室内环境下钢筋混凝土结构耐久性问题的分析

方东升，董道炎，胡泽翔，吕佳骅

（1.湖南省第六工程有限公司，湖南 长沙 410015；2.湖南省机械化施工有限公司，湖南 长沙 410015）

0 引 言

我国从 20 世纪 80年代就开始对混凝土的耐久性进行研究，由于影响混凝土耐久性的因素很多，混凝土结构耐久性损害过程的时间也很长，耐久性研究的系统性和试验方法还有待完善，给耐久性问题研究增加了难度。改革开放以来我国进行了大量的基本建设，在众多的建设工程中，钢筋混凝土结构是最多的结构形式。随着时间的推移，特别是沿海地区早期建设的混凝土结构，由于环境条件对混凝土碳化的影响以及海洋气候对混凝土的腐蚀，导致结构发生早期破坏的案例时有出现。如何在使用过程中保障混凝土结构的耐久性能，有着重要的经济意义和环保意义。本文通过一个工程案例就室内环境条件下对混凝土使用期耐久性保障的问题进行探讨，为以后的工程实践提供参考。

1 工程概况

本工程开工日期 1996年5月，竣工日期为 1998年10月。结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，抗震设防烈度为 7 度，建筑层数为 31 层，其中地下室 1 层，裙楼 3 层，第 4 层为结构转换层，第 5 至 31 层为住宅。

该工程业主于 2015年发现裙楼楼板底部有混凝土块剥离脱落，钢筋锈蚀的现象（见图1），裙楼局部楼板的混凝土裂缝有持续发展的现象，引起了业主的不安。2015年5月业主及施工双方现场勘查情况如下：裙楼采用石膏板吊顶，用途为电子商城，使用荷载较大，揭开吊顶发现裙楼屋面板、2 层、3 层楼板底有不同程度的开裂、混凝土剥落和钢筋锈蚀现象。

查备案的竣工资料发现原材料质量和检验批次、隐蔽工程记录、整体工程质量均满足当时的设计及规范要求，且该工程被评为优良工程。为查明原因，委托检测单位在 2 层、3 层、裙楼屋面各抽检 2 块板，地下室、1、2、3 层各抽检 2 根柱用探测仪及微破损法进行混凝土保护层厚度检测，用回弹法检测混凝土强度；同时在上述部位用钻芯法抽出 14 个芯样用于实验室进行酚酞法混凝土碳化深度检测，并用化学分析法检测氯离子含量。

图1 裙楼楼板底部质量问题

2 气候条件

该建筑位于海滨城市，距海岸线 2.1 km，属于南亚热带季风气候，长夏短冬，气候温和，日照充足，雨量充沛，根据现行 GB/T 50479-2008《混凝土结构耐久性设计规范》［1］，该建筑场地环境作用等级为Ⅰ类。依据当地气象资料，年平均气温 23 ℃，平均相对湿度 74 %，大于 60 %，属于中、高湿气候环境。综合判断该建筑 1～3 层裙楼楼板所处环境等级为Ⅰ-B，为干湿交替的室内潮湿环境。

刘军等［2］就海洋附近大气氯离子含量在温度、湿度、距海岸线距离、海拔高程等环境影响因素下的变化情况进行了研究。沿海及近海地区海风、雾气中的大量 Cl-1和 NaCl 颗粒会逐渐沉积在建筑结构混凝土的表面，由于混凝土具有一定的渗透性，在毛细作用和渗透作用的影响下，氯离子会向混凝土内部扩散，高温环境会更有利于氯离子的扩散，较高的湿度则使得氯离子对钢筋的腐蚀作用加剧，因此大气氯离子含量对混凝土结构耐久性的影响已经引起业界的重视。

3 混凝土裂缝

根据原设计图纸、GBJ 10-89《混凝土结构设计规范》、现行 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》［3］。计算参数、钢筋强度、楼板混凝土的保护层厚度等按照适时规范，荷载按 3.0 kN/m2，结构参数如表1 所示。

