建筑工程中混凝土結(jié)構的耐久性設計

段妮妮，張 彬

1.山東省熱電設計院，山東 濟南 250100

2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013

建筑工程的結(jié)構主體由混凝土、鋼筋等組成，混凝土的耐久性是影響結(jié)構工程質(zhì)量的重要因素。雖然我國的結(jié)構工程發(fā)展迅速，但混凝土結(jié)構的耐久性設計仍然與國外先進水平存在一定的差距[1]。因此，研究建筑工程中的混凝土結(jié)構設計具有重要的現(xiàn)實意義。混凝土結(jié)構的耐久性主要指在自然環(huán)境下和使用條件下保持原有混凝土結(jié)構性能的一種能力，即混凝土結(jié)構抵抗外界影響因素侵蝕破壞的能力。混凝土結(jié)構的使用環(huán)境復雜多變，極易造成混凝土結(jié)構的侵蝕破壞，進而縮短建筑工程的使用壽命。鑒于此，筆者結(jié)合實踐經(jīng)歷，分析建筑工程中混凝土結(jié)構耐久性設計，為提高建筑工程施工質(zhì)量和延長建筑壽命提供參考。

1 混凝土結(jié)構耐久性的影響因素

1.1 自然環(huán)境的影響作用

混凝土結(jié)構的耐久性受自然環(huán)境的影響較大，這是由于自然環(huán)境隨著天氣、氣候以及空氣中污染物的含量等變化，導致大氣降水的pH值變化較大，即地表水體的酸堿度處于波動狀態(tài)，進而對混凝土結(jié)構產(chǎn)生侵蝕破壞[2]。因此，有必要分析混凝土的使用環(huán)境。在混凝土結(jié)構耐久性設計過程中，若混凝土結(jié)構裸露于地表，則應該充分研究雨水的酸堿度、氣候變化特征等；若混凝土結(jié)構位于地下，則還需考慮地下水及巖土體對混凝土結(jié)構的侵蝕破壞，包括酸度、鹽度等因素。

1.2 混凝土結(jié)構的碳化

混凝土結(jié)構的碳化現(xiàn)象（見圖1）極為普遍，碳化過程主要指混凝土結(jié)構中的部分堿性物質(zhì)與所處環(huán)境中的二氧化碳接觸過程中產(chǎn)生的化學反應，使混凝土結(jié)構中的主要組分成分、結(jié)構以及物理化學性能發(fā)生改變[3]。混凝土結(jié)構的碳化過程使混凝土的堿度顯著降低，進而使混凝土結(jié)構內(nèi)部的鋼筋鈍化膜遭到侵蝕破壞，加劇了混凝土結(jié)構中鋼筋結(jié)構的腐蝕速率，間接地降低了混凝土結(jié)構的耐久性。因此，抗碳化設計是評價混凝土結(jié)構耐久性的重要指標之一。

圖1 混凝土碳化

1.3 混凝土結(jié)構中的鋼筋銹蝕

混凝土具有較強的堿性特征，這是由于混凝土結(jié)構中含有較多的氫氧化鈣飽和溶液。同時，強堿性能夠使鋼筋表面快速形成一層致密的氧化膜，即鋼筋鈍化膜。因此，混凝土能夠有效地保護鋼筋結(jié)構，使鋼筋內(nèi)部不再繼續(xù)受到腐蝕破壞，對防治鋼筋生銹有明顯的效果。但是，當混凝土結(jié)構的內(nèi)部物質(zhì)與空氣以及地下的水分、二氧化碳等接觸時，混凝土結(jié)構中的氫氧化鈣會產(chǎn)生化學反應生成碳酸鈣，進而使混凝土的堿度逐漸降低。大量的研究資料顯示[4]，當混凝土中的pH值小于11.5時，混凝土結(jié)構中鋼筋結(jié)構表面的鈍化膜將遭到破壞，即鋼筋結(jié)構失去了鈍化膜的保護，極易使鋼筋產(chǎn)生銹跡（見圖2）。鋼筋生銹過程中能夠生成一定數(shù)量的氯離子，氯離子含量的增加，加劇了鋼筋的腐蝕速率。因此，混凝土結(jié)構中鋼筋結(jié)構的腐蝕是影響混凝土結(jié)構耐久性的另一個重要因素。

圖2 混凝土結(jié)構中鋼筋結(jié)構銹蝕

1.4 混凝土堿-集料反應

混凝土中含有大量的氫氧化鈣，使混凝土具有強堿性。但是，混凝土中的堿性物質(zhì)能夠與混凝土集料中含有部分活性成分的材料發(fā)生化學反應，導致混凝土結(jié)構體積膨脹，使混凝土結(jié)構局部受力破壞。因此，混凝土堿-集料反應是影響混凝土結(jié)構耐久性的重要因素。通常情況下，在混凝土制作過程中，外加劑、水泥和水分是重要的基礎材料，而上述材料中均含有一定數(shù)量的堿性物質(zhì)，可與集料中的活性組分反應形成一種硅膠體物質(zhì)，在遇水的條件下產(chǎn)生劇烈的膨脹，進而導致混凝土結(jié)構受力，形成裂隙，甚至開裂。

