混凝土结构耐久性评定方法体系*

牛荻涛，杨德柱，罗大明

(1 西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室，西安 710055；2 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

0 概述

在土木工程发展历程中，钢筋混凝土结构一直占据主导地位。目前我国钢筋混凝土结构房屋约占总建筑面积的60%～70%，桥梁结构、水工结构、港工结构中混凝土结构所占比例更大。我国地域辽阔、气候环境复杂多变，酸性气体、酸雨、冻融、氯盐等环境因素作用对既有钢筋混凝土结构耐久性构成了严重威胁，造成一些关系国计民生的重大土木工程过早地出现耐久性损伤，甚至提前退役。据统计，我国每年腐蚀损失约占国民经济生产总值的5%，其中基础设施腐蚀损失占40%以上[1]，远大于火灾、水灾、风灾等损失的总和。根据中国工程院《中国工业和自然环境腐蚀调查与对策》统计结果，我国土木工程(包括建筑、桥梁、水利、公路、港口)每年腐蚀损失总计达1 000亿人民币，耐久性腐蚀破坏造成的经济损失及其修复费用已引起社会各界的普遍关注。

由于环境侵蚀、材料劣化及使用不当，大量既有混凝土结构出现耐久性损伤及性能下降。近年来，为满足既有混凝土结构安全性与使用性评定的需要，我国相继编制了《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—1999)、《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2008)，这些标准的编制为既有钢筋混凝土结构可靠性鉴定提供了依据，对保证既有混凝土结构的安全使用发挥了重要作用，但其中仅涉及了一些可靠性评估方面的内容，缺少系统的耐久性评价指标体系与定量评定方法，不能对混凝土结构的剩余使用年限做出科学评估。《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)提供了混凝土结构耐久性设计的方法，为新建混凝土结构的耐久性设计提供了依据，但并不能解决既有混凝土结构的耐久性评定与剩余寿命预测问题。由西安建筑科技大学主编的《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220∶2007)初步解决了我国既有混凝土结构耐久性检测评定方面的技术难题，为既有混凝土耐久性评定提供了依据，填补了我国在混凝土结构耐久性检测评定方面的空白，但其技术内容是基于2005年以前的工程实践与研究成果编制的，尚存在许多不足和有待完善之处。

混凝土结构耐久性问题十分复杂，耐久性损伤破坏往往是多种环境因素及荷载因素共同作用的结果。另一方面，混凝土材料、结构也在不断发展，基于概率理论的结构设计与评估已经成为土木工程领域的发展趋势。因此，汇集近年来的混凝土结构耐久性评估理论与方法[2-5]、工程实践经验与最新研究成果，使我国在混凝土结构耐久性评定与寿命预测领域的技术水平处于国际先进行列，提出适用于我国的既有混凝土结构耐久性评定方法体系十分必要。

为合理评定既有混凝土结构的耐久性，保证既有混凝土结构在目标使用年限内的安全和正常使用，需要科学评估既有混凝土结构的耐久性能，明确混凝土结构可能遭受的一般环境、氯盐环境、冻融环境、硫酸盐侵蚀环境等各类侵蚀环境作用下的耐久性评定原则和方法，合理预测其剩余使用年限，为结构的维修、加固提供决策依据。

1 耐久性评定理论基础

自20世纪80年代以来，随着国家有关部委对混凝土结构耐久性的重视，诸多学者采取理论分析、试验研究与实际工程调查相结合的研究方法，从环境层次、材料层次、构件层次、结构层次4个方面，围绕混凝土结构的耐久性进行了较为全面、系统的研究，取得了一系列研究成果。在耐久性环境区划、沿海地区氯离子侵蚀、中西部地区混凝土中性化、典型地区硫酸盐侵蚀、寒冷地区冻融及盐冻等单因素作用与多因素耦合作用[6-7]混凝土结构的耐久性能、混凝土结构耐久性寿命预测以及掺合料混凝土、纤维复合材料等新型混凝土材料与结构耐久性方面，国内外学者进行了深入系统的研究，揭示了多因素耦合作用下混凝土材料、构件、结构耐久性的劣化规律，建立了混凝土劣化模型[8-9]和结构性能退化模型[10]，提出了一些混凝土结构耐久性寿命预测方法[11-12]，完善了混凝土结构耐久性评定体系及评定方法。

