混凝土结构耐久性检测与评估实践探讨

2020-11-23吴小立上海市建筑科学研究院有限公司上海200032

绿色建筑 2020年3期

吴小立(上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032)

自 20 世纪 50 年代以来，混凝土结构耐久性问题逐渐得到广泛关注，而且耐久性病害亦日益增多。大量混凝土结构出现耐久性损伤及耐久性能退化，进而影响结构安全与正常使用。现有研究对环境介质的侵蚀机理、锈蚀混凝土构件的受力性能、结构的时变可靠度等方面有了清晰认识，并开发出钢筋锈蚀监测和检测技术，结构全寿命设计与维护也逐渐成为共识[1-2]。为更好地达到可持续发展目标，混凝土结构服役过程中定期耐久性检测和评估也就显得尤为重要。

1 混凝土结构耐久性及其机理概要

混凝土结构耐久性指在环境作用和正常维护、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力[3]。混凝土结构耐久性损伤主要包括混凝土腐蚀及损伤、钢筋锈蚀及锈胀开裂[1]，典型混凝土耐久性损伤如图 1所示。

图 1 典型混凝土耐久性损伤

混凝土腐蚀及损伤包括由冻融循环或除冰盐引致的损伤和剥落、碱-集料反应的膨胀开裂、化学腐蚀剥落、环境水对混凝土的溶蚀以及其他冲刷和磨损等[3]。钢筋锈蚀及锈胀开裂主要由混凝土碳化中性化引致潮湿环境下的钢筋锈蚀及氯离子或硫酸根离子侵蚀导致。钢筋锈蚀及锈胀开裂是混凝土构件承载力衰退和结构破坏的主要原因，也是混凝土结构最普遍、危害最大的耐久性问题之一[2]。

相比各类耐久性病害，混凝土结构遭受侵蚀环境主要有一般环境、冻融环境、氯化物环境和化学腐蚀环境等几类。

（1）在一般大气环境中，混凝土碳化进而引致钢筋锈蚀为主要耐久性病害。混凝土碳化本身并无太多危害，甚至可提高混凝土强度，但其将导致混凝土中性化和碱度降低，造成钢筋脱钝，在充足氧和水条件下钢筋锈蚀，并随时间推移致混凝土锈胀开裂。

（2）冻融环境可进一步分为一般冻融环境、寒冷地区海洋环境和除冰盐环境 3 类，后两种存在冻融循环与氯离子侵蚀的耦合作用。冻融循环造成混凝土破坏主要为物理作用过程，是混凝土受到溶液相变引起的体积膨胀压及溶液固、液、气三相共存平衡关系引起的蒸汽压和渗透压等反复应力作用导致内部损伤积累破坏的过程。

（3）氯化物环境包括海洋氯化物环境和除冰盐等其他氯化物环境。氯离子通过渗入或掺入存在混凝土中，到达钢筋表面后迅速破坏钝化膜形成腐蚀电池。通过催化作用、去极化作用和导电作用，使混凝土中钢筋电化学反应加快，而且混凝土中氯离子浓度越高钢筋锈蚀危险性越大。

（4）化学腐蚀环境中主要发生硫酸根的化学腐蚀和盐结晶腐蚀。化学腐蚀产生的钙矾石、石膏或碳硫硅钙石膨胀以及盐结晶盐析过程中晶体的增长膨胀对混凝土内部形成膨胀压力，导致混凝土表层剥落和内部损伤。

2 混凝土结构耐久性检测

2.1 耐久性检测项目

为确保混凝土具有足够耐久性能，需要进行良好的耐久性设计及必要的耐久性检测。耐久性设计主要采用经验方法，根据结构设计使用年限和所处环境规定混凝土材料基本性能要求（如水灰比、强度等级、氯离子扩散系数、集料活性、含气量和气泡间距及抗冻和抗渗指标等）、钢筋最小保护层厚度、裂缝宽度控制以及特殊耐久性措施和必要检测维护制度等[3]。耐久性检测则根据耐久性各类侵蚀的机理和特点，对混凝土结构所处环境和性能劣化情况进行调查和检测。耐久性检测项目主要包括周边环境调查、混凝土构件几何尺寸、混凝土保护层厚度、外观缺陷与损伤、混凝土抗压强度、钢筋锈蚀状况、构件开裂状况、碳化深度、混凝土渗透性、混凝土中氯离子浓度分布、混凝土中硫酸根离子浓度分布及混凝土含水率等。混凝土结构耐久性检测项目详细分类情况见表 1。

