混凝土结构耐久性设计的一些建议

张明友，李静平

(唐山三友化工股份有限公司纯碱公司，河北唐山 063305)



混凝土结构耐久性设计的一些建议

张明友，李静平

(唐山三友化工股份有限公司纯碱公司，河北唐山 063305)

为提高混凝土结构耐久性，作者就自己的实践经验，提出了树立混凝土结构耐久性设计理念的必要性。从设计角度，提出了混凝土耐久性设计原则，指出了纯碱公司装置区主要工序混凝土结构的环境类别，最后给出了保证结构耐久性的一些建议。供同行借鉴参考。

混凝土；结构；耐久性；设计；建议

1 背 景

钢筋混凝土结构由于自身优势，在纯碱公司装置区建构筑物中被广泛使用。由于生产工艺的特点，盐水工序、重碱工序、煅烧工序混凝土结构的建构筑物处于不同程度的腐蚀环境中。长期的腐蚀环境使部分承重构件钢筋锈蚀，甚者钢筋腐蚀锈断，胀裂混凝土，导致构件刚度、承载力严重下降，形成结构安全隐患，甚至加固后的一部分结构构件又出现了腐蚀破坏。结果是建构筑物结构尚未达到设计使用年限就被迫加固补强或拆除重建，同时给生产造成极大的威胁。

我公司属于化工企业，生产的连续性使得建构筑物加固补强在边生产、边施工条件下进行。施工时间受限、施工操作空间受限，补强施工难度非常大。

严重的腐蚀破坏如得不到治理，就不能保证建构筑物结构的设计使用年限，将会制约企业的可持续性发展。治理建构筑物腐蚀，保证建构筑物的实际使用年限达到设计使用年限，建立完善的建构筑物管理制度以减少人为损坏，加强生产管理以减少腐蚀介质跑冒滴漏，加强日常管理以及时维修是非常必要的，而建构筑物结构加固补强、新建工程设计中，设计者做好耐久性设计是保证建构筑物结构达到使用年限的首要关口。混凝土结构耐久性问题很复杂，作者从实践经验出发，对纯碱公司装置区混凝土结构的建构筑物耐久性设计提出自己的一些建议。

2 树立建构筑物的耐久性设计理念

设计责任终身制，使结构设计者首先注重构件内力计算、刚度计算及承载力验算、变形验算，这无可非议，这在一般非腐蚀环境下对建构筑物结构的耐久性不会造成大的影响，但是一些设计者即使在有腐蚀的生产装置区也不考虑混凝土结构的建构筑物耐久性设计，势必造成建构筑物结构达不到设计使用年限。因此树立结构的耐久性设计理念是非常必要的。纯碱公司装置区建构筑物的使用情况就说明了这一点。

纯碱公司投产至今27年，近几年，碱渣废液输送工序、盐水工序、重碱工序、煅烧工序混凝土框架连年加固维修。二级泵站废液前池到目前已新建2次，加固1次。新化盐框架、建厂初期的老化盐框架6年前虽然进行了一次加固，但是由于混凝土框架没有依据Cl-离子腐蚀环境做相应的建筑防腐，大部分结构构件又出现了钢筋生锈胀裂混凝土，结构已出现严重的安全隐患，导致继续拆除重建或二次加固补强。重碱工序的蒸吸、碳化、滤过工段，煅烧工序的混凝土框架也存在着同样的状况。这与建构筑物结构未进行耐久性设计或耐久性设计不合理有着直接的关系。

而与新化盐框架同期建设的储盐仓、卸盐地槽同样为钢筋混凝土结构，经常处于严重的Cl-离子(氯化钠)腐蚀环境中，由于混凝土结构做了耐久性设计，且合理，混凝土内表面做了环氧玻璃钢防腐隔离层，使用21年来安然无样。

3 耐久性设计原则

纯碱公司混凝土框架的腐蚀现状，已告诫我们设计者，腐蚀环境中的混凝土结构必须进行耐久性设计，否则，设计文件中的设计使用年限就是纸上谈兵，一句空话。

依据《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008(以下简称《耐久性设计规范》)，结合我公司的腐蚀环境，混凝土结构的耐久性设计至少应包括：

