混凝土结构的安全性和耐久性探讨

陈 越

（中国建筑第八工程局有限公司，上海200178）

20世纪90年代前尚未供应高性能和高强度混凝土时，50MPa以及更低的普通混凝土在混凝土工程中被广泛使用。早期由于设计原因、施工不当、材料选择等会导致混凝土结构发生早期劣化。在使用混凝土过程中，如酸雨、酸雾、酸性水、盐等环境化学有害介质，通过单一和联合作用而侵蚀混凝土结构。

如今环境污染已是世界难题，工程建设中自然水和污染水接触，会导致混凝土结构的侵蚀和破坏。根据国家水利部对水利工程混凝土结构进行耐久性的调查和研究得出结论，100%的水坝存在裂缝和渗漏危害，68.7%有空化、侵蚀和磨损破坏，18.8%有冻融破坏，水质侵蚀发生率为2%，钢筋腐蚀引起的锈蚀拉伸40.6%，其中海域钢材腐蚀占87%以上。例如在安徽铜陵有色冶铜、化学提纯和其他重金属工业部门，大约60%的混凝土结构会受到腐蚀性介质的侵蚀，导致材料结构受到侵蚀。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

1999年，国内材料协会、国内建筑文献协会、实验室联合会三家单位成立了混凝土使用年限预测委员会，该委员会致力于研究混凝土结构的安全性和耐久性问题，为延长混凝土结构的使用年限提供技术支持。早在1957年美国就成立了委员会（ACI1201），该委员会的成立归功于美国混凝土学会，该委员会主要职责在于混凝土结构安全性和耐久性方面的学术研究。2001年，该委员会就曾提出了“已建混凝土结构耐久性评估”的报告，制定出该如何检测试验，以及详细检测试验的步骤和方法。在1998年日本就组建团队针对“建筑安全性和耐久性改进技术”进行专项施工方案，于2000年上报该方案的技术成果。早在1986年日本就制定并完善了“建筑耐久性设计和施工安全”规范。

1.2 国内研究现状

在编制《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）时，我国规范组人员把主要精力放在了一个方面，那就是混凝土结构安全性和耐久性方面，八年之后，规范组人员对《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）进行修改和补充。在修改和补充过程中，将混凝土结构安全性和耐久性的设计方法和施工措施作为一个重点补充对象。国家级和省级也给予了混凝土安全性和耐久性研究提供资金支持，我国在“七五”科研项目和“八五”科研项目时间段内，建设部就曾提出关于混凝土结构的耐久性问题的解决办法。“七五”科研项目主要改善在大气环境下，混凝土结构的安全性和耐久性工程难题，这其中也包含了混凝土结构安全性和耐久性估量，以及混凝土结构的碳化和钢筋混凝土结构内钢筋锈蚀，影响碳化的因素主要是温度、湿度等。

2 影响混凝土结构耐久性因素

2.1 混凝土结构耐久性

混凝土结构耐久性，可以归结于混凝土结构对外界影响因素的抵抗能力，当外界环境影响混凝土结构的耐久性时，混凝土结构能维持自身性能，还能保持外观的美感，进而使得混凝土结构的安全性和耐久性不受影响。影响混凝土结构安全性和耐久性的因素有内外两大因素。内在因素是指混凝土结构对外部环境的自我修复能力，受混凝土结构的设计、骨料的选择、选用何种类型的添加剂、钢筋到混凝土结构最外层的厚度、选用钢筋的钢材质量、混凝土的水灰比、施工工艺等因素影响。外部因素是混凝土结构硬化时产生的物理变化和化学变化，包含循环冻融、化学反应产生的介质侵入和腐蚀、混凝土结构被磨损及其他方面原因，这些因素之间相互影响，对混凝土结构的安全性和耐久性构成危害。

2.2 水泥类材料的腐蚀

混凝土结构的腐蚀分类：一是以混凝土结构腐蚀介质为界限，将其分为硫酸盐化合物对混凝土结构的腐蚀，沿海城市受海水腐蚀的混凝土结构、土壤中的微生物对混凝土结构的腐蚀等。二是以混凝土结构被腐蚀后的状态，将其分为溶出型物质对混凝土结构的腐蚀、易分解型物质对混凝土结构的腐蚀、结晶型物质对混凝土结构的腐蚀、复合型物质对混凝土结构的腐蚀等。

2.3 钢材的腐蚀

2.3.1 化学腐蚀

混凝土结构中的钢与环境直接接触而发生的腐蚀现象称为化学腐蚀。这主要是因为混凝土结构中的铁与空气接触发生化学反应，生成Fe2O3，从而被腐蚀。当空气中水含量比较少，由于天气干燥混凝土结构的化学腐蚀速率就会降低；当空气中水分含量比较大或者气温比较高的情况下，混凝土结构腐蚀速率就会加快。混凝土结构的化学腐蚀还有其他原因，那就是空气中的O2和具有腐蚀性化合物中的CO2或SO2的化学反应引起的混凝土结构腐蚀。

2.3.2 电化学腐蚀

钢筋混凝土结构中的钢在湿润的空气中和能够导电的液体中，混凝土结构腐蚀会引起液体中电子游动，这种现象称为电化学腐蚀。这主要是由于混凝土结构中不同金属间的电位差异引起金属溶解的后果。当CO2或硫化物气体与钢筋混凝土结构表面上的水反应时，生成有害膜，该膜的主要成分是电解质。钢筋混凝土结构中的钢是由铁和碳制成的合金以及其他物质，这些物质之间相互作用生成了钢。对于负极，由于电化学反应，具有碳化铁作为正极的一次电池会生锈。

