既有建筑耐久性評(píng)估技術(shù)規(guī)范的介紹

方楚忠 藍(lán)曉峰 袁繼雄 黃良朋

（1 汕頭市建設(shè)工程質(zhì)量與安全中心)

(2 廣東居安建筑工程檢測(cè)有限公司)

(3 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院）

耐久性損傷對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用壽命和安全造成的影響，越發(fā)被研究人員和工程建設(shè)者所重視。從二十多年來我們所接觸的工程項(xiàng)目情況而言，汕頭市沿海地區(qū)建（構(gòu)）筑物、橋梁等的混凝土劣化問題明顯，部分結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）問題相對(duì)嚴(yán)重，鋼筋銹縮、銹斷，混凝土開裂剝離現(xiàn)象普遍，耐久性評(píng)估和加固修復(fù)處理的需求量大。

由于耐久性問題與地方環(huán)境作用因素、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)直接相關(guān)[1]，我們需要制定適合本地區(qū)的耐久性評(píng)估方法，并提供地區(qū)數(shù)據(jù)。本標(biāo)準(zhǔn)的編制，能夠?yàn)榧扔薪ㄖ锘炷两Y(jié)構(gòu)鑒定評(píng)估提供技術(shù)支撐,有利于解決和處理汕頭市既有建（構(gòu)）筑物的質(zhì)量和安全問題，有利于社會(huì)穩(wěn)定和保障民生。

1 標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

為滿足汕頭市既有建筑物耐久性評(píng)估的需要，汕頭市建設(shè)工程質(zhì)量與安全中心聯(lián)合相關(guān)單位，合作編制了地方標(biāo)準(zhǔn)DB4405/T 298-2022《既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估技術(shù)規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)包括：基本規(guī)定，建（構(gòu)）筑物進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估的前提條件和具體要求，檢測(cè)評(píng)估的基本程序，工作內(nèi)容等；使用環(huán)境與工程情況調(diào)查的具體內(nèi)容和要求；耐久性檢測(cè)的具體內(nèi)容和要求；耐久性評(píng)估，包括大氣環(huán)境下、氯鹽侵蝕環(huán)境下兩種情形；共有四個(gè)附錄：混凝土中氯離子含量測(cè)定、汕頭市沿海地區(qū)表面氯離子濃度和混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)建議值、算例兩則、誤差函數(shù)表等。

在過去的十年間，這些技術(shù)成果在汕頭市既有混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定工作中已有成功應(yīng)用,應(yīng)用于多個(gè)典型建筑物的檢測(cè)鑒定工作，包括近代的歷史建筑、停工再續(xù)建的樓宇、未建成或未使用的“爛尾樓”、使用超過二十年的建筑物、內(nèi)海灣公園碼頭的原構(gòu)筑物等，建筑面積超過十萬平方米，為既有建筑物改造提供了評(píng)估鑒定資料，保證了改造工程順利進(jìn)行。

2 本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)

本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新性包括：基于耐久性的建筑物剩余壽命綜合評(píng)估方法，用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法等。

2.1建筑物剩余壽命綜合評(píng)估方法

根據(jù)本地情況，要求鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)分別進(jìn)行大氣環(huán)境和氯鹽侵蝕環(huán)境時(shí)的耐久性評(píng)估[2]。該方法在既有建筑物混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定中具備較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

2.1.1大氣環(huán)境下的耐久性評(píng)估

鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限按式(1)計(jì)算。式(1)來源于式(2)，即依Fick 第一定律得到的混凝土碳化基本模型，文獻(xiàn)[3]采用了相同的公式。

式中：t1為大氣環(huán)境下，鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算使用年限(a)；X為混凝土計(jì)算保護(hù)層厚度(mm),按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮一定的保證率取值；k為混凝土碳化系數(shù)(mm/a),綜合反映各影響因素對(duì)碳化速度的影響，包括環(huán)境條件和混凝土抗碳化能力；XC為實(shí)測(cè)混凝土碳化深度(mm),按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮一定的保證率取值；t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間(a)。

2.1.2氯鹽侵蝕條件下的耐久性評(píng)估

氯鹽侵蝕條件時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限按式(3)計(jì)算。

式中：t2為氯鹽侵蝕條件時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算使用年限(a)；D為混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)(mm2/a),按式（4）確定；erf為誤差函數(shù)；Ccr為引起混凝土中鋼筋銹蝕的氯離子臨界濃度值，以在混凝土中的質(zhì)量(kg/m3)計(jì)；C0為混凝土表面氯離子濃度值(kg/m3)，按式（4）確定；Ci為混凝土中的氯離子濃度值(kg/m3)。

混凝土表面氯離子濃度，混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)按式(4)，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合回歸求得。式(4)是由Fick 第二擴(kuò)散定律描述氯離子侵入混凝土過程的解析解。文獻(xiàn)[4]附錄A采用相同的公式。

式中：C為t0時(shí)刻X深度處氯離子濃度值(kg/m3)；X為距離混凝土表面，與C對(duì)應(yīng)的深度值(mm)；t0為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，距離該結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）混凝土成形的時(shí)間(a)。

2.2混凝土中氯離子含量的表示方法

用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法并提供了相應(yīng)的檢測(cè)方法，在檢測(cè)鑒定工作中解決了既有混凝土結(jié)構(gòu)原始資料欠缺，無法通過混凝土配合比參數(shù)計(jì)算氯離子占膠凝材料百分比的問題，在工程檢測(cè)中有重要作用[5]。