1)给出混凝土结构的设计使用年限、环境类别及作用等级。

2)选择有力于减轻环境作用的结构形式、布置和构造。

3)对混凝土结构材料提出耐久性质量要求。

4)给出钢筋的混凝土保护层厚度。

5)通过计算，严格控制混凝土裂缝。

6)防排结合。采取防水、防腐蚀液体的构造措施；采取排水、排腐蚀液体的构造措施。

7)严重腐蚀环境作用下，合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略。

8)对施工提出施工养护制度、保护层厚度的质量要求。

9)对结构使用阶段的维护、修理与检测提出要求。

4 我公司的主要工序的环境类别

要想做好混凝土结构的耐久性设计，首先要依据耐久性设计原则，结合我公司生产工序的腐蚀环境特点，确定环境类别。例如：

4.1 碱渣废液输送工序

1)主要是废液中Cl-离子侵入混凝土内部，到达钢筋表面与钢筋接触，发生电化学腐蚀，引起钢筋锈蚀而胀裂混凝土。据此环境类别应为氯化物环境Ⅳ类。

因此，碱渣废液输送工序环境类别为氯化物环境Ⅳ类及化学腐蚀环境Ⅴ类。

4.2 凉水塔

1)普通凉水塔

主要是反复冻融循环损伤混凝土，后钢筋锈蚀胀裂混凝土。据此环境类别应为冻融环境Ⅱ类。

2)海水凉水塔

Michael Mauer:Apple公司的首席设计师Jonathan Ive就设计出一个完整的品牌世界，从产品到广告，从商店到包装。你我都知道，这一整套设计棒极了！

4.3 盐水工序

4.4 重碱工序

4.5 其他工序

煅烧、成品工序主要是屋面、楼面、墙面随意开凿孔洞，屋面泛水施工质量不佳，防水层破坏，造成漏水漏液。雨水、生产冲洗水、蒸汽跑冒滴漏凝结水、检修时泄漏水等积聚在存有碱尘地面上，形成碳酸钠溶液，甚至人为用蒸汽、水清理厂房墙面、窗台、地面上的碱尘或碱疤。碱溶液渗入混凝土后，反复冻融循环溶蚀损伤混凝土，后钢筋锈蚀胀裂混凝土。据此环境类别应为冻融环境Ⅱ类。

作为设计者，当结构构件受到多种环境共同作用时，应综合考虑作用等级进行耐久性设计。

5 耐久性设计的一些建议

5.1 各专业要加强沟通

5.2 依据腐蚀环境及作用等级做相应的建筑防腐

5.2.1 新化盐栈桥、老化盐栈桥、化盐框架、储盐仓、海水凉水塔

这些混凝土结构综合判断为海洋氯化物环境为主，作用等级为非常严重腐蚀Ⅲ-E。类似建构筑物混凝土构件，依据《耐久性设计规范》第6.1.4条必须做防腐措施。

混凝土表面防腐做法建议采用环氧类玻璃钢隔离层，其特点是耐酸耐碱。地面、楼面、踢脚、墙裙面层采用环氧类砂浆，有条件时可采用耐腐蚀花岗岩石板；梁、柱、顶棚隔离层上做耐紫外线防腐涂料两道，以防止隔离层老化，同时也可起到装饰效果。此做法为传统施工工艺，工人操作熟练，经济适用，市场上材料供应充足。

化盐栈桥、化盐框架及加固后的化盐栈桥、化盐框架，混凝土表面由于没有做任何防腐隔离层，导致目前二次加固补强，设计、施工方案确定非常困难。

5.2.2 一、二、三级泵站的废液前池

综合判断为氯化物环境为主, 作用等级为非常严重腐蚀Ⅳ-E, 类似建构筑物混凝土构件依据《耐久性设计规范》第6.1.4条必须做防腐措施。但不宜采用各种纤维类的玻璃钢隔离层，也不宜采用强度较高的花岗岩、铸石板等石板面层。实践中发现，受高温废液冲刷，玻璃钢、石板脱落进入废液泵体内，缠绕打击叶轮，导致叶轮损坏。防腐材料选择上原则上要选择耐温、耐磨材料。碱渣废液温度85～95 ℃ ，防腐做法建议采用酚醛类材料(耐温120 ℃)、乙烯基酯类材料(耐温120 ℃)、双酚A型不饱和聚酯类材料(耐温100 ℃)，防腐构造为底漆、封闭腻子、面漆、稀撒细石英砂、抹相应的树脂砂浆。

以前废液前池混凝土开裂导致加固补强或重建，除了工程施工质量问题外，表面没有防腐措施是一个主要原因。

5.2.3 重碱工序

综合判断为氯化物环境为主，作用等级应定为Ⅳ-D，从现场腐蚀现状看，同样应做防腐措施。防腐做法建议同5.2.1。由于蒸吸、碳化工段是敞开式框架，防腐隔离层表面刷耐紫外线防腐涂料是非常必要的。

原混凝土框架梁柱开裂，加固补强后又开裂。混凝土内锈蚀钢筋未替换、混凝土外表面没有做隔离层防腐是两个主要原因。

5.3 结构布置

力求平面、剖面简单，减少构件的暴露面积，尽量避免凹凸变化；尽量不选用悬挑结构，如必须选用宜采用悬挑梁板结构，不宜采用悬挑板结构。施工缝、变形缝避开环境不利的部位，否则采取有效构造措施。