3 提高混凝土结构耐久性的建议

3.1 做好混凝土结构耐久性寿命预测

3.1.1 基于经验的预测方法

这是对实验室大量数据的归纳，以及现场施工人员长期以来工作经验积累，包括经验知识和推理、对耐力寿命的定量预测。目前，施工现场也多是用这种方法去推测混凝土结构的耐久性，认为遵循这种方法，混凝土结构就会具备现场需要的耐久性。如果混凝土结构的耐久性很长，当遇到混凝土结构使用条件比较复杂及从未经历过的施工难题时，这种方法就解决不了问题。

3.1.2 数学模型的预测方法

利用数学模型预测混凝土结构使用年限是最常用的一种方法。预测的准确性和模型是否符合事实及选用材料和周围环境系数的影响因素有关。目前数学模型已开发用于混凝土结构寿命预测，它考虑到不同侵蚀性介质，如水、盐或混凝土表面的气体进入过程。

3.2 技术性措施

提升混凝土结构安全性和耐久性的措施可以概括为基本措施和补充措施两种。对于基本措施，按照规范设计和合理的施工组织设计，使混凝土结构的耐久性发挥到最佳。在使用混凝土结构时，保持混凝土结构抗渗性能较高，来制约混凝土周围环境因素的影响，防止有害介质对混凝土的侵蚀，达到保护钢筋混凝土结构不会生锈的目的。

3.2.1 结构选型和细部设计

尽可能减少位于混凝土结构表层、施工缝隙和防水位置的积水，把排水渠的尺寸尽量做宽，减少混凝土结构暴露在潮湿的空气中。要选择简单且质量佳的组件，结构选型时也要严格按照结构设计的要求进行施工。

3.2.2 控制裂缝

混凝土结构裂缝产生的原因主要有可控性和不可控性两种形式。有些裂缝是无法控制的，比如因收缩而导致混凝土结构破坏、对混凝土构筑物整体进行下降或混凝土承受的荷载比较大，由这些原因形成的裂缝都比较宽。混凝土结构开裂是工程建设业急需克服的问题，施工现场有些情况是无法预料的，作为技术人员应提前做好准备，确保施工过程中万无一失。

3.2.3 建筑材料

①混凝土掺合料：在混凝土结构中拌入矿渣及其他混合料，可以达到提高混凝土结构耐久性的效果。综合利用高含量减水剂和高品质外加剂的内在潜力，能改善混凝土结构的耐久性。硅酸盐水泥混凝土是一种高加工性、高流变性、低放水率、高早强和稳定性佳的混凝土结构，高抗渗性和高耐久性的高性能混凝土，已成为现代混凝土技术的重大突破。

②环氧涂料：环氧涂料在生产线上应严控质量问题，这样环氧涂料在对钢材表面涂抹防护时，才能保证钢材不被锈蚀，确保钢材在生产、运输、加工过程中不被损坏。

4 案例分析

东海大桥混凝土结构耐久性分析

上海东海大桥项目是上海国际航运中心集装箱深水港三大配套项目之一，服务于洋山深水港集装箱整理、供水、供电、通讯等需求。这也是继杭州湾大桥之后世界第二长跨海大桥，大桥始于上海市南汇区芦潮港，北与沪芦公路相连。桥梁的主体结构是混凝土结构，全桥的混凝土消耗量约为100万立方米，其设计使用寿命为100年，于2005年5月竣工。东海大桥位于北亚热带南缘，东北季风盛行，受季风影响，对东海大桥的耐久性设计要求比较高，可抵抗12级台风、7级烈度地震。东海大桥地处杭州湾海域，其海洋环境十分明显，常年气温高、湿度大、海区内盐含量高等。受海洋环境影响，混凝土结构遭受腐蚀，可以通过控制混凝土组件来避免盐侵蚀，如镁盐、硫酸盐和碱集料，此外，工程结构采取高标准的防腐措施，确保大桥在使用寿命年限内的安全性和耐久性满足正常使用要求。国内外工程技术人员研究证实，使得东海大桥中混凝土结构耐久性降低的原因是氯离子对钢筋混凝土中的钢材进行腐蚀，这些积聚在钢筋表面的氯离子会与钢筋发生电化学反应（氯离子半径比较小，具有一定的络合性，破坏钢材表面，进而腐蚀钢材），进而腐蚀钢筋混凝土结构。对东海大桥周边沿海建筑物的研究也表明，处于沿海地区的建筑物受海洋环境影响，混凝土结构被氯离子渗透的腐蚀要远高于混凝土结构的碳化，氯离子的渗透是导致东海大桥混凝土结构耐久性降低的主要原因。

5 结论

混凝土的具体结构代表了多尺度、多体、非平衡的系统，各因素之间相互作用强烈，难以区分实际设计中的各种因素，特别是外部环境因素与内部因素的相互作用。实际技术中的各种因素也是非常不确定的、偶然的和不可识别的。水灰比和水泥用量是根据现场施工要求随机变化的，各施工单位对于不同施工部位的施工方法也不一样，受外界环境影响，空气中水分含量、温差大小、空气中二氧化碳浓度、风压大小以及方向等影响因素也不同。由于复杂的不确定因素相互作用几乎无法检测到，单靠机械和微观分析无法反映整体特征，并且无法从实际工程数据中获取机械信息。因此，混凝土结构的安全性和耐久性是一个多元化问题，通过寻找各种因素的共同性，进行预测和保护混凝土结构，从而增强混凝土的安全性和耐久性。