建筑工程中混凝土结构的耐久性设计

2021-08-26段妮妮

工程技术研究 2021年12期

段妮妮，张彬

1.山东省热电设计院，山东济南 250100

2.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013

建筑工程的结构主体由混凝土、钢筋等组成，混凝土的耐久性是影响结构工程质量的重要因素。虽然我国的结构工程发展迅速，但混凝土结构的耐久性设计仍然与国外先进水平存在一定的差距[1]。因此，研究建筑工程中的混凝土结构设计具有重要的现实意义。混凝土结构的耐久性主要指在自然环境下和使用条件下保持原有混凝土结构性能的一种能力，即混凝土结构抵抗外界影响因素侵蚀破坏的能力。混凝土结构的使用环境复杂多变，极易造成混凝土结构的侵蚀破坏，进而缩短建筑工程的使用寿命。鉴于此，笔者结合实践经历，分析建筑工程中混凝土结构耐久性设计，为提高建筑工程施工质量和延长建筑寿命提供参考。

1 混凝土结构耐久性的影响因素

1.1 自然环境的影响作用

混凝土结构的耐久性受自然环境的影响较大，这是由于自然环境随着天气、气候以及空气中污染物的含量等变化，导致大气降水的pH值变化较大，即地表水体的酸碱度处于波动状态，进而对混凝土结构产生侵蚀破坏[2]。因此，有必要分析混凝土的使用环境。在混凝土结构耐久性设计过程中，若混凝土结构裸露于地表，则应该充分研究雨水的酸碱度、气候变化特征等；若混凝土结构位于地下，则还需考虑地下水及岩土体对混凝土结构的侵蚀破坏，包括酸度、盐度等因素。

1.2 混凝土结构的碳化

混凝土结构的碳化现象（见图1）极为普遍，碳化过程主要指混凝土结构中的部分碱性物质与所处环境中的二氧化碳接触过程中产生的化学反应，使混凝土结构中的主要组分成分、结构以及物理化学性能发生改变[3]。混凝土结构的碳化过程使混凝土的碱度显著降低，进而使混凝土结构内部的钢筋钝化膜遭到侵蚀破坏，加剧了混凝土结构中钢筋结构的腐蚀速率，间接地降低了混凝土结构的耐久性。因此，抗碳化设计是评价混凝土结构耐久性的重要指标之一。

图1 混凝土碳化

1.3 混凝土结构中的钢筋锈蚀

混凝土具有较强的碱性特征，这是由于混凝土结构中含有较多的氢氧化钙饱和溶液。同时，强碱性能够使钢筋表面快速形成一层致密的氧化膜，即钢筋钝化膜。因此，混凝土能够有效地保护钢筋结构，使钢筋内部不再继续受到腐蚀破坏，对防治钢筋生锈有明显的效果。但是，当混凝土结构的内部物质与空气以及地下的水分、二氧化碳等接触时，混凝土结构中的氢氧化钙会产生化学反应生成碳酸钙，进而使混凝土的碱度逐渐降低。大量的研究资料显示[4]，当混凝土中的pH值小于11.5时，混凝土结构中钢筋结构表面的钝化膜将遭到破坏，即钢筋结构失去了钝化膜的保护，极易使钢筋产生锈迹（见图2）。钢筋生锈过程中能够生成一定数量的氯离子，氯离子含量的增加，加剧了钢筋的腐蚀速率。因此，混凝土结构中钢筋结构的腐蚀是影响混凝土结构耐久性的另一个重要因素。

图2 混凝土结构中钢筋结构锈蚀

1.4 混凝土碱-集料反应

混凝土中含有大量的氢氧化钙，使混凝土具有强碱性。但是，混凝土中的碱性物质能够与混凝土集料中含有部分活性成分的材料发生化学反应，导致混凝土结构体积膨胀，使混凝土结构局部受力破坏。因此，混凝土碱-集料反应是影响混凝土结构耐久性的重要因素。通常情况下，在混凝土制作过程中，外加剂、水泥和水分是重要的基础材料，而上述材料中均含有一定数量的碱性物质，可与集料中的活性组分反应形成一种硅胶体物质，在遇水的条件下产生剧烈的膨胀，进而导致混凝土结构受力，形成裂隙，甚至开裂。