表1 结构参数

经验算在设计使用荷载条件下：1 层楼板按人防要求设计，强度较高，裂缝计算宽度在 0.1 mm以内；2、3层楼板的裂缝计算宽度均在 0.3 mm 以内；裙楼屋面板的裂缝宽度在 0.2 mm 以内，满足相关规范的要求。混凝土由于泌水、收缩、温度变化、冻融以及碱骨料反应等原因，浇筑后的混凝土在使用前就已经存在微裂缝，而在荷载和外部环境的作用下会使混凝土产生更多的微裂缝并使混凝土中原始裂缝扩展和相互连通。这些微裂缝可以形成潜在的传输通道，使侵蚀性介质更容易进入混凝土内部。

本次检测未对混凝土的裂缝宽度和深度进行检测，现场目测到的裂纹大多是因钢筋锈蚀引起的胀裂裂缝。1 层楼板底无胀裂裂缝和混凝土剥落现象，2、3 层楼板底及裙楼屋面板底胀裂裂缝和混凝土剥落现象较为严重。高丽燕等［4］对持续荷载作用下混凝土的氯离子扩散性能的研究发现，氯离子的渗透与所施加荷载引起的混凝土的微裂缝发展有关，当荷载水平为 30 % 时，荷载作用对氯离子传输的影响较小，而在荷载水平为 60 %时，荷载作用对氯离子扩散的影响显著。

1 层楼板混凝土耐久性破坏不明显。一是此层楼板设计的板厚、配筋较强，混凝土强度较高，混凝土碳化深度较小；二是楼板底部有水泥砂浆抹灰层，相当于增加了保护层厚度。而 2、3 层楼板及裙楼屋面板底部耐久性破坏较严重。一是空气中 CO2等介质使混凝土碳化；二是因为楼板底混凝土裸露（有封闭的石膏吊顶而未进行砂浆抹灰），碳化介质、大气及混凝土自身所含的氯离子沿混凝土微裂缝渗透，加速了混凝土碳化；三是楼面使用荷载较大，氯离子沿混凝土裂缝加速扩散。

根据上述分析，虽然本案中混凝土构件裂缝宽度满足设计荷载作用下的规范要求，但是碳化介质会沿微细裂缝碳化混凝土、降低混凝土的 pH 值，促使氯离子活化，在楼面荷载作用下使氯离子随碳化深度向混凝土内部扩散，侵蚀钢筋，从而影响混凝土的耐久性。

4 混凝土强度及保护层厚度分析

1 层楼板、裙楼屋面板设计强度为 C30，2、3 层楼板设计强度为 C 25。从检测的情况看，强度满足设计要求，1 层楼板的强度均匀性优于 2、3 层楼板。

根据当时的设计文件，楼板保护层厚度为 15 mm，查适时规范 GBJ 10-89《混凝土结构设计规范》和现行 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范（2015年版）》，混凝土最低强度为 C 25，楼板的保护层厚度为 15 mm。而按照 GB/T 50479-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，在Ⅰ-B 类环境作用下，混凝土强度最低值为 C 30，保护层厚度为 25 mm。显然，2、3 层楼板及裙楼屋面板的混凝土保护层厚度不符合要求。而 1 层楼板底有水泥砂浆抹灰层，根据规范，混凝土保护层厚度可以减少 10 mm。综上所述 1、2、3 层楼板及裙楼屋面板中，只有 1 层楼板的混凝土保护层厚度符合现行耐久性设计规范要求。

检测表明 1 层楼板板底碳化深度＜2 mm，裙楼屋面板板底的碳化发展较慢，而 2、3 层楼板因混凝土强度、板厚、保护层厚度不满足 GB/T 50479-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的要求，且楼板底混凝土裸露，所以碳化深度也较大。楼板面层由于有致密的瓷砖面层，增加了保护层厚度，检测结果混凝土碳化深度＜2 mm。

混凝土强度和保护层厚度是提高混凝土耐久性的有力措施，现行 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》和 GB/T 50479-2008《混凝土结构耐久性设计规范（2015年版）》与原规范比有了明显提高，但对保护层厚度的检查当时适用及现行 GB 50164-2011《混凝土质量控制规范》都列在钢筋安装分项工程内，此时检查的数据与混凝土浇筑完成后的数据存在差异。

