基于可靠性的混凝土结构耐久性设计方法探讨

王建立

河南省邮政公司（450000）

0 引言

混凝土结构耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。现行规范主要考虑荷载作用下结构承载的安全性与使用性的要求,按照承载能力极限状态来进行设计，以保证结构的安全。但较少考虑结构长期使用过程中，由于环境作用引起材料性能劣化对结构安全性与耐久性的影响[1]。

结构可靠性是结构在规定的时间内、在规定的条件下、完成预定功能的能力。但由于环境、材料、设计、施工、使用及养护方面未满足规范的要求，不能保证设计所要求的可靠性；因此，在结构的设计使用年限内，基于可靠度基本理论，考虑抗力和荷载的随机变化特性，将静态的性能参数与动态的耐久性参数在设计中有机结合在一起，减少人为因素的影响，保证结构应有的安全性与耐久性，具有重要的社会价值和经济效益[2]。

1 影响混凝土结构耐久性的因素

影响混凝土耐久性的因素很多，主要包括∶环境因素、材料因素、设计因素、施工因素等四个方面[3]。

1.1 环境因素

1）混凝土碳化

混凝土中碱性物质（Ca(OH)2）使混凝土内的钢筋表明形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。但由于大气中的二氧化碳（CO2）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。考虑混凝土碳化的随机性，在工程实践中，国内外常用的碳化速率模型如式1所示∶

式中∶X 碳化深度；t∶碳化时间(结构服役时间)；K∶碳化系数，表示碳化的速度。

2）硫酸盐腐蚀

硫酸盐对混凝土的化学腐蚀有两种∶①与混凝土中的水化铝酸钙反应形成硫铝酸钙；②与混凝土中氢氧化钙结合形成硫酸钙；两种反应均会造成体积膨胀，使混凝土开裂。硫酸盐对混凝土的化学腐蚀过程一般较为缓慢，通常要持续很多年，地下水、土中的硫酸盐可以渗入混凝土内部，并在一定条件下使得混凝土毛细孔隙水溶液中的硫酸盐浓度不断积累，当超过饱和浓度时就会析出盐结晶而产生很大的压力，导致混凝土开裂破坏，这一过程是纯粹的物理作用。

3）氯离子腐蚀

由氯盐引起的钢筋锈蚀，是影响混凝土结构耐久性最主要的因素。通常情况下，影响氯离子扩散的因素主要为混凝土材料因素和环境因素。氯离子侵入混凝土主要有毛细管作用、渗透作用、扩散作用、电化学迁移等四种方式；氯离子在混凝土中的渗透过程被视为扩散过程,扩散模型沿用典型的Fick第二扩散定律来描述[4]，如式2所示。

式中，Ccl为氯离子浓度（%），一般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比表示；t为时间（a），x为位置（cm），Dcl为扩散系数。

4）混凝土冻融破坏

混凝土的抗冻耐久性是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构物，如水位变化区的海工、水工混凝土结构物、水池、发电站冷却塔以及与水接触部位的道路、建筑物勒脚、阳台等。混凝土的抗冻性是混凝土耐久性中最重要的问题之一。

1.2 材料因素

1）碱骨料反应

混凝土原材料中的碱与骨料中的活性成份在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂。由于活性骨料经搅拌后大体在混凝土内部呈均匀分布，一旦发生碱骨料反应,混凝土内各部分均产生膨胀应力，使混凝土开裂。而混凝土的开裂往往又会加剧钢筋的锈蚀、冻融破坏、碳化和侵蚀等腐蚀作用，导致混凝土结构耐久性的迅速下降，针对混凝土的碱骨料反应，目前尚无有效的阻止和修复方法，因此被称为“混凝土的癌症”。

1.3 设计因素

根据Fick第二扩散定理，氯离子扩散至钢筋表面的时间与保护层厚度的平方成正比；而在碳化现象中，二氧化碳的扩散速度也与保护层厚度密切相关。保护层越厚，介质侵入到钢筋表面的时间就越长。过多超量的水在混凝土结构内部留下了孔缝，从而大大降低了混凝土的密实度而增加了空隙率和渗透性，使混凝土容易受有害气体和液体的侵蚀渗透，表面吸水率和渗透也增大，使抗渗能力下降幅度过大。

1.4 施工因素

施工因素（混凝土振捣和后期养护）对混凝土结构耐久性有较大影响，如在施工过程中振捣不密实，就会在混凝土中留下很多孔径，从而减小混凝土的密实性，使混凝土结构更容易遭受冻融、酸碱侵蚀、碳化等。在后期养护中，如养护不及时，特别是大体积混凝土,由于混凝土的收缩开裂的因素，在混凝土表面产生收缩裂缝,从而使酸碱介质、CO2等更容易进入混凝土内部，使钢筋锈蚀，体积膨胀，造成混凝土结构破坏。

2 基于可靠性的耐久性设计

2.1 耐久性极限状态

混凝土结构或构件耐久性极限状态应按正常使用下的适用性极限状态考虑，且不应损害到结构承载能力和可修复要求。其耐久性极限状态可分以下三种∶①钢筋开始发生锈蚀的极限状态；②钢筋发生适量锈蚀的极限状态；③混凝土表面发生轻微损伤的极限状态。

2.2 基于可靠性的耐久性设计的计算模型

在基于可靠度的设计理论框架下，混凝土结构耐久性设计的目的∶结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的劣化不致导致结构出现不可接受的失效概率。可靠度模型考虑时间变化因素，是结构可靠度分析的动态模型。这种方法是直接计算不同时刻t的抗力效应R(t)与荷载效应S(t)的两个随机变量，用蒙特卡罗法求对应时刻功能函数Z(t)的可靠度,从而求出混凝土结构的动态可靠度变化。从理论上讲,这种方法很适合混凝土结构的耐久性研究。从强度降低的计算、某一时刻抗力效应随机变量计算、功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数，每个步骤都可使用计算机来实现[5]。

混凝土结构耐久性失效的功能函数随机过程为∶

式中∶R(t)为结构抗力随机过程；S(t)为结构荷载随机过程。

其可靠度指标∶

式中∶UR(t)、US(t)分别是 R(t)、S(t)的平均值(t)、σ2S(t)分别是 R(t)、S(t)的标准差。

3 结语

1）由于影响混凝土结构耐久性的因素很多，难以达到定量设计的程度。GB/T 50476-2008[6]采用了宏观控制的方法，根据结构设计使用年限和环境类别对结构混凝土提出相应的限制和要求，以保证其耐久性，为此，设计人员应结合已有的设计经验和当地工程实践认真的进行结构的耐久性设计。

2）混凝土结构的设计方法正在由强度设计向耐久性设计转变的阶段。目前，对混凝土结构耐久性的影响因素的研究仅局限于个别因素，应该结合工程实际，综合考虑各种因素对混凝土结构耐久性的影响。耐久性设计应该以对不同的环境类别和条件进行分类，对不同设计使用年限的结构提出设计标准。

3）基于可靠性的耐久性设计考虑了抗力和荷载的随机变化特性，将静态的性能参数与动态的耐久性参数在设计中有机结合在一起，较好的符合结构损伤对服役寿命影响的变化规律，减少了人为因素的影响，对耐久性设计提供了一定的参考价值。

[1]陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]赵国藩,金伟良,贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3]Mather Bryant.Concrete durabi1ity[J].Cement and Concrete Composites,2004,26(1):3～4.

[4]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.

[5]翁玲.关于混凝土结构耐久性设计问题的讨论[J].黄石高等专科学校学报,2002,18(4):12～14.

[6]GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部,北京:中国建筑工业出版社,2008.