浅谈混凝土结构的耐久性

张宝峰 盘锦水漫建筑设计有限公司 124200

浅谈混凝土结构的耐久性

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只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知识、了解工程所处环境特点，细心设计、精心施工，混凝土结构才能在合理的使用年限内安全、可靠。

耐久性；碳化；环境温度；冻融；使用年限；外加剂；膨胀

混凝土结构除了满足安全性、适用性要求外，还应满足耐久性方面的要求。因此，在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性概念设计。

一、耐久性的概念

混凝土的耐久性是指在正常维护的条件下，在设计使用年限内，在指定的工作环境中保证结构满足的功能要求，而不需进行维修加固。混凝土结构广泛用于各类工程结构中，如果因耐久性不足而失效，或为了继续正常使用而进行相当规模的维修、加固或改造，则将付出高昂的代价。保证混凝土结构能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足耐久性的要求，是一个十分迫切和重要的问题。

二、影响耐久性的主要因素

影响混凝土结构耐久性的因素主要有内部和外部两个方面。内部因素主要是指混凝土的强度、渗透性、保护层厚度，水泥品种、标号和用量以及外加剂用量等；外部因素则指环境温度、湿度、二氧化碳等，此外，设计不周、施工质量差或使用维修不当等也会影响耐久性能。下面就影响混凝土结构耐久性的主要因素简单加以论述。

1、混凝土的碳化

混凝土中水泥石含有氢氧化钙[(Ca (OH)2)而呈碱性，其在钢筋表面形成碱性薄膜而保护了金属钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。但大气中存在的酸性介质及水通过各种孔道、裂缝而渗入混凝土，可以中和这种碱性。尽管其酸性很弱，但也能中和氢氧化钙而生成无碱性的盐——碳酸钙（C a C O3），这个过程称为“碳化”。

混凝土的碳化速度十分缓慢，并且与混凝土的质量、环境条件等因素有关。当混凝土保护层被碳化至钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜。此外，当混凝土构件的裂缝宽度超过一定限值时，将会加快混凝土的碳化，使钢筋表面的氧化膜更易遭受破坏。

混凝土碳化对混凝土的主要危害表现在使混凝土中的钢筋保护膜受到破坏，引起钢筋锈蚀，从而影响承载力水平。混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要影响因素之一。减小、延缓混凝土的碳化，可有效地提高混凝土结构的耐久性能。

2、钢筋锈蚀

建筑结构中常用的钢材为碳素结构钢和普通低合钢，其化学成分含有少量其他金属（Mn、V、Ti）和非金属（Si、C、S、P、O、N）元素并形成固液体、化合物或机械混合物的形态共存于钢材结构中；此外还有许多晶界面和缺陷。钢筋表面氧化膜被破坏后，当钢材表面从空气中吸收溶有C O2、O2或S O2的水分，形成一种电解质的水膜时，就会在钢筋表面层的不同成分或晶界面之间构成无数微电池。阳极和阴极反应构成整个腐蚀过程——电化学腐蚀。结果生成的氢氧化铁Fe(OH)2在空气中又进一步被氧化成氢氧化铁Fe(OH)3。钢材的Fe变成Fe2O3，体积膨胀4倍，在少氧的条件下Fe(OH)3氧化不很完全的部分形成F e2O4，体积膨胀2倍。

上述过程如果继续下去，严重时，体积膨胀，导致沿钢筋长度的混凝土出现纵向裂缝，并使混凝土保护层剥落，从而降低承载力，最终失效。

3、混凝土冻融破坏

混凝土水化结硬后内部有很多毛细孔。在浇筑混凝土时，为了得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水多一些。处于饱和状态的混凝土受冻时，毛细孔中同时受到膨胀压力和渗透压力，使混凝土结构产生内部裂缝和损坏，经过多次反复冻结、融化，损伤积累到一定程度就引起结构破坏。

4、混凝土的碱集料反应

混凝土的集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱性溶液发生化学反应称为碱集料反应，碱集料反应产生硅酸盐凝胶，吸水后膨胀，体积可增大3～4倍，从而引起混凝土剥落、开裂，强度降低，甚至导致破坏。碱集料反应进展缓慢，需要多年才会造成结构破坏，所以它是影响混凝土耐久性的因素之一。

5、侵蚀性介质的腐蚀

侵蚀介质的腐蚀包括硫酸盐腐蚀、酸腐蚀、海水腐蚀以及盐类结晶型腐蚀等。

化学介质对混凝土的侵蚀，表现在有些化学物质侵入造成混凝土中一些成分被溶解、流失，引起裂缝、孔隙、松散破碎；有些化学物质与侵入混凝土中的一些成分反应生成体积膨胀的物质，引起混凝土结构破坏。对此，应根据实际情况，采取相应的技术措施，防止或减少对混凝土结构的侵蚀。另外，在冬季施工时往往在混凝土中掺入氯化钠，如果掺量控制不严，将造成钢筋锈蚀甚至严重锈蚀。大量工程调查表明，如果混凝土含氯化钠，即使在混凝土未碳化区内也有10%钢筋发生严重锈蚀。因此必须严格禁止使用氯盐。

