氯离子环境下混凝土结构耐久性设计方法

假定混凝土是具有初始氯离子质量浓度为 的半无限均匀介质，氯离子在混凝土中的扩散过程 是一维扩散，扩散时部分氯离子被混凝土结合，其 扩散过程符合 第二扩散定律
）重视结构构造设计。合理地选择结构构件
截面地几何形状，使其不能形成侵蚀性物质停留
区；要妥善地布置结构接缝、施工缝的位置和构 造，应尽量避免可能遭受最不利侵蚀环境的部分； 构造设计中要特别避免结构中的受力突然转移和 截面的突然变化造成的应力集中引起的开裂；
近 亿美元，每年因腐蚀而支出的维修费用就高 达 亿美元。 年，前东德柏林会议大厦由 于钢筋锈蚀造成建筑西南角坍塌，该建筑仅使用了
年。
我国混凝土结构耐久性问题日益突出 ，截至
世纪末，有近 亿 建筑物进入老龄期，处
于提前退役的局面。据有关资料统计，我国民用建
筑的室外构件在干湿交替的环境中使用年限约为
年，工业厂房使用
高于海平面 高度
表面 －平均值
标准偏差
设计值
对于氯离子临界浓度 ，文献 认为，
燕山大学学报
氯离子临界浓度作为有一定分布的统计量来处理
薛伟辰 纤维塑料筋混凝土研究新进展 中国科学基金
比较合理。目前，设计结构工作寿命，通常采用的
氯离子临界浓度为混凝土重量的
或
。
金伟良 吕清芳 赵羽习 等 混凝土结构耐久性设计方法与 寿命预测研究进展 建筑结构学报
）加强裂缝宽度控制。一般混凝土结构构件 允许在荷载作用下出现裂缝，但从耐久性要求考 虑，裂缝宽度应加以限制。对一类环境下的预应力
式中， 为距混凝土表面 处的氯离子总质量浓 度； 为距混凝土表面 处的自由氯离子质量浓度 （ ），一般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比表 示； 为时间（年）； 为位置（ ）； 为扩散系 数。考虑扩散时部分氯离子被混凝土结合，定义其 结合能力 为
设集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期
受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严
重，已建的海港码头等工程大多数都达不到设计使
用年限的要求 。我国北方地区，为保证冬季交通
畅行，经常向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰
ห้องสมุดไป่ตู้
盐，除冰盐中含有大量的的氯化钠和氯化钙，使得
氯离子渗入混凝土中，引起钢筋锈蚀破坏；而截止
并考虑 的保证率，得出设计工作寿命使用的 设计 表面浓度 （特征表面浓度）为
再求解析式 ，即
对式
积分，得
将式 和 代入式 ，得出上述修正的 第二扩散定律的解析式为
其中， 为 平均表面浓度。它们 个之间的 数据关系可参照表 ，表中 浓度以占混凝土 重量百分比表示。
表 海面不同高度表面氯离子浓度和设计值
到目前，《混凝土结构设计规范》（
－
）中对于氯离子环境下耐久性设计方法仍没有
作出相应规定，可见研究混凝土结构在氯离子环境
下耐久性设计方法十分必要。
对于氯离子扩散系数对时间的依赖性，
等
用下式进行表达
其中， 是随着时间变化的 扩散系数； 为混 凝土龄期， 为在龄期 测定的基准扩散系数。
根据
等研究表明，混凝土在干燥收
Abstract Key words
述结构的耐久性。本文提出的拟建结构在氯离子环
境下耐久性设计方法和式 ，可以在规范修订
中参考使用。
参考文献
李田 刘西拉 混凝土结构耐久性分析与设计 学出版社
北京 科
王晓初 金明君 杨春峰 混凝土结构耐久性研究现状综述 混凝土
张誉 蒋利学 张伟平 屈文俊 混凝土结构耐久性概论 上海 上海科技出版社
陈肇元 混凝土结构的耐久性设计方法 建筑技术
混凝土屋面梁、托梁、屋架、托架、屋面板和楼
板，应按二级裂缝控制等级进行验算，而对于一类
和二类环境下，对需作疲劳验算的预应力混凝土吊 其中， 为距混凝土表面 处的结合氯离子质量
车梁，应按照一级裂缝控制等级进行验算。
浓度，则有
混凝土结构在氯离子环境下耐久性设计 方法
我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建
种方式，即扩散、毛细孔吸入和渗透。 种迁移 形式一般同时存在，其中毛细孔吸入是 －迁移速
式中， 为混凝土劣化后的等效氯离子扩散系 数； 为混凝土氯离子扩散性能的劣化效应系数。
根据文献 ，高性能混凝土的氯离子扩散
第期
王 伟 等 氯离子环境下混凝土结构耐久性设计方法
系数明显低于普通混凝土，建议
式中， 为高斯误差函数，
第 卷第 期 年月
文章编号：1007-791X (2008) 01-0023-04
燕山大学学报
氯离子环境下混凝土结构耐久性设计方法
王 伟 ，薛伟辰 ，周德源 ，孟艳玲 ，黄慎江
（ 同济大学 土木工程学院，上海
； 上海实业振泰化工有限公司，上海
土木建筑工程学院，安徽 合肥
）
； 合肥工业大学
摘 要：现阶段混凝土结构耐久性问题日益突出，成为影响工程结构服役寿命的重要因素，而目前在《混凝土
外统计资料表明 ，由于混凝土结构的耐久性病害
）合理选择耐久性材料。在钢筋混凝土结构
而导致的经济损失是巨大的，并且耐久性问题会越 中，钢筋的锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最
