混凝土结构的耐久性设计方法刘鹏飞

混凝土结构的耐久性设计方法刘鹏飞

刘鹏飞

刘鹏飞

安徽云商建设有限公司安徽合肥230088

摘要：混凝土是工程中运用最为广泛的建筑材料，是建筑结构中主要的凝胶性材料，主要由凝胶材料、颗粒骨料、水等按一定比例进行配比搅匀使用，应对不同的使用情况，还可以掺加一些额外辅助材料。混凝土因为其原料足、成本低、工艺简单、强度高、耐久性好等优点，在工程中得到广泛使用，也是基本建设工程建筑概型的重要形式之一。本文介绍了混凝土结构耐久性定义及混凝土结构耐久性危机，谈了混凝土结构耐久性的设计方法。

关键词：混凝土结构；耐久性；设计方法

混凝土结构成为主要的建筑结构以来，不断优化混凝土的使用技术，起初人们只看到了混凝土抗压稳固等特点，而忽视了混凝土结构的耐久性问题。在混凝土的使用过程中，人们也渐渐开始意识到混凝土在使用中结构的耐久性对工程的影响，尤其是钢筋混凝土。现如今，混凝土的使用过程中，耐久性问题也成为工程学术主要关注的问题。

一、混凝土结构耐久性定义

混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素。环境：结构处于某一特定环境（包括自然环境、使用环境）中，并受其侵蚀作用；功能：结构的耐久性是一个结构多种功能（安全功能、适用性等）与使用时间相关联的多维函数；经济：结构在正常使用过程（即设计要求的自然物理剩余寿命）中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用，根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类：大气环境；土壤环境；海洋环境；受环境水影响的环境；化学物质侵蚀环境；特殊工作环境。同时，结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。

二、混凝土结构耐久性危机

1.危机的表现。混凝土结构的设计寿命一般为50年，有的甚至要求上百年，而现实中处于腐蚀环境下的混凝土结构远远达不到设计寿命要求，有的15年左右就会出现钢筋锈蚀，有的建筑甚至不足5年就需要修复。国内外大量统计资料表明，因混凝土结构耐久性损伤造成的经济损失十分巨大，而且随着环境的恶化，这一问题有愈演愈烈之势。建设部于一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25-30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30-40年。桥梁等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。混凝土耐久性损伤引起的结构破坏具有数量大、分布广、危害重、修复困难和经济损失巨大的特点，是一个迫切需要解决的问题。

2.危机的原因。长期以来，对混凝土耐久性的研究和设计都建立在对混凝土渗透性评价的基础上，典型的方法如压力透水性试验。其原因是在早期的混凝土中，化学外加剂的使用尚少，结构混凝土的水灰比通常较大，因而抗渗透性能明显低于硬化水泥浆体。如今除了大坝等大型实体结构物以外，混凝土的设计强度等级常在C30或者更高标准以上，只要其原材料和施工操作正常，满足设计要求的渗透性可以说是正常现象。然而，在实际结构物中，完全遵循规范，正常施工的混凝土结构也会出现开裂，有时甚至出现大量的可见裂缝（许多情况下，并未出现可见表面裂缝，但那些肉眼看不见或难以看见的裂缝正是侵蚀介质进入混凝土，并引起各种膨胀产物生成的通道）。强度等级越高的结构混凝土，特别是掺有硅粉（降低渗透性从而改善耐久性能）的混凝土，尤其容易出现大量裂缝。原因：除所用水泥活性高、用量较大、水化温升显著、降温期间会引起剧烈的温度收缩变形外，低水灰比导致的自身收缩增大及混凝土的粘弹性减小、抗裂性能及开裂后的自愈性能差等，也是引起当今结构物大量出现早期开裂的重要因素。