2 耐久性评定范围和时间

结构由于所受外力的改变导致其材料应力发生变化，或者由于结构构件塑性变形而使其几何形状、裂缝形态显著变化，或者由于使用环境的改变，导致构件混凝土保护层剥落、钢筋锈蚀、填充墙开裂及屋面积水等，都会加速混凝土结构耐久性劣化。

近年来，世界多个国家相继出台了建筑物定期检测评价法规。新加坡的建筑物管理法强制规定，居住建筑在建造后10年及以后每隔10年必须进行强制鉴定，公共、工业建筑则为建造后5年及以后每隔5年进行一次强制鉴定。日本通常要求建筑物服役20年后进行一次鉴定。英国等国家对于体育场馆等人员密集的公共建筑，作了强制定期鉴定的规定。我国《建筑工程质量管理条例》第42条明确规定“建设工程在超过合理使用年限后需要继续使用的，产权所有人应当委托具有相应资质等级的勘察、设计单位鉴定，并根据鉴定结果采取加固、维修等措施，重新界定使用期”。《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)中规定“对于70年代及以前的建筑”，应进行耐久性鉴定。

根据我国工程经验，在保证建筑物安全性的前提下，民用建筑使用30～40年、工业建筑及露天结构使用20年左右宜进行耐久性评定；重要工程结构在一般环境下使用5～10年，在严酷环境下使用3～5年宜进行耐久性评定；对核电站结构、大型桥梁、海洋平台、大坝、地铁等重要的基础设施以及设计使用年限为100年的工程结构应根据具体情况设置检测评定周期，如在一般环境下使用10年左右，在严酷环境下使用5年左右宜进行耐久性评定。当结构的使用功能或环境发生明显改变，或达到设计使用年限拟继续使用，或设计单位、使用单位有特别的评定要求时，也应进行耐久性评定。

3 耐久性分级标准

为方便业主对既有建筑进行维护管理，从宏观上定性把握结构耐久性状况，同时也与工业建筑、民用建筑可靠性鉴定标准中的适用性评定相协调，可依据目标使用年限内是否满足耐久性要求，采用三个等级对结构或构件的耐久性能进行评定。目标使用年限一般由业主与评定人员根据使用要求和结构当前的技术状况协商确定。

依据现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)的规定，结构构件正常使用极限状态的可靠指标按照其可逆程度取0～1.5。由于耐久性损伤往往是不可逆的，因此取上限作为A(a)级的标准，即不采取任何附加措施，可符合现行国家标准对结构耐久性的要求；对于B(b)级下限，混凝土结构仅在均值意义上符合耐久性要求，会有部分构件不能符合要求；对于C(c)级，会有超过50%的构件不能符合要求而需要大修。

4 耐久性评定方法

结构所处的环境条件和结构当前的技术状况决定结构耐久性能的优劣，环境类别和环境作用等级共同决定了环境对结构的作用程度，而结构当前的技术状况及使用要求则决定了其后续使用年限。结构或构件的重要性和可修复性用于调整结构的安全裕度，一般来说，目标使用年限越长、结构或构件的重要性越高、可修复性越差的结构，耐久性评定时应将安全裕度适当提高，以保证结构或构件具有足够的安全储备。

在混凝土结构耐久性评定时，有些情况能够预测混凝土结构的剩余使用年限，有些则不能或当前没有条件预测其剩余使用年限。如氯盐侵蚀环境以钢筋开始锈蚀作为耐久性失效标准时，对于在制备时掺入氯盐的混凝土，仅能根据混凝土中的氯离子浓度和引起钢筋锈蚀的临界浓度的比值，确定钢筋是否发生锈蚀，以此判断耐久性能的好坏，此时是没有时间参数介入的。又如冻融破坏和碱-骨料反应引起的破坏，由于受现有认识水平的限制，当前还不能给出性能时变模型，也只能借助某些耐久性损伤指标评价其耐久性能的优劣。因此，在进行耐久性评定时，给出按剩余使用年限和按耐久性损伤状态两种评定方法，如图1所示。