来越严重。 年，美国标准局（ ）的调查 主要因素。为了防止钢筋锈蚀，国内外学者从
表明，美国全年因混凝土的钢筋锈蚀造成的损失为 世纪 年代开始根据具体情况采取相应的措施，
年后须进行大修，
海港码头和除冰盐侵蚀的桥梁的大修年限仅为
年，隧道工程的渗漏现象非常普遍，而在浪
溅区混凝土结构损伤程度则更加严重。
此混凝土结构耐久性可以定义为 ：经过正常设 计、正常施工，并且在设计预定的环境中正常使用
混凝土结构耐久性设计的内容
的结构，在设计要求的目标使用期内，不需要额外
混凝土结构耐久性设计应根据构件所处的工
结构设计规范》（
－ ） 中尚未明确提出具体的耐久性设计方法。针对这种情况，本文以氯离子环
境作用为例，提出在氯离子环境作用下进行混凝土结构耐久性设计时应遵循的原则和方法。
关键词：混凝土；耐久性； 氯离子；可靠度； 设计方法
中图分类号：TU201 文献标识码：A
引言
在人们的传统观念中总是认为钢筋混凝土是 由最为耐久的材料浇筑而成，虽然钢筋易腐蚀，但 有混凝土保护层，钢筋也不会发生锈蚀，因此，对 钢筋混凝土结构的使用寿命期望值也是很高的，从 而忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，实际上， 混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的 推移，材料逐渐老化并且结构性能劣化，出现损伤 甚至破坏，特别是在沿海及近海地区的混凝土结 构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋锈蚀 而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能。 这种损伤和破坏并不是直接由力学因素引起的，因
缩条件下的氯离子扩散性能可提高
倍。混凝
土受高温作用后的氯离子扩散性能提高了
，混凝土在使用过程中内部产生微裂纹
等缺陷后的氯离子扩散性能可用等效扩散系数描
述，即
氯离子在混凝土中的扩散特性与数学新模型
东南大学孙伟 院士等认为氯离子渗入混凝 土是一个缓慢的过程，但是相对于钢筋混凝土结构
年的设计使用年限而言，其渗入速率又显 得非常快。一般认为， －在混凝土中迁移主要有
暴露于海洋环境的高性能
混凝土中的氯化物渗透
索默 高性能混凝土的耐久性
冯乃谦 丁建彤 张新华 等译 北京 科学出版社
－
建筑结构可靠度设计统一标准
中国建筑工业出版社
北京
赵筠 钢筋混凝土结构的工作寿命设计 针对氯盐污染环境 混凝土
Methods of durability design of concrete structures exposed to chloride enviroment
结束语
对混凝土结构进行耐久性设计，提高结构的安 全性和耐久性已经成为全世界关注的重大课题，一
余红发 孙伟 麻海燕 等 混凝土在多重因素作用下的氯离 子扩散方程 建筑材料学报
金伟良 赵羽习 混凝土结构耐久性
科学出版社 北京
直以来，国内外学者都在不断探索合理的、科学的
设计方法，而最终方向必然是基于数学方法定量描
将式 、 代入式 得，
当初始条件为： ， 时， ；边界条 件为： ， 时， （ 为混凝土暴露表面的 氯离子浓度，它等于暴露环境介质的氯离子浓度）。 则式 的解析式为
其中，对于 采用式 。
式 中， 指得是混凝土表面的氯离子浓 度，由于污染混凝土结构氯盐的最主要的来源是海 水、海风携带的盐雾和化冰盐水，一些地区盐沼和 盐碱地也是氯盐来源。氯负荷混凝土表面的 ，一 般以 占混凝土重量百分比或占单方水泥含量百 分比表示。根据文献 ，结合 分布的标准偏差
，
其中， 为混凝土品种修正值。若为普通混凝土，
；若为高性能混凝土，
。
将式 在实际扩散过程
代入式
得到描述氯离子
为求解上式，作如下变换
令
其中边界条件是：
时，
时，
环境下混凝土结构耐久性设计方法
根据结构可靠度理论 ，计算抵抗破坏的抗 力 （即保护层厚度）与环境荷载或作用 （即与 时间相关的 渗透）之间的差值 小于零的概率 要小于最大目标概率 。对于氯盐污染环境的结 构工作寿命，结构失效的状态定义为锈蚀引发，即 在最小混凝土保护层深度的 浓度要小于或等于 引起钢筋锈蚀的临界 浓度，即
收稿日期：
作者简介：王 伟（
） 男，山东菏泽人。博士研究生。主要研究方向为混凝土结构耐久性。
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主要措施有：①恰当地选择混凝土原材料和配合 度最快的方式。
比，从各个方面加强混凝土的密实性，以加强对钢 筋的保护；②提高钢材自身的防腐性能，采用环氧 涂层钢筋，掺钢筋阻锈剂等；③研究开发新型防腐 材料，如纤维增强塑料（ ）筋 等；
的费用进行加固处理而保持其安全性、使用功能和 作环境来进行，在进行混凝土结构耐久性设计时，
外观要求的能力。
确定结构的设计使用寿命是耐久性设计所要进行
影响混凝土结构耐久性的因素有很多种，其中 由于钢筋锈蚀造成的结构耐久性失效问题尤为突 出，而氯离子又是影响钢筋锈蚀的主要因素，国内
的首要工作；其次要清楚耐久性失效标准是什么； 在此基础上可以得出混凝土结构耐久性设计的内 容可包涵以下要求 ：