混凝土结构耐久性设计探析

混凝土结构耐久性设计探析

崔盛

保定市建筑设计院有限公司河北保定071000

摘要：混凝土结构应用非常广泛，但由于其材料和使用环境的特殊性，混凝土结构存在严重的耐久性问题，该问题处理不当将会带来巨大的经济损失。加强混凝土结构耐久性设计，以提高建筑工程施工质量，保证工程的安全性和稳定性。本文结合笔者工作实际经验，对影响建筑工程混凝土结构耐久性的因素及其结构耐久性设计进行了相关探讨分析，以供参考。

关键词：建筑工程；混凝土；耐久性设计

长期以来，人们认为混凝土是一种耐久性极其良好的建筑材料，往往在设计中也只是注重建设阶段的造价，而忽视了混凝土结构的耐久性，使得有些建筑物的维修加固费用远远高于造价成本，甚至使得许多工程付之东流。关注混凝土的耐久性，不仅能使企业节省大量的投资基金，而且有助于提升建筑物的寿命年限，保障人们的生命和财产安全。

一、影响混凝土结构耐久性的因素

1.1钢筋的锈蚀

混凝土凝结硬化后，会生成碱性的氢氧化钙，导致混凝土孔隙中的水分有很高的碱性，并在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，在正常的使用情况下钢筋不会锈蚀；若超出一定的界限，钝化膜将被破坏，在外部介质作用下发生电化学反应，逐步生成氢氧化铁等铁锈，造成混凝土钢筋开裂膨胀，从而成为腐蚀介质渗入的通道，加速结构的损坏。此外，钢筋在腐蚀过程中会产生少量的氢气，氢原子沿着钢筋内部缺陷渗入生成氢分子，同时产生很大压力，出现鼓泡现象，使钢筋脆化，这就是钢筋的氢脆现象。

1.2混凝土的冻融破坏

冻融循环作用是造成混凝土严重破坏的主要原因，是评定混凝土耐久性的重要指标。混凝土水化硬结后内部有很多毛细孔，在浇筑混凝土时，为了得到必要的和易性，往往会比水泥水化所需要的水要多些。这些毛细孔中的水遇到低温就会结冰，反复循环作用会引起混凝土内部结构的破坏。在低于冰点的温度下，水将结冰。因此，在某一冻结温度下存在着结冰的水和过冷的水，结冰的水会产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，引起各种压力，当这些压力达到一定程度时，将导致混凝土的破坏。

1.3混凝土的碳化

混凝土中由于含有氢氧化钙而呈碱性，在高碱环境下钢筋表面形成薄膜，保护钢筋不受酸性介质的侵蚀。但空气中的酸性介质会通过各种孔道、裂隙而渗入凝土，溶于孔中液体，与水泥的水化作用产物发生反应，形成碳酸钙等，中和了混凝土中的碱，这就是混凝土的碳化。碳化本身对混凝土没有危害，甚至会提高混凝土的强度和密实性，但其会使钢筋表面形成的起钝化保护作用的致密氧化膜遭到破坏。同时碳化的混凝土还会加剧收缩变形，从而产生裂缝，使钢筋保护层脱落。

1.4碱集料反应

混凝土中产生碱集料反应，指的是在混凝土集料中的某些矿物质与混凝土中的碱性溶液发生的化学反应。这种化学反应的产生，会使混凝土结构内部产生大量的膨胀压力，这种压力会造成混凝土的开裂。混凝土集料在混凝土结构中有着较为均匀的分布结构，因此这种压力会导致混凝土结构的表面产生大量的裂缝，进而加速其他因素对混凝土结构的破坏，使得混凝土耐久性受到很大的影响。

二、混凝土结构耐久性设计

2.1钢筋锈蚀防护设计

因混凝土中的卤素离子如氯离子会严重破坏钢筋的氧化保护膜，可以通过适当的降低水胶比，加强混凝土结构的紧实性，保护钢筋。同时由于NaNO2能够在钢筋的表面生成一层氧化膜，从而达到抑制混凝土中钢筋锈蚀反应，可将CaCI2和NaNO2一起加入混凝土中使用。通过科学合理选择混凝土原材料，加强混凝土的保护层的厚度，提高混凝土的紧实性，防止环境中的有害气体的侵入，减少锈蚀。但应注意的是一味的增大保护层也会给混凝土结构表面造成开裂，同时也相应的提高了建筑工程的造价，因此，在建筑混凝土结构设计中应综合考虑保护层厚度与耐久性使用的关系比例问题。

