混凝土结构的耐久性设计方法

迟冰

摘要：首先分析混凝土结构耐久性问题的区域性,介绍混凝土结构耐久性设计方法的研究现状,指出目前混凝土结构耐久性设计方法存在的问题及应进一步研究的方向,并提出了解决思路。再具体到混凝土结构耐久性环境区划工作的研究现状。

关键词：耐久性设计、混凝土、寿命成本分析。

中图分类号：TV331文献标识码： A

一、前言：

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料、颗粒状集料(也称为骨料)、水、以及必要时加入的外加剖和掺合料按一定比例配制,经均匀拔拌、密实成型、养护、硬化而成的一种人工石材。混凝土结构的耐久性是指:在正常维护条件下,在规定的时间内,在特定的工作环境中,保证结构正常工作的性能。也就是说,混凝土结构的耐久性至少涉及以下五个方面的问题:1、结构的安全性；2、适用性；3、使用寿命；4、工作环境；5、维护及维修费用。我们认为,正确进行结构工作环境的分类并确定环境对结构的作用效应,确定结构的设计使用寿命,确定结构耐久性极限状态和确定结构抵抗环境作用的能力,是进行混凝土结构耐久性设计必须解决的问题。

本文以混凝土结构耐久性设计方法为研究对象,专注于对影响混凝土结构耐久性的环境因素的量化和环境对结构作用效应的量化,分析环境作用对混凝土结构耐久性影响程度量化指标与相关环境因素量化指标的关系,寻求能体现地理分布特征的混凝土结构耐久性环境作用效应区划的量化方法,并建立基于环境区划的混凝土结构耐久性设计方法,以指导工程实践。

二、结构工作环境的分类

结构工作环境分类是混凝土结构耐久性设计的一项基础工作。首先,混凝土结构耐久性设计与环境对结构作用的类型有直接的关系。例如,在较强酸性介质侵蚀环境作用下,混凝土耐久性设计以选择合适的防护涂层措施为主,并规定重新涂刷防护涂层的年限；而在一般大气环境作用下,混凝土结构耐久性设计则可以验算保护层厚度为主。以上两种环境所用两种设计方法皆然不同。因此,混凝土结构耐久性必须按环境作用类型进行设计。其具体任务是处理环境作用效应与结构抵抗环境作用能力这一对矛盾。其次,结构的使用寿命与其所处的工作环境密切相关。在恶劣的工作环境中,混凝土结构的使用寿命短,如若大幅度地延长其使用寿命必然大量增加投资。此时则宜从结构合理选型上考虑。在较好的工作环境中,混凝土结构的使用寿命长,结构设计使用寿命可定得长一些。混凝土结构设计使用寿命随工作环境情况而异,这对设计工作,对国家的建设均有利。

根据结构工作环境情况、破损机理、形态,以及国内各行业传统经验,我们建议,可将混凝土结构的工作环境分成以下六大类:大气环境；土壤环境；海洋环境；环境水影响的环境；化学物质侵蚀环境；特殊环境。

1、大气环境

在大气环境中,混凝土结构的耐久性主要问题是保护层碳化后钢筋的锈蚀问题。该环境中的结构指:1、地面以上的混凝土结构或构件；2、在海水浪溅区之外的沿海结构或构件；3、在河流或湖泊等淡水区域平均年最高水位1m以上的混凝土结构或构件。

在确定大气环境对混凝土结构作用效应时,应考虑气候条件和结构用途对混凝土碳化和钢筋锈蚀速度的影响,在近海地区尚应考虑空气中氯离子向混凝土内扩散及其对钢筋锈蚀的影响,在某些地区还需考虑酸雨或冻融的影

响。

2、土壤环境

土壤环境中的结构是指与土壤有直接接触的混凝土结构或构件。在考虑土壤环境作用效应时,应考虑不同土壤的差别,如盐渍土、淤泥泥炭质土、含石膏土壤等,还应考虑地下水位变动及冻融的影响。

3、海洋环境

海洋环境中的结构包括:1、在海水中的结构和构件；2、在海平面之上的结构和构件；3、在海水浪溅区之内和受潮汐影响的结构或构件。海洋环境中的混凝土结构除了有钢筋锈蚀问题外,还有海水侵蚀和海水影响下的冻融等问题。