2 混凝土結(jié)構耐久性設計

2.1 明確設計目標

要想做好混凝土結(jié)構耐久性設計，首先需要明確耐久性設計的目標。（1）明確混凝土結(jié)構的強度和預期達到的使用壽命，根據(jù)對強度和壽命的要求選擇混凝土的基本材料組成。（2）明確混凝土結(jié)構的使用環(huán)境，包括使用區(qū)域的雨水酸堿度、氣候變化以及地下水的酸度、堿度、礦化度、鹽度等，同時根據(jù)調(diào)查結(jié)果調(diào)整混凝土材料、配比等。（3）若混凝土結(jié)構的使用環(huán)境溫度較低，如處于我國高寒冷高海拔地區(qū)，則需要結(jié)合使用區(qū)域的平均年凍融次數(shù)合理地增加引氣劑，從而有效地提高混凝土結(jié)構的耐久性。（4）若混凝土結(jié)構的使用環(huán)境存在較大的化學侵蝕作用，如雨水pH值較低，且地下水為酸性等，或地下水含有較高的鹽度等，需要對混凝土結(jié)構中的鋼筋結(jié)構進行抗腐蝕處理，如采用環(huán)氧涂層等。（5）若混凝土結(jié)構的使用環(huán)境變化較大，則需要針對不同環(huán)境對混凝土結(jié)構耐久性設計進行優(yōu)化，如預應力混凝土結(jié)構與普通混凝土結(jié)構混合使用時，需要根據(jù)使用環(huán)境等確定保護層的厚度。（6）為了提高混凝土結(jié)構的耐久性，應加強鋼筋結(jié)構表面的排水研究。

2.2 抗碳化及堿-集料反應設計

上文已述及，混凝土結(jié)構中含有過飽和的氫氧化鈣溶液，極易導致混凝土碳化或者發(fā)生堿-集料反應。因此，提高混凝土結(jié)構的耐久性必須加強抗碳化及堿-集料反應設計。混凝土結(jié)構耐久性設計中抗碳化及堿-集料反應設計可從封堵二氧化碳方面著手。二氧化碳是導致混凝土結(jié)構耐久性降低的主要原因，也是引發(fā)混凝土碳化的主要物質(zhì)成分，因此可通過封閉涂層的方式在混凝土結(jié)構表面形成一層致密的保護層，涂層材料可通過混凝土內(nèi)部的孔隙等滲透至混凝土結(jié)構內(nèi)部，從而有效地封堵混凝土內(nèi)部細小裂縫，使空氣和水體中的二氧化碳難以進入混凝土結(jié)構內(nèi)部，避免或者減緩混凝土的碳化及堿-集料反應，進而達到耐久性設計的預期目標。此外，利用涂層材料封堵混凝土結(jié)構中的細小裂隙及孔隙，有效地降低了混凝土結(jié)構孔隙中的水分含量，能夠有效地緩解凍融作用對混凝土結(jié)構的破壞，提升混凝土結(jié)構的耐久性。

2.3 防護鋼筋銹蝕的設計

影響混凝土結(jié)構耐久性的另一個重要因素就是混凝土結(jié)構中鋼筋結(jié)構的銹蝕現(xiàn)象，現(xiàn)階段常用的防護鋼筋銹蝕的方式為使用鋼筋銹蝕阻銹劑。鋼筋銹蝕阻銹劑從本質(zhì)上講是一種化學合成物，將其涂抹在鋼筋表面，能夠有效地防護鋼筋銹蝕。因此，在建筑工程混凝土結(jié)構耐久性設計中合理使用阻銹劑，不但能夠有效地避免鋼筋銹蝕，而且當鋼筋出現(xiàn)銹蝕時能夠起到一定的緩解作用，即能夠降低鋼筋銹蝕速率。常用的阻銹劑包括鈍化劑、吸附性阻銹劑等。此外，電化學反應也是有效阻止鋼筋銹蝕的方法之一，當混凝土結(jié)構中鋼筋表面的鈍化膜等遭到破壞而導致鋼筋銹蝕時，開始一般僅發(fā)生在混凝土結(jié)構的局部區(qū)域，可通過電化學反應的方式進行處理，如通過電化學反應的陰極進行脫氯、再堿化過程，進一步起到對鋼筋的保護作用。

3 結(jié)束語

文章研究表明，影響建筑工程混凝土結(jié)構耐久性的因素主要包括自然環(huán)境、碳化、堿-集反應、鋼筋銹蝕等。采用封閉涂層的方法，能夠有效地減少鋼筋以及混凝土原料等與二氧化碳的接觸，對提高混凝土的抗碳化性能和減緩堿-集反應等意義重大。