如盐水工序储盐仓，设计设置伸缩缝时就存在构造不合理问题。两个框架柱净宽即伸缩缝宽仅仅100 mm, 因施工无法操作，伸缩缝处的框架柱表面既没有做抹面防腐，也未做隔离层防腐，楼层伸缩缝散落下的原盐掉入框架柱之间的伸缩缝中，原盐中的Cl-离子给两侧的框架柱造成了非常严重的腐蚀，钢筋锈蚀甚者锈断，混凝土爆裂，被迫加固。伸缩缝狭窄，加固补强后又要保证伸缩缝的伸缩功能，使得设计方案的确定和施工非常困难。伸缩缝两侧同一框架柱相邻内侧面，由于做了环氧类玻璃钢隔离层，混凝土目前完好无损。

建议类似的非常严重腐蚀环境中，建筑结构的伸缩缝设置宽度应大于500 mm，为施工防腐隔离层、防腐抹面或加固提供可操作空间。

5.4 明确混凝土保护层厚度

《耐久性设计规范》2.1.18条明确规定，混凝土保护层指从混凝土表面到钢筋(包括纵向钢筋、箍筋和分布筋)公称直径外边缘之间的最小距离；对后张法预应力筋，为套管或孔道外边缘到混凝土表面的距离。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第2.1.18条明确规定，混凝土保护层是指结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土。混凝土保护层概念现行规范与旧规范有着本质的不同。据了解现在一些设计者及施工人员还是旧规范的概念，误认为保护层厚度指的是主筋外边缘至混凝土构件表面的距离。例如箍筋为φ10的混凝土柱，如果老规范保护层为30 mm，按现行规范保护层为20 mm,就钢筋混凝土一般环境下，都不满足现行规范的的构造要求。我们时常发现梁柱箍筋、纵筋在混凝土表面对应位置上呈现红褐色的条状锈斑，沿锈斑混凝土开裂。这与设计或施工原因导致的保护层厚度偏小有着直接关系。

混凝土的保护层厚度直接影响构件的耐久性，因此设计者要给以重视，要根据不同的腐蚀环境作用等级，依据《耐久性设计规范》严格确定保护层厚度。

5.5 设计时，严格控制混凝土裂缝

腐蚀环境下，混凝土构件如在正常使用时受拉区就出现裂缝，腐蚀介质就可畅通无阻到达钢筋表面，无疑加快了混凝土构件的破坏，耐久性也就无从谈起。因此，构件设计不仅要满足承载力要求，还必须依据腐蚀环境下作用等级，控制混凝土裂缝。

储盐、化盐、海水凉水塔直接接触海水氯离子的类似建构筑物的构件，建议按“严格要求不出现裂缝控制”，即荷载标准组合计算时，构件受拉区混凝土不产生拉应力。蒸吸、碳化、固定铵工段类似建构筑物的构件，建议按“一般要求不出现裂缝控制”，即荷载标准组合计算时，构件受拉区混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值。

5.6 排水、排液

屋面楼面要减少开洞，必须开洞时，洞口周围应向上、下做反沿，防止雨水、雪水、腐蚀液体流到板底腐蚀梁板柱。

楼地面要做排液坡度，减少液体在楼地面上的滞留时间。如果生产特点，楼面不可避免地积聚腐蚀液体时，应设置独立的排液系统。

5.7 设计中，对混凝土结构材料的耐久性提出质量要求

如最大水胶比、最低混凝土强度等级、水泥最大Cl-离子含量、水泥最大碱含量，粗骨料细骨料的岩类及最大含泥量等。它们直接影响着混凝土的结构耐久性。腐蚀等级作用越严重，要求最大水胶比、水泥最大Cl-离子含量、水泥最大碱含量就越低，要求最低混凝土强度等级就越高。

如储盐、化盐、海水凉水塔、重碱工序类似建筑结构即使有防腐隔离层，混凝土强度等级也不宜低于C40。

6 结 语

混凝土结构应做好耐久性设计，尤其是腐蚀环境作用等级较高的混凝土结构，必须做好耐久性设计。依据腐蚀介质、机理的不同，采取针对性的建筑防腐构造。混凝土发生微小裂缝时，说明钢筋已经锈蚀，此时做建筑防腐为时已晚，建筑防腐应与混凝土结构同时设计，同时施工，同时投入使用，将得到事半功倍的作用，才能从设计本质上保证混凝土结构的使用年限。

[1] 混凝土结构耐久性设计规范GB/T50476-2008[S]

TU276

C

1005-8370(2016)04-07-04

2016-06-06

张明友，1986年毕业于河北建筑工程学院，工民建专业，本科学士。土建高级工程师，国家二级注册建筑师，现任唐山三友化工股份有限公司纯碱公司二级专家，30年来一直从事工程施工管理、项目建设、土建专业设计工作。