图1 耐久性评定方法

耐久性裕度系数应根据结构所处的环境类别及作用等级、结构的技术状况，并考虑耐久重要性系数γ0，按下式确定：

(1)

(2)

式中：tre为结构剩余使用年限；te为目标使用年限；[Ω]为某项性能指标的临界值；Ω为某项性能指标的评定值。

对于一般大气环境，分析结果表明，当耐久性裕度系数ξd=1.0时，对应的可靠指标β为0，保证率为50%，即从平均意义上讲，在目标使用年限终结时，构件即开裂。在常用参数范围内，ξd=1.5时，β为0.57～0.63，保证率为72%～74%；ξd=1.8时，β为0.77～1.06，保证率为78%～86%。考虑到现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)对结构适用性的可靠度要求，ξd取1.8为A(a)级的下限较为合理。

表1的等级划分依据一般大气环境给出，其他环境类别相对恶劣，在相同保证率下同一耐久性等级对应的耐久性裕度相对较低，但由于其他环境下的相关统计资料较为缺乏，因此其他环境混凝土结构耐久性评定中可采用相同的耐久性等级划分界限，评定结果偏于安全。

5 不同环境下混凝土耐久性评定

5.1 一般环境

一般环境由中性化引起混凝土碱度降低，造成钢筋钝化膜破坏[13-14]，当脱钝钢筋表面存在其电化学反应所需氧和水时，钢筋即发生锈蚀。对预应力或严格不允许钢筋发生锈蚀的混凝土构件应采用钢筋开始锈蚀耐久性极限状态进行评定。

一般环境条件下碳化或中性化引起的钢筋锈蚀[15-17]在保护层开裂前属于微电池腐蚀，钢筋锈蚀相对均匀。钢筋锈蚀产物是钢材原体积的2～4倍[18]，从而在混凝土保护层内产生膨胀压力，引起混凝土保护层出现顺筋锈胀裂缝，对一般室内构件宜采用混凝土保护层锈胀开裂极限状态进行评定。

保护层开裂后，裂缝处钢筋成为阳极，以宏电池腐蚀为主，钢筋锈蚀速率加快。对于外观要求不高的室外构件和一些重工业厂房混凝土构件，一般可用混凝土表面出现可接受最大外观损伤的时间确定其剩余使用年限，相应锈胀裂缝宽度大致在2～3mm范围内，定义为混凝土锈胀裂缝宽度极限状态，此时已不能符合适用性规定，应及时修复。

对于一般环境，现有研究相对成熟，可通过钢筋开始锈蚀极限状态、混凝土保护层锈胀开裂极限状态和混凝土保护层锈胀裂缝宽度极限状态预测剩余耐久年限，并采用下述公式计算耐久性裕度系数进行耐久性评定。

ξd=(t-t0)/(γ0te)

(3)

式中：t为不同耐久性极限状态所对应的耐久年限，其中钢筋开始锈蚀耐久年限、混凝土保护层锈胀开裂耐久年限和混凝土保护层锈胀裂缝宽度限值耐久年限分布用ti，tcr和td表示；t0为结构建成至检测时的时间。

钢筋开始锈蚀耐久年限ti按下式确定：

ti=15.2KkKcKm

(4)

式中Kk，Kc和Km分别为碳化系数、保护层厚度和局部环境对钢筋开始锈蚀耐久年限的影响系数。

混凝土保护层锈胀开裂耐久年限tcr按下式确定：

tcr=ti+tc

(5)

tc=HcHfHdHTHRHHmtr

(6)

式中：tc为钢筋开始锈蚀至保护层锈胀开裂所需时间；tr为各项影响系数为1.0时构件自钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂的时间，对室外环境，梁、柱取1.9，墙、板取4.9；对室内环境，梁、柱取3.8，墙、板取11.0；Hc，Hf，Hd，HT，HRH和Hm分别为保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度和局部环境对混凝土保护层锈胀开裂耐久年限的影响系数。