2 混凝土结构耐久性设计

2.1 明确设计目标

要想做好混凝土结构耐久性设计，首先需要明确耐久性设计的目标。（1）明确混凝土结构的强度和预期达到的使用寿命，根据对强度和寿命的要求选择混凝土的基本材料组成。（2）明确混凝土结构的使用环境，包括使用区域的雨水酸碱度、气候变化以及地下水的酸度、碱度、矿化度、盐度等，同时根据调查结果调整混凝土材料、配比等。（3）若混凝土结构的使用环境温度较低，如处于我国高寒冷高海拔地区，则需要结合使用区域的平均年冻融次数合理地增加引气剂，从而有效地提高混凝土结构的耐久性。（4）若混凝土结构的使用环境存在较大的化学侵蚀作用，如雨水pH值较低，且地下水为酸性等，或地下水含有较高的盐度等，需要对混凝土结构中的钢筋结构进行抗腐蚀处理，如采用环氧涂层等。（5）若混凝土结构的使用环境变化较大，则需要针对不同环境对混凝土结构耐久性设计进行优化，如预应力混凝土结构与普通混凝土结构混合使用时，需要根据使用环境等确定保护层的厚度。（6）为了提高混凝土结构的耐久性，应加强钢筋结构表面的排水研究。

2.2 抗碳化及碱-集料反应设计

上文已述及，混凝土结构中含有过饱和的氢氧化钙溶液，极易导致混凝土碳化或者发生碱-集料反应。因此，提高混凝土结构的耐久性必须加强抗碳化及碱-集料反应设计。混凝土结构耐久性设计中抗碳化及碱-集料反应设计可从封堵二氧化碳方面着手。二氧化碳是导致混凝土结构耐久性降低的主要原因，也是引发混凝土碳化的主要物质成分，因此可通过封闭涂层的方式在混凝土结构表面形成一层致密的保护层，涂层材料可通过混凝土内部的孔隙等渗透至混凝土结构内部，从而有效地封堵混凝土内部细小裂缝，使空气和水体中的二氧化碳难以进入混凝土结构内部，避免或者减缓混凝土的碳化及碱-集料反应，进而达到耐久性设计的预期目标。此外，利用涂层材料封堵混凝土结构中的细小裂隙及孔隙，有效地降低了混凝土结构孔隙中的水分含量，能够有效地缓解冻融作用对混凝土结构的破坏，提升混凝土结构的耐久性。

2.3 防护钢筋锈蚀的设计

影响混凝土结构耐久性的另一个重要因素就是混凝土结构中钢筋结构的锈蚀现象，现阶段常用的防护钢筋锈蚀的方式为使用钢筋锈蚀阻锈剂。钢筋锈蚀阻锈剂从本质上讲是一种化学合成物，将其涂抹在钢筋表面，能够有效地防护钢筋锈蚀。因此，在建筑工程混凝土结构耐久性设计中合理使用阻锈剂，不但能够有效地避免钢筋锈蚀，而且当钢筋出现锈蚀时能够起到一定的缓解作用，即能够降低钢筋锈蚀速率。常用的阻锈剂包括钝化剂、吸附性阻锈剂等。此外，电化学反应也是有效阻止钢筋锈蚀的方法之一，当混凝土结构中钢筋表面的钝化膜等遭到破坏而导致钢筋锈蚀时，开始一般仅发生在混凝土结构的局部区域，可通过电化学反应的方式进行处理，如通过电化学反应的阴极进行脱氯、再碱化过程，进一步起到对钢筋的保护作用。