混凝土結構耐久性檢測與評估實踐探討

吳小立(上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032)

自 20 世紀 50 年代以來，混凝土結構耐久性問題逐漸得到廣泛關注，而且耐久性病害亦日益增多。大量混凝土結構出現耐久性損傷及耐久性能退化，進而影響結構安全與正常使用。現有研究對環(huán)境介質的侵蝕機理、銹蝕混凝土構件的受力性能、結構的時變可靠度等方面有了清晰認識，并開發(fā)出鋼筋銹蝕監(jiān)測和檢測技術，結構全壽命設計與維護也逐漸成為共識[1-2]。為更好地達到可持續(xù)發(fā)展目標，混凝土結構服役過程中定期耐久性檢測和評估也就顯得尤為重要。

1 混凝土結構耐久性及其機理概要

混凝土結構耐久性指在環(huán)境作用和正常維護、使用條件下，結構或構件在設計使用年限內保持其適用性和安全性的能力[3]。混凝土結構耐久性損傷主要包括混凝土腐蝕及損傷、鋼筋銹蝕及銹脹開裂[1]，典型混凝土耐久性損傷如圖 1所示。

圖 1 典型混凝土耐久性損傷

混凝土腐蝕及損傷包括由凍融循環(huán)或除冰鹽引致的損傷和剝落、堿-集料反應的膨脹開裂、化學腐蝕剝落、環(huán)境水對混凝土的溶蝕以及其他沖刷和磨損等[3]。鋼筋銹蝕及銹脹開裂主要由混凝土碳化中性化引致潮濕環(huán)境下的鋼筋銹蝕及氯離子或硫酸根離子侵蝕導致。鋼筋銹蝕及銹脹開裂是混凝土構件承載力衰退和結構破壞的主要原因，也是混凝土結構最普遍、危害最大的耐久性問題之一[2]。

相比各類耐久性病害，混凝土結構遭受侵蝕環(huán)境主要有一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境和化學腐蝕環(huán)境等幾類。

（1）在一般大氣環(huán)境中，混凝土碳化進而引致鋼筋銹蝕為主要耐久性病害。混凝土碳化本身并無太多危害，甚至可提高混凝土強度，但其將導致混凝土中性化和堿度降低，造成鋼筋脫鈍，在充足氧和水條件下鋼筋銹蝕，并隨時間推移致混凝土銹脹開裂。

（2）凍融環(huán)境可進一步分為一般凍融環(huán)境、寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境 3 類，后兩種存在凍融循環(huán)與氯離子侵蝕的耦合作用。凍融循環(huán)造成混凝土破壞主要為物理作用過程，是混凝土受到溶液相變引起的體積膨脹壓及溶液固、液、氣三相共存平衡關系引起的蒸汽壓和滲透壓等反復應力作用導致內部損傷積累破壞的過程。

（3）氯化物環(huán)境包括海洋氯化物環(huán)境和除冰鹽等其他氯化物環(huán)境。氯離子通過滲入或摻入存在混凝土中，到達鋼筋表面后迅速破壞鈍化膜形成腐蝕電池。通過催化作用、去極化作用和導電作用，使混凝土中鋼筋電化學反應加快，而且混凝土中氯離子濃度越高鋼筋銹蝕危險性越大。

（4）化學腐蝕環(huán)境中主要發(fā)生硫酸根的化學腐蝕和鹽結晶腐蝕?；瘜W腐蝕產生的鈣礬石、石膏或碳硫硅鈣石膨脹以及鹽結晶鹽析過程中晶體的增長膨脹對混凝土內部形成膨脹壓力，導致混凝土表層剝落和內部損傷。

2 混凝土結構耐久性檢測

2.1 耐久性檢測項目

為確?；炷辆哂凶銐蚰途眯阅埽枰M行良好的耐久性設計及必要的耐久性檢測。耐久性設計主要采用經驗方法，根據結構設計使用年限和所處環(huán)境規(guī)定混凝土材料基本性能要求（如水灰比、強度等級、氯離子擴散系數、集料活性、含氣量和氣泡間距及抗凍和抗?jié)B指標等）、鋼筋最小保護層厚度、裂縫寬度控制以及特殊耐久性措施和必要檢測維護制度等[3]。耐久性檢測則根據耐久性各類侵蝕的機理和特點，對混凝土結構所處環(huán)境和性能劣化情況進行調查和檢測。耐久性檢測項目主要包括周邊環(huán)境調查、混凝土構件幾何尺寸、混凝土保護層厚度、外觀缺陷與損傷、混凝土抗壓強度、鋼筋銹蝕狀況、構件開裂狀況、碳化深度、混凝土滲透性、混凝土中氯離子濃度分布、混凝土中硫酸根離子濃度分布及混凝土含水率等?；炷两Y構耐久性檢測項目詳細分類情況見表 1。

表 1 混凝土結構耐久性檢測項目分類[4]

2.2 耐久性檢測特性梳理

耐久性檢測與一般工程檢測存在較大差異。實際檢測中需要注意其固有特點和差別。

（1）耐久性檢測位置一般選擇在主要構件或主要受力部位、鋼筋可能銹蝕部位、混凝土銹脹開裂部位以及布置混凝土碳化測區(qū)的部位?；炷帘Ｗo層厚度和碳化深度的測點宜布置在同一測區(qū)。