混凝土保护层锈胀裂缝宽度限值耐久年限td按下式确定：

td=ti+tc1

(7)

tc1=FcFfFdFTFRHFmtd0

(8)

式中：tcl为钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀裂缝宽度达到限值所需时间；td0为各项影响系数为1.0时自钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀裂缝宽度达到限值的年限；Fc，Ff，Fd，FT，FRH和Fm分别为保护层厚度、混凝土强度、钢筋直径、环境温度、环境湿度以及局部环境对混凝土保护层锈胀裂缝宽度限值耐久年限的影响系数。

5.2 氯盐侵蚀环境

氯离子半径小，穿透力极强，通过渗入或掺入混凝土后，迅速到达钢筋表面，破坏钝化膜形成腐蚀电池，氯离子与铁离子反应，生成FeCl在水中遇OH-立即生成Fe(OH)2[18]，氯离子不会因腐蚀反应而减少，起的是催化作用、去极化作用和导电作用，使电化学反应加快，因此对氯盐侵蚀环境，钢筋锈蚀危险性随混凝土中氯离子浓度增加而增大。当混凝土中的氯离子浓度超过氯离子临界浓度值时，钢筋表面的钝化膜就会遭到破坏，只要其他必要条件也已具备(主要是钢筋锈蚀所需的水与氧气)，就会导致钢筋锈蚀，进而影响到混凝土结构的使用寿命。

氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀速率比碳化引起的钢筋锈蚀速率要快，在保护层开裂前，氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀相对均匀，锈蚀速率相对较慢；保护层开裂后，随着氯离子侵蚀路径的增多，侵蚀速度加快，引发钢筋锈蚀速率增加，结构性能退化明显加快。根据钢筋锈蚀对既有混凝土构件危害程度，氯盐侵蚀环境可选择不同的耐久性极限状态进行耐久性评定。对于目标使用年限内不允许钢筋锈蚀的构件，如预应力构件中预应力筋，宜采用钢筋开始锈蚀极限状态进行评定；对于目标使用年限内不允许出现混凝土保护层锈胀裂缝的构件应采用混凝土保护层锈胀开裂极限状态进行评定。

考虑氯盐环境下混凝土保护层开裂后结构性能退化明显加快，锈胀开裂至裂缝宽度达到限值所需时间较短，因此将混凝土保护层锈胀开裂作为耐久性寿命终结标志。

氯盐侵蚀环境混凝土结构耐久性极限状态对应的耐久性裕度系数按下式确定：

ξd=(t-t0)/(γ0te)

(9)

式中t为钢筋开始锈蚀或混凝土保护层锈胀开裂耐久年限，其中，钢筋开始锈蚀耐久年限和混凝土保护层锈胀开裂耐久年限分布用ti和tcr表示。

氯盐侵蚀环境混凝土结构钢筋开始锈蚀耐久年限按下式确定：

(10)

(11)

氯盐侵蚀环境混凝土保护层锈胀开裂耐久年限按下式确定：

tcr=ti+tc

(12)

tc=β1β2tc,0

(13)

式中：tcr为混凝土保护层锈胀开裂耐久年限；tc,0为未考虑锈蚀产物渗透迁移及锈坑位置修正的钢筋开始锈蚀至混凝土保护层锈胀开裂的时间；β1为考虑锈蚀产物向锈坑周围迁移及向混凝土孔隙、微裂缝扩散对混凝土保护层锈胀开裂时间的修正系数；β2为考虑多个锈坑及分布对混凝土保护层开裂时间的修正系数。

5.3 冻融环境

关于混凝土冻融损伤机理[19]及劣化规律[20-22]、抗冻性评价指标[23-24]、冻融破坏[25]预防等方面，各国学者开展了大量理论分析和试验研究，但至今还没有普遍认可的时变模型，选择合理的评价指标成为冻融环境混凝土结构耐久性评定的难题。