2.2混凝土抗冻融设计

首先在水泥的品种的选取时，应考虑到提高混凝土的抗冻融性要求，合理调配在0℃左右的低温环境下适用的混凝土，如早强硅酸盐水泥，该品种的水泥的化热性较大，且在早期的化热强度最大。在混凝土的配制过程中，还可通过适当降低水泥的水灰比，稍微增加水泥的比重，从而增加混凝土的化热量。同时通过掺入适量的引气剂，也可增加混凝土的抗冻融性，但由于市场上品种繁多的引气剂，在其的选择上应慎重。此外还可通过蓄热法和外部的加热法等，增加建筑混凝土结构的抗冻融性，提高混凝土建筑的耐久性。

2.3混凝土裂缝控制要求

屋面板的配筋一般是受力配筋，当屋面较长或温差较大时就应该同时考虑温度作用，尤其是比较吸热的卷材屋面等，尤其要考虑。屋面的保温材料的使用年限与结构的使用年限不一致，温度对长度较长的屋面的影响是很大的，某些部位超出了受力的影响，钢筋配置不能仅按荷载计算，而应叠加温度作用，钢筋的200间距的排布有时不够，可为100-150间距，满足强度的前提下有时调整钢筋直径，缩短间距也是一种可行的办法。碱骨料反应、冻胀以及碳化等引起的裂缝的防治应有针对性。尤其是地下工程，如混凝土剪力墙等耐久性问题突出，应积极预防，如控制混凝土中碱含量、选择低碱活性骨料、改善混凝土所处的环境，隔绝湿气进入、掺矿物混合材、外加剂等，均简单宜行。需要明确的是，水泥用量多在控制碱含量方面不是有利的。

三、现行规范中的耐久性设计方法与问题

现行混凝土结构设计与施工规范主要考虑的是荷载作用下结构安全性与适用性的需要，至于结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化的影响，则被置于比较次要和从属的地位。对于大气环境作用温度、湿度、降水、冻融、氧、二氧化碳与盐雾、二氧化硫、汽车尾气等空气污染物）以及水体、土体环境中氯盐、硫酸盐、碳酸等化学物质侵蚀对结构安全性与适用性的影响，规范主要采取宏观控制混凝土材料的组成并通过结构构造措施的办法，认为这样就能满足环境作用卜的耐久性需要，同时也回避了结构的具体使用年限。

这种传统的耐久性设计方法，通常是针对不同的环境作用，提出混凝土应采用的原材料，混凝土的最低强度等级、最小水泥用量和最高水灰胶）比，以及钢筋的混凝土保护层最小厚度，表而裂缝的最大宽度等。由于环境作用和混凝土耐久性的复杂性，这种方法从一开始就低估了冻融、干湿交替和盐类环境对钢筋与混凝土的腐蚀作用；此外，自从混凝土得到大量应用以来，因水泥工业提供的产品早期强度和细度不断提高，工程施工建设速度不断加快、环境条件不断恶化，又都对混凝土耐久性带来伤害。今天的低强度混凝土，由于水灰比因水泥强度提高得以增大等原因，其耐久性比几十年前同样强度的混凝土低得多。

我国混凝土结构设计规范还有一个不足，就是未能列入有关混凝土材料及其性能要求的独立章节。结构设计人员需要深入了解这些内容，而规范单一强调强度指标的结果，已在设计人员中造成根深蒂固的以强度为惟一标准的片面意识，模糊了对耐久性等其他方面的关注。

四、结语

通过对混凝土外部使用环境和结构内部因素的分析，探讨了结构耐久性设计的基本理由、原则、设计内容和相应的规范，因混凝土耐久性的影响因素异常复杂，本文仅能对结构混凝土耐久性设计提出抛砖引玉之作用，旨在实现对房屋结构不需要花费大量资金加固就能保证安全、使用功能和外观要求，在加强结构耐久性设计方面提供一些技术交流和参考。

参考文献：

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