5 混凝土碳化深度分析

检测的结果表明碳化面均为楼板下方，楼板面层受找平层和地面瓷砖的影响几乎没有碳化。竖直结构的碳化深度＜2 mm，没有超过保护层厚度。2 层楼板板底平均碳化深度为 17.6 mm，3 层楼板板底的碳化深度 5～31 mm，平均碳化深度 21.38 mm。裙楼屋面板的平均碳化深度为 6.3 mm，考虑到实际钢筋保护层的厚度偏差原因，部分钢筋也处于碳化深度临界面，个别地方出现混凝土剥落，但碳化深度比 2、3 层的碳化深度小了很多。当碳化深度超过了保护层厚度，碳化的中性化作用使混凝土空隙中的 pH 值降低，钢筋表面的钝化保护膜失效，即使混凝土中氯离子含量低于 0.3 % 的现行标准，氯离子处于活化状态，钢筋也会产生锈蚀。

由于受力状态不同，同一构件受拉区比受压区的碳化深度可增加 10 %～60 %。雷涛［5］对裂缝宽度对混凝土碳化的影响进行了研究，混凝土沿裂缝界面产生碳化，碳化深度直达裂缝前端，在干燥环境下当裂缝宽度大于 0.25 mm 时，保护层位置处混凝土 pH 值显著降低。在相同的设计参数、施工条件、气候条件下 2、3 层楼板的碳化深度明显大于 1 层及裙楼屋面板，说明碳化深度与混凝土强度、使用荷载、裂缝宽度有较大关系。

6 氯离子含量变化分析

6.1 相关规范

依据现行的 GB/T 50479-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，在Ⅰ类一般环境下，CO2、Cl-1等介质是混凝土碳化、钢筋腐蚀的主要因素。相关规范对氯离子含量做了相应的限定（见表2）。

表2 相关标准规定的混凝土中氯离子含量限值

表3 现场检测混凝土中的氯离子含量

6.2 现场检测氯离子含量

表3为现场检测混凝土中的氯离子含量。经过表2、表3 对比可以看出，1 层楼板的氯离子含量低于 0.3 %，满足适时规范也满足现行规范的要求。2、3 层楼板均满足适时规范的要求，部分不满足现行规范的要求。屋面板的氯离子含量普遍偏大，内部芯样氯离子含量满足适时规范要求，但不满足现行规范要求，尤其是剥落层的混凝土中氯离子含量更高。楼板上部与柱由于属于受压状态，碳化深度＜2 mm，氯离子含量远远小于受拉状态混凝土的含量，氯离子的渗透情况在受拉区显著大于受压区（见图2）。

图2 氯离子含量图

检测结果反应芯样内部混凝土氯离子含量明显低于取自锈胀剥落区混凝土的氯离子含量。一是因为碳化可使大气中依附在混凝土表面的氯离子向内迁移；二是碳化使水泥基材料固化的氯离子释放出来，变成水溶性氯离子，在碳化作用下驱使氯离子在碳化表面富集，使局部的自由氯离子含量显著增加，碳化和氯离子共同作用引起氯离子沿深度重新分布。

7 结 论

混凝土耐久性不是单一性问题，影响它的除了环境作用外，还与结构的力学性能、受力状态、受力大小、原材料质量、构造要求等因素有关。

1）在 GB 50164-2011《混凝土质量控制标准》和GB 50204-2015《混凝土结构工程施工及验收规范》中，有针对施工过程中钢筋保护层的验收要求，而对混凝土结构成品无相关验收条款。建筑行业需要对混凝土成品的保护层厚度验收作出相关规定，规范中应增加对混凝土成品的保护层厚度的验收条款，以保证设计中的耐久性措施得到验证。

2） GB 50010-2010《混凝土结构设计规范（2015年版）》对混凝土的允许裂缝宽度有限制要求，但 GB 50204-2015《混凝土结构工程施工及验收规范》及相关规范对混凝土结构成品没有针对裂缝的相关 条款，在主体结构验收时在规范中应该有要求。

3）混凝土裂缝宽度、深度对混凝土耐久性的影响已经取得了一些实验研究成果，但结合工程实例进行研究的较少，建筑业应加强在应用方面的研究。

4）沿海地区使用裸露混凝土构件进行室内装饰时，应对构件表面进行水泥砂浆抹灰处理或参考 JGJ 169-2009《清水混凝土应用技术规程》的相关条款对混凝土构件的表面进行相应处理。

5）我国现行管理条例、标准，主要针对施工过程中的质量管理，涉及到建筑物竣工交付投入使用后的管理的文件、标准不具体。随着我国法制建设的深入，房屋使用安全和维护保养亟需一个管理标准来指 导。Q