6、其他影响因素

其他因素包括高温作用、生物腐蚀、混凝土徐变等。

三、提高混凝土耐久性的措施及耐久性概念设计

要提高结构耐久性，就要控制影响耐久性的因素。为此，提出了一系列提高耐久性的措施。

1、减缓混凝土碳化和防止钢筋锈蚀的措施：

⑴钢筋要有足够的保护层厚度

在一般情况下，混凝土碳化达到钢筋表面需要一定的时间，即脱钝时间。显然，保护层厚度越大，脱钝时间越长。如果脱钝时间超过建筑的设计使用年限，即可满足要求。

⑵合理设计混凝土的配合比

首先，要有足够的水泥用量，一般不宜少于225Kg/m3,以保持混凝土的碱性；同时，尽量降低水灰比，以减少游离水的量，对此可以采用减水剂，在满足施工要求的前提下，降低用水量；用优质掺和料，严格控制原材料的含盐量。

⑶尽量提高混凝土的密实性，增强抗渗性

对一般混凝土而言，设计、施工中要保证混凝土的密实性，保证振捣充分、密实，按规范要求仔细养护，经常保持新浇筑混凝土表面湿润，可采用覆盖养护材料等措施，以减少水分蒸发，避免出现表面裂缝。

⑷控制混凝土掺和料的量

混凝土中采用掺和料时，在满足强度条件的前提下，采用超量替代法设计配合比。

⑸采用覆盖面层

覆盖面层可以隔离混凝土表面与大气环境的直接接触，这对减小混凝土碳化十分有利，尤其是在不利甚至恶劣的环境条件下，效果更加明显；同时防止水、二氧化碳、氯离子和氧气的侵入，减少钢筋锈蚀。

⑹其他措施

采用钢筋阻锈剂，以防止氯盐的腐蚀；采用防腐蚀钢筋，其种类有环氧涂层钢筋、镀锌钢筋、不锈钢钢筋等；对钢筋采用阴极保护法，包括牺牲阳极法和输入电流法等。

2、耐久性概念设计

根据国内外研究成果和工程经验，我国现行《混凝土结构设计规范》首次列入有关耐久性设计的条文——耐久性规定。耐久性设计涉及面广，影响因素多，有别于结构抗力设计，且以概念设计为主。

⑴耐久性概念设计的目的和基本原则

耐久性概念设计的目的是指在规定的设计使用年限内，在正常维护情况下，必须保持适合使用、满足规定功能的要求。

耐久性概念设计的基本原则是根据结构的环境分类和设计使用年限进行设计。

⑵混凝土结构使用环境分类

混凝土结构相同但所处使用环境不同，结构的寿命也不相同。因此，混凝土结构的耐久性与其使用环境密切相关。

混凝土结构环境共分五类，具体分类见《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）中的有关分类。

⑶混凝土结构设计的使用年限

混凝土结构设计的使用年限主要根据建筑物的重要程度确定，在我国可按照国家标准《建筑结构可靠设备设计统一标准》确定，一般分为≤50年和100年，也可以根据工程业主的要求确定。

⑷保证耐久性的技术措施及构造要求

为了保证混凝土结构的耐久性，根据环境类别和设计的使用年限，针对影响耐久性的主要因素，应从设计、材料和施工方面提出技术措施，并采取有效的构造措施。

1）结构设计技术措施

①未经技术鉴定及设计许可，不能改变结构的使用环境，不得改变结构的用途。

②对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。

③宜根据环境类别，规定维护措施及检查年限；对重要的结构，宜在与使用环境类别相同的适当位置设置供耐久性检查的专用构件。

④对于暴露在侵蚀性环境中的结构构件，其受力钢筋可采用环氧涂层带肋钢筋，预应力筋应有保护措施。在此情况下宜采用高强度等级的混凝土。

2）对混凝土材料的要求

用于一、二类和三类环境中设计使用年限为50年的结构混凝土，应控制最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量以及最大碱含量，保护层厚度应符合《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）的相关规定。

设计使用年限为100年且处于一类环境中的混凝土结构，应符合下列规定：

①钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40；

② 混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06%；

③ 宜使用非碱活性骨料，当使用碱活性骨料时，混凝土中碱含量不应超过3. 0Kg/m3。

3）施工要求

混凝土的耐久性主要取决于它的密实性，除应满足上述对混凝土材料的要求外，还应高度重视对混凝土的施工质量，控制商品混凝土的各个环节，加强对商品混凝土的养护，防止过早受荷等。

4）混凝土保护层最小厚度

混凝土保护层最小厚度是从保证钢筋与混凝土共同工作，满足对受力钢筋的有效锚固以及保证耐久性的要求为依据的。

纵向受力钢筋及预应力钢筋、钢丝、钢绞线的混凝土保护层厚度是指从钢筋外缘到混凝土外边缘的距离，它不应小于钢筋的直径或等效直径，应不应小于骨料最大粒径的1.5倍,且应符合《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）的相关规定，如果保护层厚度超过40mm，不但增加造价，而且还应加防裂措施。

总之，只有了解和掌握混凝土耐久性的基本知识、了解工程所处环境特点，细心设计、精心施工，混凝土结构才能在合理的使用年限内结构才能安全、可靠。

[1] 混凝土结构设计规范.GB50010-2002.中国建筑工业出版社.2002.

[2] 建筑结构可靠度设计统一标准. GB50068-2001. 中国建筑工业出版社. 2001.

[3] 预应力混凝土用钢丝.GB/T5223-1995.中国标准出版社.1995.

[4] 预应力混凝土用钢绞线. GB/T5224-1995. 中国标准出版社.1995.