（2）房屋使用功能或環(huán)境（包括結構整體和局部環(huán)境）發(fā)生顯著改變時，結構所受荷載以及環(huán)境侵蝕作用均將發(fā)生顯著改變，因而在耐久性檢測時需要特別關注涉及腐蝕性物質和潮濕環(huán)境的使用功能改變情況。

（3）不同侵蝕環(huán)境存在不同耐久性問題，因而耐久性檢測應做必要區(qū)分?；炷羷兾g應區(qū)分凍融破壞、硫酸根侵蝕損傷和堿-集料反應破壞。鋼筋銹蝕問題應判斷銹蝕原因是一般碳化、氯離子侵蝕、硫酸根離子侵蝕，而氯離子侵蝕尚應區(qū)分滲入型和內摻型。

（4）碳化能改變混凝土表面硬度，是回彈檢測混凝土強度的重要參數。同時碳化是一般大氣環(huán)境中混凝土中性化、鋼筋脫鈍銹蝕的重要因素。兩者對碳化深度有不同的影響范圍限定，影響回彈強度范圍為 0～6 mm，而耐久性中碳化深度影響限值則為保護層厚度(或碳化殘量深度)。

（5）混凝土保護層一方面為鋼筋提供握裹力，另一方面為鋼筋提供耐久性保護。因而與承載力計算時看重縱筋（主受力筋）保護層厚度不同，耐久性檢測則需關注箍筋（或最外層受力筋）的保護層厚度。

（6）鋼筋銹蝕在耐久性中危害性最大，特別是保護層開裂后，鋼筋銹蝕速率將顯著加快，因而現場檢測時應特別關注鋼筋銹蝕程度以及引致銹蝕可能原因。一般大氣濕度在45%～80% 時，銹蝕較容易發(fā)生。但干濕交替或環(huán)境中有微量腐蝕介質時，會加快鋼筋銹蝕；因而檢測時應加強環(huán)境中干濕交替和腐蝕性情況調查。

3 混凝土結構耐久性評估

3.1 耐久性等級評估

現有耐久性評定標準中構件耐久性等級根據耐久性裕度系數或耐久性損傷狀態(tài)評定[3]。裕度系數以結構剩余使用年限與目標使用年限比值，或者某項性能指標臨界值與評定值比值確定。當裕度系數 ＞ 1.8，評為 a 級；＞ 1.0 且 ＜ 1.8 時評為 b 級；≤ 1.0 時評為 c 級。耐久性損傷狀況達到保護層脫落、表面外觀損傷已造成混凝土構件不滿足相應的使用功能時，則直接評為 c 級。一般大氣環(huán)境根據構件重要性和構件類型以鋼筋開始銹蝕、保護層銹脹開裂（裂縫寬 0.1 mm）或保護層銹脹裂縫寬度達到限值（裂縫寬 3.0 mm）的耐久年限計算裕度系數。氯鹽侵蝕環(huán)境以鋼筋開始銹蝕或保護層銹脹開裂的耐久年限計算裕度系數。凍融循環(huán)環(huán)境和硫酸鹽侵蝕環(huán)境主要以混凝土損傷極限評定耐久性。主要混凝土耐久性評定概況見表 2。

表 2 混凝土耐久性評定概況

3.2 耐久性對承載力劣化影響評估

當耐久性損傷較嚴重時會影響混凝土構件的承載力和剛度，甚至會導致構件失效。耐久性損傷對承載力影響主要體現在材料力學性能的劣化、構件截面尺寸和鋼筋截面面積的減小以及鋼筋與混凝土黏結性能的退化。因而，構件承載力和剛度計算時，構件截面尺寸采用損傷后的實際截面尺寸，混凝土強度取實測強度推定値。鋼筋截面面積采用銹蝕后實際截面面積，屈服強度則根據銹蝕截面損失率（不超過12%）考慮折減。同時，當鋼筋銹蝕嚴重時，鋼筋與混凝土之間黏結性能退化，相對滑移增加，鋼筋應變沿梁趨于均勻而存在應變滯后現象，鋼筋不容易達到屈服造成界限相對受壓區(qū)高度變化，形成“黏結失效超筋梁”，最終構件承載力和剛度均下降。

3.3 耐久性損傷處理建議

耐久性問題處理包括對混凝土損傷和鋼筋銹蝕的相關處理。混凝土損傷處理主要是將已碳化、已腐蝕的混凝土清理干凈，并噴涂灌漿料和修補砂漿修復。銹蝕鋼筋則應進行除銹處理、涂刷鋼筋阻銹劑，并采用電化學保護，包括陰極保護、電化學脫鹽和再堿化等。當對承載力影響較大時，尚應涂刷界面劑、粘貼碳纖維布等進行加固處理。

4 結 語

目前混凝土結構耐久性問題日益突出，相關檢測和鑒定技術也日漸成熟，并已有相關標準依據。因此，在房屋檢測中加強耐久性檢測評估將有利于混凝土結構可持續(xù)發(fā)展。結合混凝土結構耐久性檢測評估實踐及相關標準，耐久性主要損傷類別、損傷機理以及耐久性檢測評估工程實踐等得以初步探討，以期可供后續(xù)工程實踐參考。