3.混凝土抗裂性能与耐久性的分析。由于早期热裂缝成为当今影响混凝土耐久性的焦点，因此模拟混凝土硬化早期的条件，包括本身的变形和外界的约束，以评价其抵抗开裂的性能就显得十分重要。长期以来，人们沿用评价温度收缩导致开裂的方法，包括水泥的水化热和混凝土的绝热温升试验，事实上并不能作为比较不同原材料的品质、判断混凝土配合比可行性的有效方法。因为结构混凝土开裂趋势的大小取决于一系列因素，例如变形受外界的约束程度等。而且混凝土初期的许多性能是剧烈变化的，例如弹性模量从0开始，很快增大到10-30Gpa。为此，德国慕尼黑大学的Springenschmid教授等人开发了开裂构架和温度应力试验机，用于实验室模拟实际结构混凝土的抗裂性能参数，此项研究已经应用于工程中。与耐久性整体模型相联系，将混凝土早期热开裂和渗透性的评价结合，并在实验室放置和暴露于实际工程环境中，作出正确的耐久性评价和结构使用寿命预测，显然比现有的针对单因素，且局限于人为室内环境的各种耐久性试验更符合实际，因而说前者代表着耐久性评价方法的发展方向。

三、混凝土结构耐久性的设计方法

1.几类主要方法的分析。一是传统法。针对不同类别的环境作用，通过混凝土材料控制和构造措施，满足耐久性和使用寿命要求。如我国和Eurocode混凝土结构设计规范对环境作用下的耐久性设计就采用此法，将环境作用分类，每类提出不同使用年限的不同要求。二是指数（评分）法。环境指数小于等于耐久性指数，影响耐久性的因素分为8类，共包括32个因素，分别评分后相加。三是可靠度法。钢筋混凝土结构的耐久性不足将会引起结构性能的劣化，从而使结构的可靠度降低。给出耐久性失效概率的分析方法，运用现阶段研究成果解决混凝土结构耐久性设计问题。四是系统工程方法。从方法论角度，指出用系统论方法研究混凝土耐久性，有利于从性能——结构——过程——环境的全局出发，揭示混凝土性能的演变规律。五是全寿命分析方法。以“全寿命”为出发点，为保证规定的工程使用年限，采用技术、经济等合理的防护措施，贯彻实施全寿命经济分析法。

2.设计的思路和方法

（1）耐久性设计的目的是要满足一定的使用年限，而其判断的标准应是使用功能和是否满足安全要求。面对耐久性问题更多的是需要设计者拥有计算分析之外的材料、化学、电化学、物理等方面的知识，耐久性设计的方法应该提供设计者广泛的选择机会，以便更多地考虑公众、社会利益，贯彻可持续发展的要求。

（2）采用分阶段分层次设计方法是一个可行的途径。在初步设计阶段主要进行材料设计,在技术设计阶段主要进行耐久性指标和计算分析指标的设计,在施工图设计阶段主要进行施工质量的控制与保证、构造措施与裂缝控制、定期维修与检测等设计内容。分层次主要是考虑设计对象的重要性和环境作用的大小，重要工程在环境作用比较大的情况下，要进行三个阶段设计，一般工程在环境作用比较小的情况下，可仅进行一个阶段设计，其他情况可以参照进行。

（3）耐久性指标和计算分析指标的设计,可以将耐久性设计分析的专家知识与经验组织起来，形成具有一定规模的知识库，在大量实验的基础上形成数据库，将设计与分析计算方法形成具有一定功能的计算模块，形成耐久性设计与分析软件或系统，实现耐久性的计算机辅助设计。

由于影响混凝土结构耐久性的因素很多，混凝土结构耐久性也是当前混凝土结构理论研究的一个热门课题，它涉及到混凝土材料耐久性腐蚀、建筑结构可靠度设计准则、混凝土结构维修加固等诸多方面知识；而目前对它的研究还有待深入，耐久性损伤破坏参数数据尚收集积累不够，对设计标准和方法，工程界尚不统一，因此，难以达到定量设计的程度。

参考文献：

［1］徐晓裁.不同环境下混凝土冻融试验标准化研究［D］.杭州:浙江大学杭州，2014.

［2］罗大明，牛荻涛.模糊粗糙集在混凝土结构耐久性环境区划中的应用［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2013，(04).

［3］武海荣，金伟良，吕清芳，王海龙.基于可靠度的混凝土结构耐久性环境区划［J］.浙江大学学报:工学版，2014，(03).