一方面，混凝土冻融损伤造成混凝土材料性能劣化是一个由表及里的发展过程，冻融损伤过程中，混凝土由冻融前的密实状态逐步变成疏松状态，在混凝土内部形成大量的微裂缝，并且混凝土表面发生逐层剥落。现有的室内加速试验方法中普遍选用相对动弹性模量和质量损失率来评价冻融后混凝土的内部损伤和表层剥落，但对实际工程而言，这两个指标较难准确获得，因此选择混凝土表面剥落状况作为冻融损伤的主要评价指标，将冻融循环作用引起混凝土构件表层水泥砂浆脱落、粗骨料外露，构件表面剥落达到剥落率限值、剥落深度限值的状态定义为混凝土表面剥落耐久性极限状态。

耐久性等级评定 表1

冻融环境混凝土构件表面剥落耐久性等级按表2进行评定。

冻融环境混凝土构件表面剥落耐久性等级 表2

冻融环境锈蚀钢筋混凝土结构性能劣化机理比较复杂。一方面，冻融引起的混凝土损伤加速了侵蚀介质的渗透，造成混凝土对钢筋保护作用降低，混凝土中钢筋的锈蚀加剧。另一方面，锈蚀产物的积累更易引起混凝土保护层开裂，并加快锈胀裂缝的开展。因此，将钢筋锈蚀极限状态(包括钢筋开始锈蚀极限状态、混凝土保护层锈胀开裂极限状态)作为冻融环境混凝土结构耐久性评定的另一个极限状态。

对于一般冻融环境及寒冷地区海洋环境，冻融造成的混凝土材料损伤将加速碳化及氯离子侵蚀进程[26]，进而加快混凝土中的钢筋锈蚀；目前上述环境中钢筋锈蚀发展规律的研究成果不多，在耐久性评定时可通过调整局部环境系数以及氯离子扩散系数分别反映冻融损伤对混凝土中性化以及混凝土氯离子扩散速率的影响。除冰盐环境与海洋环境中钢筋表面氯离子积累过程有很大不同，海洋环境中钢筋表面的氯离子浓度由沉积速度控制，而除冰盐环境钢筋表面的氯离子浓度由渗透速度控制。考虑除冰盐提供的氯离子更为集中，持续时间较短，冻融损伤使氯离子渗透速度更快，除冰盐环境钢筋锈蚀通常比海洋环境钢筋锈蚀更为严重，建议通过实测确定钢筋表面氯离子浓度准确评定该环境下混凝土结构的耐久性。

5.4 硫酸盐侵蚀环境

混凝土的硫酸盐侵蚀机制[27-28]分为化学腐蚀与盐结晶腐蚀。其中，化学腐蚀产物主要为钙矾石、石膏或碳硫硅钙石[29]，具体取决于环境中硫酸盐浓度、温湿度和混凝土原材料。盐结晶腐蚀的产物取决于侵蚀环境中盐的类型与温湿度，由于盐析出过程中晶体的长大会对混凝土内部形成膨胀压力，导致混凝土损伤、直至破坏。考虑到盐结晶腐蚀的复杂性以及现阶段研究成果的局限性，现有耐久性评定方法主要针对腐蚀产物以钙矾石为主的化学腐蚀进行耐久性评定。

处于硫酸盐侵蚀环境的混凝土结构，混凝土的腐蚀损伤分为表层剥落和内部损伤，导致混凝土对钢筋的保护作用降低，影响构件或结构的使用寿命。对钢筋混凝土结构及构件，取腐蚀损伤深度达到钢筋表面的状态作为硫酸盐侵蚀混凝土腐蚀损伤极限状态，即以混凝土保护层完全丧失对钢筋的保护作用作为钢筋混凝土结构构件的耐久性极限状态。对于素混凝土构件，硫酸盐侵蚀的影响主要表现在截面有效尺寸的减小，腐蚀损伤极限状态采用构件截面最小几何尺寸的5%和70mm两者中的较小值作为可接受的最大腐蚀深度。对截面尺寸小于或等于1 400mm的构件，5%截面损伤对结构安全性影响较小，但对结构正常使用影响较大，取截面最小尺寸的5%为可接受的最大腐蚀深度；对截面尺寸大于1 400mm的构件，5%截面损伤混凝土表面会出现严重酥松剥落，考虑到大尺寸素混凝土构件主要应用于水工混凝土结构中，参考水工混凝土结构保护层厚度规定取70mm为可接受的最大腐蚀深度。