硬化混凝土中氯離子含量表示方法主要有三種，一是表示為氯離子占砂漿的質(zhì)量百分比，二是表示為氯離子占膠凝材料的質(zhì)量百分比，三是表示為氯離子占混凝土的質(zhì)量百分比。三種表示方法在檢測(cè)過程的化學(xué)分析部分完全相同，均采用電位滴定法，區(qū)別只在于取樣和樣品制備環(huán)節(jié)。前兩種表示方法和檢測(cè)方法在《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50344-2019 中均有明確規(guī)定，其本質(zhì)上是相同的，因?yàn)槎叩臄?shù)值可以通過混凝土的膠砂比進(jìn)行換算。其弊端是使用鉆芯法取樣對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有一定破壞，芯樣在不同深度分層切割時(shí)有一定難度和空氣污染；另外，在計(jì)算時(shí)如遇到混凝土配合比資料缺失或資料與實(shí)體不一致時(shí)，只能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。

在本標(biāo)準(zhǔn)中，硬化混凝土中氯離子含量表示為氯離子占混凝土的質(zhì)量百分比。取樣方法采用鉆孔法，用小直徑鉆頭在混凝土多個(gè)部位，不同深度中鉆取粉末，經(jīng)再次研磨后進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象是膠凝材料、砂、石的混合物。在計(jì)算過程中，不涉及混凝土的配合比參數(shù)，僅與混凝土干密度取值有關(guān)，普通混凝土干密度約為2350～2450kg/m3，本標(biāo)準(zhǔn)取為2400kg/m3。本方法的優(yōu)點(diǎn)在于取樣方便，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)基本沒有破壞，缺點(diǎn)是單孔數(shù)據(jù)離散性大，應(yīng)盡量增加鉆孔數(shù)量來提高樣品代表性。

3 相關(guān)問題的討論

3.1氯離子臨界濃度的確定

氯離子臨界濃度，是計(jì)算鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限的關(guān)鍵數(shù)值，宜根據(jù)建筑物所處實(shí)際環(huán)境條件和既有工程調(diào)查確定。當(dāng)缺乏可靠資料時(shí)，可按本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取用。位于大氣區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)干燥，電阻率會(huì)大大提高，陽極與陰極間的離子傳導(dǎo)相對(duì)困難，因此將大氣區(qū)氯離子臨界濃度定為0.55%(占水泥用量)或2.10kg/m3。這與文獻(xiàn)[3]所采用的數(shù)值相同。

如現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土構(gòu)件的縱向受力鋼筋已發(fā)生銹蝕，宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)氯離子濃度判定氯離子臨界濃度。編制組對(duì)汕頭市部分典型項(xiàng)目進(jìn)行了氯離子取樣檢測(cè)，如某上世紀(jì)90 年代高層建筑，位于礐石大橋北岸，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的三層結(jié)構(gòu)柱，氯離子含量為0.28%～0.40%（占水泥用量），現(xiàn)場(chǎng)未見鋼筋銹蝕和混凝土脹裂，推斷臨界氯離子濃度大于0.40%（占水泥用量），又如南澳島后宅鎮(zhèn)某停建建筑物，臨海岸線100m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了三層結(jié)構(gòu)柱，氯離子含量為0.38%～0.67%（占水泥用量），現(xiàn)場(chǎng)鋼筋銹蝕嚴(yán)重，混凝土脹裂現(xiàn)象普遍，推斷臨界氯離子濃度0.45%～0.60%（占水泥用量）之間。

3.2表面氯離子濃度和混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)的建議值

在本標(biāo)準(zhǔn)的附錄，給出了汕頭市沿海地區(qū)表面氯離子濃度和混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)建議值。這些建議值，是從眾多工程案例提取出來的。

混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)D，按Fick第二擴(kuò)散定律的誤差函數(shù)解析解公式（其中假定在這一暴露時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度均為定值）進(jìn)行曲線擬合，回歸求得（回歸求得的另一參數(shù)為表觀表面濃度Csa）。D 的數(shù)值隨暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，當(dāng)年限很長(zhǎng)時(shí)（如數(shù)十年后）可認(rèn)為趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)混凝土的表層氯離子濃度由于受到諸多外界因素的影響，不能直接取用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的表面氯離子濃度值，而應(yīng)采用表觀表面濃度Csa[1]。

文獻(xiàn)[3]附錄D 給出了混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式，其中包括若干個(gè)回歸系數(shù)。考慮該標(biāo)準(zhǔn)為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)把該公式列入附錄。文獻(xiàn)[6]也給出具體的計(jì)算公式，但主要適用于已建港口水工建筑物。

3.3近海環(huán)境調(diào)查的情況

2021～2022 年，對(duì)汕頭市沿海環(huán)境腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行了一年時(shí)間的調(diào)查和監(jiān)測(cè)，共獲取了184 組大氣環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)，66 組近海海水中氯離子濃度數(shù)據(jù)。通過調(diào)查和檢測(cè)，了解了汕頭海域海水中氯離子濃度及變化規(guī)律，汕頭地區(qū)大氣中二氧化碳和氯離子濃度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，對(duì)影響氯離子濃度的氣相因素有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，確認(rèn)汕頭市沿海處于近海大氣區(qū)(Ⅲ-E)與海洋鹽霧區(qū)(Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D)。調(diào)查結(jié)果是標(biāo)準(zhǔn)中系數(shù)取值的重要參考，也為新建建筑物混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié)論

⑴由Fick 第一定律、第二定律直接得到耐久性評(píng)估方法，經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，其結(jié)果是可以接受的。

⑵用kg/m3作為混凝土中氯離子含量的表示方法，具有實(shí)踐意義；表面氯離子濃度和混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)的建議值時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際工程給出的，具有合理性。

⑶實(shí)際工程評(píng)估時(shí)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)離散性較大的問題，建議加大檢測(cè)數(shù)據(jù)量，并考慮不同高度、朝向、位置等影響因素。