4、受环境水影响的环境

受环境水影响的混凝土结构包括:1、结构在河流、湖泊等淡水平均年最高水位1m以下的部分；2、常年受地下水影响的构件和结构；3、受水流冲蚀影响的结构。环境水对混凝土结构的作用效应宜根据水的流动性、水中SO2、Mg2+等物质含量和pH值确定。

5、化学物质侵蚀环境

化学物质侵蚀环境是指有人为化学物质污染的环境,包括下述结构:1、在化学物质污染空气中的结构或构件；2、在化学物质污染土壤的结构或构件；3、受化学物质污染水影响的结构或构件。在考虑这种环境对混凝土结构的作用效应时,宜按侵蚀性物质的种类、浓度等因素分别处理。

6、特殊环境

特殊环境是指有高温、蒸汽、辐射、冲撞及其它硬性损伤等因素的工作环境,以及使用除冰剂的环境中的结构。除了按环境类别确定环境作用效应外,有些影响混凝土结构耐久性的问题需要通过环境改造或者控制原材料中有害物质的含量来解决。

三、混凝土结构的设计使用寿命

确定设计使用寿命就是确定耐久性设计目标.混凝土结构的设计使用寿命应根据业主的要求,按结构的重要性和结构的工作环境来确定。为此,我们认为,可以将混凝土结构的设计使用寿命划分成100年、50年和25年3个档次,即划分为一级、二级、三级。重要建筑选用一级,一般性建筑选用二级,使用期较短的构筑物、工作环境中有特殊腐蚀物质侵蚀的建筑、次要建筑可选用三级.在特定情况下,局部构件的设计使用寿命可以低于结构整体的设计使用寿命,这些构件应该是可以更换或易于更换的构件。

四、耐久性设计的极限状态与使用年限

当环境作用导致结构性能劣化到不再满足原定的适用性或安全性要求时，就达到了耐久性设计的极限状态和相应的使用年限。但结构的使用年限可以通过修复延长，所以结构使用年限的定义，应是结构建成以后，在设计预定的使用、保养、修理和更换部件的条件下，所有性能均可满足原定要求的年限。结构大修与结构部件的更换会严重影响正常使用并耗费甚大，对一环境下的结构来说，在预定的使用年限内应能满足不需大修的要求，其使用年限应是仅在一般保养维护条件下的年限。仅当技术条件不能保证严酷环境条件下的耐久性需要或在经济考虑上非常不利时，才可在设计使用年限内规定对结构进行程度不同的大修、翻建或部件更换。为此，我们应该对结构的设计耐久性按其使用年限内需要修理或更换部件的程度划分成不同的等级。结构的腐蚀程度越深，修复的费用和难度越大，所以修复的时间应该设定在材料性能尚未明显劣化的状态。

在正常环境下，混凝土的后期强度会增长。长期的测试研究还表明，混凝土在正常受力下的后期强度要比不受力的增加更多，钢筋的后期强度也未见有衰减的报道。所以混凝土构件的承载力在材料未遭腐蚀的情况下不见得会在几年或上百年期限内出现衰退。我国规范的安全度设置水准本来偏低，如果再允许结构的安全度可以随时间下降到原有的安全水准之下更不适宜。RILEM 130-CSL 委员会的研究报告在分析结构使用年限终结时的结构截面承载力极限状态时，提出两种标准：(1) 如失效后果严重，后期的可靠指标仍与开始时的最低要求相同；（2)如失效后果不严重，则可靠指标适当降低。

五、结束语

1、混凝土结构的耐久性设计应依据构件所处的工作环境分别进行.

2、确定结构的设计使用寿命是耐久性设计所要进行的首要工作,混凝土结构的设计使用寿命宜综合考虑结构的重要性、安全性要求以及工作环境的侵蚀性和使用要求等因素后确定.

3、进行混凝土结构耐久性设计时,应根据结构工作环境的情况确定耐久性极限状态及其标志.

4、当上述工作完成后,耐久性设计工作就是按照混凝土结构破损的规律,验算结构在设计使用寿命内抵抗环境作用的能力是否大于环境对结构的作用效应。

参考文献：

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[3] 刘新安:《混凝土耐久性浅析》,《经营管理者》,2013年26期

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[7] 何文敏:《混凝土结构使用寿命预测模型研究综述》,《材料导报》,2011年15期