混凝土结构耐久性控制措施及寿命预测

杨海鸣

混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点,使混凝土结构不可避免地存在耐久性问题。由于对耐久性重视不足,使工程事故率和在役建筑维修费用不断增加。

本文将对引起混凝土耐久性不足的原因进行分析,然后从施工质量管理和施工技术管理两个角度对提高混凝土结构耐久性的具体措施进行探讨。

1 影响混凝土耐久性结构的主要因素

1.1 混凝土的损伤

1.1.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指大气中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2发生化学反应,生成中性的碳酸盐(CaCO3),为使混凝土表面接触CO2浓度小,需要在混凝土表面涂抹气密性好的饰面材料,使碳酸气渗进混凝土的数量减少,以提高混凝土的抗碳化性能。

1.1.2 碱—集料反应

碱—集料反应是指混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生的反应。控制碱—集料反应可采用低碱水泥或用非活性集料,使用掺合剂降低混凝土的碱性,改善混凝土结构的施工和使用条件都可以减少碱—集料反应对混凝土的破坏。

1.1.3 冻融循环

由于混凝土是多孔隙的复合材料,外部的水分可以通过毛细作用进入这些孔隙。孔隙内充满水时,结冰产生内应力。冰融化时,可能使得孔壁内产生拉应力,当其大于混凝土的极限抗拉强度时,即可以产生微裂缝,持续冻融的结果使混凝土开裂,甚至崩裂。避免采用吸水率较高的集料,加强排水,以免混凝土结构中水饱和,对混凝土的耐久性是有利的。

1.1.4 外界环境对混凝土的侵蚀

主要包括:软水的侵蚀、盐类侵蚀、酸类侵蚀和强碱侵蚀。

1.2 钢筋的损伤

1.2.1 钢筋锈蚀

因为混凝土呈强碱性,混凝土内的钢筋会在表面形成一层致密的氧化膜,使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。通常,这层氧化铁薄膜的破坏主要有两个原因:1)混凝土碳化,使钢筋混凝土结构保护层的pH值降低,进而破坏氧化铁薄膜;2)因为氯离子与氧离子的作用而破坏氧化铁薄膜,造成钢筋的锈蚀。

1.2.2 预应力钢筋的应力腐蚀

应力腐蚀是指金属和合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下引起的金属破裂。应该注意的是当预应力钢丝发生锈蚀时,并不像非预应力混凝土结构中钢筋锈蚀会在表面产生锈斑,引起混凝土保护层的剥落、层裂等外在现象,而极有可能在无任何预兆的情况下导致结构的突然破坏,更加加剧了危险,因此加强预应力混凝土结构的耐久性研究就显得极为重要。

1.2.3 裂缝对钢筋腐蚀影响

无论对预应力混凝土结构或钢筋混凝土结构来说,裂缝及其宽度对受力钢筋腐蚀都有影响,宽度不同,其影响程度不同。裂缝对受力钢筋腐蚀的影响,还应该考虑受力钢筋对腐蚀的敏感程度。在相同的使用期内,其腐蚀速率接受标准也应有所不同。

2 提高混凝土结构耐久性的措施

2.1 施工质量管理

质量管理系统不仅仅是质量控制,更要注意质量保证管理。在建造阶段要保证所使用原材料的品质符合产品标准和设计规定,不合格产品杜绝使用,对商品混凝土的配合比,坍落度应建立复核程序。对保护层厚度、细部构造的检查、钢筋配置的核对、隐蔽工程的验收,均应执行工程监理制度。及时纠正与规范、规程及设计不符的人为差错和工作疏忽所造成的错误。

2.1.1 合理控制原材料质量

1)水泥。水泥是混凝土中的活性组分,其强度的大小直接影响着混凝土强度的高低。由于混凝土的质量验收常以混凝土强度指标为单一衡量标准,从而导致水泥工业对水泥强度的不适当追求,促使水泥细度增加或早强矿物成分比例提高,而这些均会影响混凝土的抗裂性能,不利于混凝土结构的耐久性。因此,应根据工程特点或环境条件,合理选用水泥。

2)集料。细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。采用配级良好的粗砂或中砂,砂的空隙率及总表面积较小,不仅可减少水泥浆用量,还可提高混凝土的密实性和强度。

普通混凝土常用的粗骨料有卵石和碎石两种,卵石表面光滑、空隙率及表面积较小,所拌制的混凝土水泥浆用量较少,和易性较好,但与水泥石的胶结力较差;碎石颗粒表面粗糙,多棱角,空隙率和表面积较大,所拌制的混凝土和易性较差,但碎石与水泥石粘结力较强,在水灰比相同的条件下比卵石更密实、坚硬。石子级配良好,可节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性。