混凝土结构遭受硫酸盐腐蚀损伤剩余使用年限应按下式确定：

(14)

式中：tre为结构剩余使用年限；[X]为混凝土腐蚀损伤深度限值，mm；X为混凝土构件腐蚀损伤深度，mm，即混凝土构件剥落深度Xs与硫酸根离子浓度达到4%对应的深度Xd之和；R为混凝土硫酸盐腐蚀速率，mm/a，可采用ACI Committee 365报告《Service-Life Prediction》中的Atkinson传输反应模型，按下式计算：

(15)

5.5 混凝土碱-骨料反应

混凝土发生碱-骨料反应[30]的三个必要条件：相当数量的碱、相当数量的碱活性骨料、使用环境有足够的湿度。

碱-骨料反应会造成混凝土内部膨胀，混凝土中的碱含量越高，骨料的碱活性越强，可供碱骨料反应的物质就越多，混凝土碱-骨料反应破坏就越严重。混凝土中SiO2/Na2O比值会影响混凝土内部的膨胀压力，在一定含碱量条件下，各种碱活性骨料造成的膨胀压力最大匹配比例不尽相同。目前对膨胀机理有反应产物吸水膨胀理论和渗透压理论两种解释，这两种理论都要求有充足的水分存在，环境湿度越大，膨胀力越大。碱-骨料反应导致混凝土大面积开裂，反应产物向外渗透并在表面富集，混凝土表面状况一定程度上反应了碱-骨料反应破坏的严重程度。因此，混凝土碱-骨料反应耐久性等级可根据混凝土含碱量、骨料活性、混凝土表面状况和服役环境进行评定。

混凝土碱-骨料反应耐久性等级应根据是否具备反应条件、碱-骨料反应发生风险及反应严重程度，按表3进行评定，并应取最低等级为评定等级。

混凝土碱-骨料反应耐久性评定 表3

6 结构耐久性综合评定

结构耐久性应按评定单元的耐久性等级评定，而评定单元耐久性等级则根据其耐久性裕度系数确定。当混凝土结构形式简单时，评定单元的耐久性裕度系数取受检构件耐久性裕度系数的算术平均值。当结构复杂时，则根据结构布置将评定单元按层或单榀排架划分为若干子单元，再进行评定；评定单元耐久性裕度系数取各子单元耐久性裕度系数的算术平均值。

子单元耐久性裕度系数应根据构件耐久性裕度系数按下式确定：

(16)

7 结语

把我国既有建筑物的使用寿命延长一年，就相当于新建上亿平方米的房屋，或相当于创造几百亿的经济效益。因此，科学评定既有混凝土结构的使用寿命，延长既有建筑物的使用年限，对提升既有混凝土结构的耐久性，有效发挥既有结构在国民经济建设和社会发展中的作用，符合国家节约资源、可持续发展战略和低碳节能的战略需求，对于节能减排和减轻环境污染具有重要的社会效益。

我国幅员辽阔，各地环境条件与混凝土原材料均存在很大差异，在进行混凝土结构耐久性评定时，应广泛调研，充分考虑当地的实际情况和目标使用年限内可能受到的环境作用，分析其在耐久性方面存在的主要问题，进一步了解和掌握既有混凝土结构的耐久性现状，准确评价其耐久性能。

现有方法在进行混凝土结构耐久性评定时主要考虑单一环境因素的影响，但实际结构通常受多种环境因素共同作用。一般情况下，考虑主要环境因素影响得到的耐久性评定结果可以反映工程结构当前的技术状态；当多种环境因素对结构的影响都比较大时，耐久性评定需要同时考虑多种环境因素的耦合作用。受限于现有研究成果，还应加强单因素和多因素耦合作用下混凝土结构的劣化机理的研究，进一步完善结构耐久性评价体系。

致谢：在各位同仁的共同努力下，《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355—2019)已经于2019年8月1日颁布实施，特向标准编制组成员和广大同仁在编制过程中所提供的帮助表示衷心的感谢。