混凝土结构耐久性设计浅析

混凝土结构耐久性设计浅析

摘要：根据混凝土结构耐久性的定义及其设计的主要内容，介绍了影响混凝土

结构耐久性的主要因素，阐述了现阶段混凝土结构耐久性设计的目标和、设计方法、混凝土结构耐久性的现场检验以及混凝土结构使用阶段的检测和维护要求，

明确了通过混凝土结构耐久性设计保证混凝土结构达到规定的设计使用年限。

关键词：混凝土；结构；耐久性设计；使用年限

引言

混凝土结构或构件的裂缝及破坏是影响建筑使用年限的主要原因，而建筑的使用年限是

工程质量得以量化的集中表现。建筑的使用年限在量值上与混凝土结构的设计使用年限是相

同的。通过混凝土结构耐久性设计来保证混凝土结构达到规定的设计使用年限，确保建筑拥

有合理的使用寿命。

一、混凝土结构耐久性及其设计内容

混凝土结构的耐久性指的是在环境作用和正常维护、使用条件下，混凝土结构或构件在

设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力[1]。混凝土结构失去其适用性和安全性能力的

极限状态表现为：钢筋混凝土构件表面出现锈胀裂缝；结构表面混凝土出现可见的酥裂、粉

化等。

混凝土结构耐久性设计就是通过经验方法及定量方法，确定结构所处的不同环境，提出

对混凝土材料的耐久性基本要求，确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度，明确不同环境条件

下的耐久性技术措施，提出结构使用阶段的检测与维护要求[2]。

二、影响混凝土结构耐久性的主要因素

（一）混凝土自身特性影响

混凝土材料的质量是影响结构耐久性的一个主要内因。混凝土材料中混凝土的水胶比、

混凝土的密实度、氯离子含量和碱含量是混凝土材料质量影响混凝土结构耐久性的主要因素。有效胶凝材料含量的不确定性，混凝土的密实度不足，以及氯离子达到一定浓度后引起的钢

筋脱钝和电化学腐蚀，都会严重影响混凝土结构的耐久性。

混凝土构件的施工质量是影响结构耐久性的另外一个内因。钢筋混凝土构件中钢筋的保

护层厚度、混凝土密实度及现浇混凝土构件的养护是混凝土构件施工质量影响混凝土结构耐

久性的主要因素，钢筋混凝土构件中钢筋的保护层厚度太小，混凝土密实度的不足，新浇混

凝土的养护达不到相应的标准，也都会影响混凝土结构的耐久性。

（二）混凝土结构所处环境作用的影响

直接与混凝土构件表面接触的局部环境作用是影响混凝土结构耐久性的外因。环境类别

的不同，对混凝土结构的耐久性影响也不同。当结构和构件同时受到多种类别的环境作用时，均应考虑需满足各自单独作用下的耐久性要求[1]。

（1）一般环境带来的影响

一般环境是指仅有正常的大气(二氧化碳、氧气等)和温度、水分作用，没有冻融、氯化物和其他化学腐蚀物质的影响。一般环境对混凝土结构的侵蚀主要是表层混凝土碳化、氧气和水分共同作用引起的钢筋锈蚀。混凝土呈高度碱性，钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜，使钢筋具有良好的稳定性。当空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部，会通过化学反应降低混凝土的碱度即混凝土碳化，使钢筋表面失去稳定性并在氧气与水分的作用下发生锈蚀。

（2）冻融环境带来的影响

冻融环境是指有冰冻及冻融循环出现的环境。冻融环境会引起混凝土的冻融损伤。当混凝土内部含水量较高时，冻融循环的作用会引起混凝土内部或表层的损伤。如果水中含有盐分，损伤程度会加重。而且反复冻融造成了混凝土保护层损伤还会缩短内部钢筋开始锈蚀的时间。

（3）氯化物环境带来的影响

氯化物环境一般指的是近海海风、盐渍土及使用除冰盐的环境。滨海室外环境与盐渍土地区的地下结构、北方城市冬季依靠喷洒盐水消除冰雪而对立交桥、周边结构及停车楼都可能造成氯离子从混凝土表面迁移到混凝土内部，在钢筋表面积累到一定浓度后会引发钢筋的锈蚀。这种情况下氯离子引起的钢筋锈蚀程度要比一般环境下，单纯由大气作用引起的锈蚀严重得多，这是混凝土结构耐久性设计的重点问题之一。

（4）化学腐蚀环境带来的影响

化学腐蚀环境是指土、水中含有一定浓度的硫酸、盐酸等化学物质和大气中含有一定浓度的硫化物、氮氧化物的环境。化学腐蚀环境对混凝土的化学作用是混凝土的劣化的主要原因，同时有盐结晶等物理作用也能引起混凝土的劣化。

三、混凝土结构耐久性设计的方法

（一）混凝土结构耐久性设计的主要目标

混凝土结构耐久性设计的主要目标是为了确保主体结构能够达到规定的设计使用年限，满足建筑物的合理使用寿命要求。主体结构的设计使用年限与建筑物的合理使用寿命归于相同的概念，在量值上是相同的。设计使用年限是考虑环境作用、材料性能等因素的变异性对结构耐久性的影响，要有足够的保证率才能满足建筑物拥有足够的使用寿命。

（二）混凝土结构耐久性设计的方法

混凝土结构的耐久性设计可分为经验方法和定量方法。经验方法是将环境作用按其严重程度定性地划分成几个作用等级，在工程经验类比的基础上，对不同环境作用等级下的混凝土结构构件，直接规定混凝土材料的耐久性质量要求(通常用混凝土强度、水胶比、胶凝材料用量等指标表示)和钢筋保护层厚度等构造要求。近年来，经验方法有很大的改进: 首先是按照材料的劣化机理确定不同的环境类别，在每一类别下再按温、湿度及其变化等不同环境条件区分其环境作用等级，从而更为详细地描述环境作用;其次是对不同设计使用年限的结构构件，提出不同的耐久性要求。

在混凝土结构耐久性设计的定量方法中，环境作用需要定量界定，然后选用适当的劣化模型求出环境作用效应，得出耐久性极限状态下的环境作用效应与耐久性抗力的关系，可针对使用年限来计算材料与构造参数，也可针对确定的材料与构造参数来验算使用年限。作为耐久性设计目标，结构设计使用年限应具有规定的安全度。

耐久性设计的经验方法和定量方法并不对立，两者在同一设计过程中互为补充:经验方法确定总体布置、构造、耐久性控制过程以及材料类型，定量方法在此基础上对确定的耐久性