3)外加剂。外加剂的掺入可增加混凝土拌合物的流动性,降低混凝土的用水量,减小水灰比,提高混凝土密实度,从而提高混凝土耐久性。几乎各种混凝土都可以掺用外加剂,但必须根据水泥的属性、工程的需要、施工条件和施工工艺等选择适当的外加剂。2.1.2 合理控制配合比

用水量对混凝土拌合物的流动性起决定作用,在保证混凝土拌合物所需流动性的情况下,应尽可能降低用水量。用优质掺和料,比如在混凝土中掺入优质粉煤灰代替部分水泥,可以降低水泥用量,减小用水量,改善和易性,降低泌水率,减小干缩变形。通常粉煤灰可以代替约20%的水泥。掺用引气剂、减水剂及引气型减水剂,可以减小混凝土的冻融破坏。

2.1.3 充分振捣和养护混凝土

振捣时,为切实保证混凝土的密实性,可采取以下措施:1)选用合理的振捣方式。根据不同构件选用不同的振捣器;2)振捣方法要求垂直插入、快插慢拔四不靠;3)掌握适宜的振捣时间。

实际工程中,混凝土的耐久性问题多数是由于施工养护不当造成的。认真做好混凝土养护工作对增强混凝土密实性防止干缩开裂至关重要。现浇混凝土在正常条件下通常采用自然养护。常用养护方法主要有:在混凝土表面铺盖湿的覆盖物(如草袋等)、铺盖塑料薄膜,直接在混凝土表面喷洒水、使用养护剂形成保护膜等。

2.1.4 防止过早拆除模板和支撑

由于施工阶段现浇混凝土强度低于28 d强度,结构所承受的施工荷载可能会超过正常使用阶段设计值,为此,施工时要审慎确定拆除支撑(支架)的时间,必须确保承担上部正在浇筑的结构混凝土自重及其有关模板荷载的混凝土达到足够强度,并不产生过大变形,以避免出现裂缝影响正常使用和耐久性。

2.1.5 确保混凝土保护层厚度

混凝土结构中,从混凝土表面到钢筋外边缘之间的最小距离称为钢筋的混凝土保护层。它的厚度、质量对构件的受力性能、耐久性及耐火性能等具有很大影响,合理设置保护层对结构的安全和使用寿命有重要意义。

2.2 施工技术管理

应当选择有利于减轻环境因素对结构作用的结构选型、布置和构造,以避免水、汽和有害物质在构件表面的积聚,并能够及时排除。

混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝。当必须有施工缝时,应优化结构及钢筋布置,以控制和限制裂缝的宽度尽量避免不利的环境作用。

拌合的混凝土应尽快入模,应以适当的速度浇筑混凝土,混凝土自由下落的高度不宜大于1.5 m。混凝土应充分振捣;分层浇筑时,连接部位的混凝土应重点振捣。混凝土材料可适当加温后搅拌,使混凝土保持适当的硬化温度。

积极引进先进技术,如使用渗透可控模板垫料等。

3 混凝土结构剩余服役寿命的预测

预测既有混凝土结构的剩余服役寿命的方法通常包括以下的部分:

1)结构体系可靠度。结构系统可靠度可表示为:

其中,β为结构系统可靠度;βi为主要承重构件和次要构件结构可靠度;Ci为各构件相对于主体结构的重要性系数。

2)结构失效模式的可靠度。以结构构件的组成为基础,将混凝土结构分为串联、并联和混合体系。将结构体系所具有的失效模式分成若干组,因为在每一组中失效模式间具有很高的相关性,所以再选取各组中失效概率最大的失效模式作为各组的代表,该代表模式称为主要失效模式。然后再针对各不同体系给出相应的可靠度计算公式。

3)结构安全可靠度的界限。根据相关研究成果,设定不同的荷载水平,相应于结构构件的目标可靠指标屏,将荷载水平降低为目标可靠指标下降0.25的水平,以此作为人们可接受的可靠度界限。

4)剩余寿命的预测。基于结构可靠度变化,服役了多年的既有结构剩余使用寿命预测可按以下步骤进行:a.通过现场调查与检测,建立结构抗力衰减模型和荷载效应计算模型。b.计算当前状态下结构抗力和荷载效应,并验算当前结构可靠度是否大于可靠度限值。c.通过实际情况,确定合理的失效模式,计算结构的动态可靠度。d.当动态可靠度小于可靠度极限值时,所求结果即结构的剩余寿命。

4 结语

保证混凝土结构的耐久性是一个迫切的现实问题,引起混凝土耐久性的原因也各不相同,而提高耐久性的措施涉及到结构暴露环境、结构选材、施工养护和维护等多个方面,问题十分复杂,但目前如果能在实际施工中加强施工现场管理和提高施工技术质量就可以最大限度地提高结构的耐久性,并进一步提出了混凝土结构剩余寿命的预测方法。

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