表 1 混凝土结构耐久性检测项目分类[4]

2.2 耐久性检测特性梳理

耐久性检测与一般工程检测存在较大差异。实际检测中需要注意其固有特点和差别。

（1）耐久性检测位置一般选择在主要构件或主要受力部位、钢筋可能锈蚀部位、混凝土锈胀开裂部位以及布置混凝土碳化测区的部位。混凝土保护层厚度和碳化深度的测点宜布置在同一测区。

（2）房屋使用功能或环境（包括结构整体和局部环境）发生显著改变时，结构所受荷载以及环境侵蚀作用均将发生显著改变，因而在耐久性检测时需要特别关注涉及腐蚀性物质和潮湿环境的使用功能改变情况。

（3）不同侵蚀环境存在不同耐久性问题，因而耐久性检测应做必要区分。混凝土剥蚀应区分冻融破坏、硫酸根侵蚀损伤和碱-集料反应破坏。钢筋锈蚀问题应判断锈蚀原因是一般碳化、氯离子侵蚀、硫酸根离子侵蚀，而氯离子侵蚀尚应区分渗入型和内掺型。

（4）碳化能改变混凝土表面硬度，是回弹检测混凝土强度的重要参数。同时碳化是一般大气环境中混凝土中性化、钢筋脱钝锈蚀的重要因素。两者对碳化深度有不同的影响范围限定，影响回弹强度范围为 0～6 mm，而耐久性中碳化深度影响限值则为保护层厚度(或碳化残量深度)。

（5）混凝土保护层一方面为钢筋提供握裹力，另一方面为钢筋提供耐久性保护。因而与承载力计算时看重纵筋（主受力筋）保护层厚度不同，耐久性检测则需关注箍筋（或最外层受力筋）的保护层厚度。

（6）钢筋锈蚀在耐久性中危害性最大，特别是保护层开裂后，钢筋锈蚀速率将显著加快，因而现场检测时应特别关注钢筋锈蚀程度以及引致锈蚀可能原因。一般大气湿度在45%～80% 时，锈蚀较容易发生。但干湿交替或环境中有微量腐蚀介质时，会加快钢筋锈蚀；因而检测时应加强环境中干湿交替和腐蚀性情况调查。

3 混凝土结构耐久性评估

3.1 耐久性等级评估

现有耐久性评定标准中构件耐久性等级根据耐久性裕度系数或耐久性损伤状态评定[3]。裕度系数以结构剩余使用年限与目标使用年限比值，或者某项性能指标临界值与评定值比值确定。当裕度系数＞ 1.8，评为 a 级；＞ 1.0 且＜ 1.8 时评为 b 级；≤ 1.0 时评为 c 级。耐久性损伤状况达到保护层脱落、表面外观损伤已造成混凝土构件不满足相应的使用功能时，则直接评为 c 级。一般大气环境根据构件重要性和构件类型以钢筋开始锈蚀、保护层锈胀开裂（裂缝宽 0.1 mm）或保护层锈胀裂缝宽度达到限值（裂缝宽 3.0 mm）的耐久年限计算裕度系数。氯盐侵蚀环境以钢筋开始锈蚀或保护层锈胀开裂的耐久年限计算裕度系数。冻融循环环境和硫酸盐侵蚀环境主要以混凝土损伤极限评定耐久性。主要混凝土耐久性评定概况见表 2。

表 2 混凝土耐久性评定概况

3.2 耐久性对承载力劣化影响评估

当耐久性损伤较严重时会影响混凝土构件的承载力和刚度，甚至会导致构件失效。耐久性损伤对承载力影响主要体现在材料力学性能的劣化、构件截面尺寸和钢筋截面面积的减小以及钢筋与混凝土黏结性能的退化。因而，构件承载力和刚度计算时，构件截面尺寸采用损伤后的实际截面尺寸，混凝土强度取实测强度推定値。钢筋截面面积采用锈蚀后实际截面面积，屈服强度则根据锈蚀截面损失率（不超过12%）考虑折减。同时，当钢筋锈蚀严重时，钢筋与混凝土之间黏结性能退化，相对滑移增加，钢筋应变沿梁趋于均匀而存在应变滞后现象，钢筋不容易达到屈服造成界限相对受压区高度变化，形成“黏结失效超筋梁”，最终构件承载力和刚度均下降。