而如果水灰比控制不當，砼的密實性就降低，抗?jié)B性就變差，直接影響到砼的耐久性。

三、提高砼結構耐久性設計的方法

1、合理選擇砼結構的組成材料

骨料是砼的主要組成成分，在砼混合料中約占70%。粗骨料壓碎指標增大，砼強度下降；粗骨料的表面愈粗糙，其配制的砼強度愈高。骨料粒徑增大，砼的強度提高，而在高于15 mm后，粗骨料粒徑愈大，砼強度愈低。水泥是促使砼成型的膠凝材料，依據(jù)其使用功能和組成成分的不同劃分為許多種類，其中硅酸鹽水泥砼是目前應用最廣的砼結構組成材料，但硅酸鹽水泥固有的多孔性帶來兩大缺點，即強度不高和耐久性差。摻加高效減水劑可以減少砼中的用量水，降低水膠比，對提高砼強度、耐久性以及增強砼的使用性能具有顯著的效果。隨著砼用鋼筋強度等級進一步提高，低等級鋼筋使用率呈下降趨勢，高等級鋼筋被越來越多的砼結構設計采用。

2、改進結構設計

結構的選型、布置和構造應有利于減輕環(huán)境因素對結構的作用。采用具有防腐保護的鋼筋（例如，體外預應力筋，無粘結預應力筋，環(huán)氧涂層鋼筋等）；加強構造配筋，控制裂縫發(fā)展；加大砼保護層厚度等。《橋規(guī)》與舊《橋規(guī)》相比，加外加劑，摻用超細活性摻合料，它的研制和應用解決的核心問題之一就是保證耐久性。由于高強砼的密實性能好，抗?jié)B、抗凍性能均優(yōu)于普通砼，因此不但適用于高層和大跨度結構物，對于海洋和港口工程，其抗?jié)B和耐腐蝕性能均大大優(yōu)于普通砼。

3、砼結構中總含堿量控制設計

建筑大面積的使用砼結構，由于砼自身化學因素與周圍環(huán)境因素的影響，會造成砼結構建筑的嚴重破壞，如砼集料的堿反應、砼自身的化學干縮反應造成砼的開裂及水化熱性過高造成的溫度開裂等。因此，提高砼建筑的耐久性，需嚴格控制砼的總含堿量，減少其引起的對砼結構的化學破壞，同時在建筑的設計過程中盡可能的隔絕長時間的水與潮濕空氣影響，提高建筑砼結構的耐久性。一般水泥中Na2 和K2O 的主要生產(chǎn)原料是粘土，粘土的含堿量高達2.6% 左右，但使用堿含量為0.2% 左右的砂巖，則會影響到水泥的生產(chǎn)工藝，因此，水泥的堿含量一般難以降低，這時通過采取有效措施降低砼摻料中的堿含量，從而降低砼的總含堿量。如在砼中摻入一些活性混合材料，將建筑砼結構的總堿含量控制在3.0kg/m3以下，可一定程度上緩解砼的堿集料反應。此外還要注意隔絕水等潮濕空氣來源的環(huán)境影響，緩和砼的堿集料反應對建筑工程造成的損害，提高其耐久性。

4、砼結構中防凍融保護設計

由于建筑的砼結構設計過程中，應充分考慮到會有一些游離水會滯留在砼中，從而形成相連通的細孔結構。當砼中的水處于飽和狀態(tài)時，砼中游離水遇冷則可能會凍結成冰，使砼結構的體積膨脹，由于細孔壁要同時承受著膨脹壓和滲透壓，這兩種壓力超過了砼抗拉的最大強度時，建筑中的砼結構就會發(fā)生開裂，而交替反復的凍融侵害，會進一步加大砼結構的裂縫，從而大面積破壞砼結構。因此，應該采取有效措施控制凍融侵害，提高建筑砼的耐久性。首先在水泥的品種的選取時，應考慮到提高砼的抗凍融性要求，合理調配在0℃左右的低溫環(huán)境下適用的砼，如早強硅酸鹽水泥，該品種的水泥的化熱性較大，且在早期的化熱強度最大。在砼的配制過程中，還可通過適當降低水泥的水灰比，稍微增加水泥的比重，從而增加砼的化熱量。同時通過摻入適量的引氣劑，也可增加砼的抗凍融性，但由于市場上品種繁多的引氣劑，在其的選擇上應慎重。此外還可通過蓄熱法和外部的加熱法等，增加建筑砼結構的抗凍融性，提高砼建筑的耐久性。

5、砼結構監(jiān)測與維護

在砼結構使用階段的檢查和維護是必要而有效的，如果缺少對已有砼結構性能的監(jiān)測，人身的財產(chǎn)、生命安全也就失去意義。對已有砼結構的耐久性病害的診治是必要而緊迫的，不僅可以及時查找“病因”，而且對新建的砼結構進行有針對性的預防，正確認識砼劣化現(xiàn)狀，為砼結構的危害治理提供依據(jù)，對砼結構設計有選擇地采用合適的材料和工藝，最大限度地提高砼的結構性能提供依據(jù)。結構在使用階段，應注意檢測，維護和修理，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎設施工程更應如此，建立檢測和評估體系，及時發(fā)現(xiàn)，及時修理，確保混凝土結構的正常使用。在使用中，應盡量避免結構承受超重荷載、接觸腐蝕性物質，并盡量減少凍融環(huán)境的影響。同時在結構建成后定期檢查，在結構破壞超過一定的界限后，就需要詳查破壞原因并評估是否需要維修或加固。

總之，砼結構的耐久性設計，應綜合考慮原料、銹蝕及環(huán)境等因素，通過選取高質量的原料及摻料，控制砼的總含堿量，做好砼的防凍融工作，同時提高砼的抗腐蝕性，能夠有效提高建筑的砼結構的耐久性。此外，在砼建筑結構設計過程中，應嚴格按照國家標準規(guī)范進行設計操作，加強質量的管理及維護，保證建筑的耐久性，促進我國建筑事業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻：

[1]李榮.混凝土基本構件鋼筋銹蝕前后性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2010.

[2]金偉良.鋼筋與混凝土粘結本構關系的試驗研究[J].建筑結構學報，2012.

[3]汪宏濤.混凝土結構耐久性預估研究進展[J].材料導報，2010.

[4]王慶林.服役鋼筋混凝土構件承載力的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2010.