砼结构的耐久性设计

砼结构的耐久性设计

顾晓锋

常熟市工程质量检测中心215500

摘要：在我国目前的大量建筑工程当中，新建和返修的项目当中均大量运用了砼结构作为主体结构，其耐久性问题在发达国家当中也成为了主流性的关注重点。因此，对于砼结构耐久性的研究应积极参照可靠数据进行强化分析，进行系统化、科学化的研究，将砼结构的耐久度设计、判定评估以及项目整体的使用寿命进行全面判定，这样才能对砼结构耐久性设计进行强化与完善，并且将施工项目的使用寿命提高到新的层次，也是强化我国建筑领域的重要措施之一。本文对砼结构的耐久性设计进行了探讨。

关键词：砼结构；耐久性；设计；方法

由于影响砼结构物耐久性因素非常复杂，有的是不可预见的，因此对严重腐蚀环境下的原有结构要进行定期检测，对于正在进行设计的结构物，要进行工程分析，调查所在地的水文、地下水以及污染源，摸清所在地区原有结构物腐蚀情况，做到科学设计与施工。要达到设计寿命的预定目标，必须要求科学地分析客观环境，找出结构物所处位置的污染因子，进行工程分析，并转变设计思路，从强度设计到性能设计转化，只有采用正确的设计，选用正确的材料，进行正确的施工，加强正常的养护，这些需要建设单位、设计人员、施工方和用户共同参与，才能延长结构物的使用寿命。

一、砼结构的耐久性概述

在深入研究砼结构耐久性的过程中，应对其不断的进行总结，而所谓的耐久性就是指砼的结构和构件在事前可以预测到的工作环境中，并且在很多外界因素的影响下，在规范的时间内对污染物侵蚀、天气以及使用等各种因素所导致的劣化作用进行抵抗的过程，在这段抵挡外界因素的规定的时间之内，不用采取相应的养护和维修的措施就可以继续发挥固有的作用，充分地保证了砼结构的安全性和实用性，使其符合工程项目的实际要求。在定义砼结构耐久性的过程中，对于其影响的因素主要归纳为三个方面，分别为功能、环境以及经济，而在特定的条件下，外界的不可抗拒的因素肯定也会侵蚀砼结构的耐久性，另外，砼自身结构是很难保证绝对稳定的，随着时间的不断推移，砼结构的耐久性肯定也是逐步的降低的，因此，在道路工程以及建筑工程等项目的使用过程中，砼结构在正常和自然的损耗下，其耐久性就也会受到不同程度的影响。在此行业中，对砼结构的作业区域进行了详细地分析，根据其实际的应用情况一共将其分为了六大应用环境，即海洋、大气、化学物质、环境水、土壤以及特殊工作环境，而对于砼结构的耐久性来说，其是结构自身的一种综合性能，对结构的整体承载力和正常使用会产生一定的影响，并且随着时间的不断推移，在计算砼结构的使用状态和承载能力的过程中，也应将其耐久性纳入进来。

二、砼结构耐久性的影响因素

1、内部因素

（1）砼的碱－骨料反应

碱－骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱－硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成砼开裂。其引起的砼结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果也更为严重。而且碱--骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱－骨料反应是砼结构的“癌症”。

（2）砼的碳化

砼的碳化是指砼中氢氧化钙与渗透进砼中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。正常情况下砼呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到“钝化”保护作用。而碳化的实质是砼的中性化，砼的碱性降低，钝化膜遭到破坏，使砼失去对钢筋的保护作用。碳化同时也会加剧砼的收缩，致使砼出现裂缝，导致结构的破坏。

2、外部因素

（1）侵蚀性介质的腐蚀

当砼结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学、物理与物化变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀等几类。

（2）砼的冻融破坏

砼的抗冻性是砼受到物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）后反映砼耐久性的重要指标之一。砼冻融作用破坏机理是砼在其冻融的过程中，遭受的破坏应力，损伤砼内部微观结构。当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大，发展成互相连通的裂缝，使砼的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。

（3）钢筋的锈蚀

砼中钢筋的锈蚀是一个电化学过程，电化学腐蚀是砼结构中最常见的影响耐久性的问题，尤其是氯离子腐蚀。氯离子的侵入会使钢筋表面的钝化膜迅速破坏，引起钢筋锈蚀，大量的铁锈使砼体积膨胀，导致砼沿保护层发生纵向裂缝，造成钢筋与砼之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构的承载力降低，变形和裂缝增大。并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。

（4）施工因素影响

砼材料本身质量低下以及骨料级配不当都会导致砼耐久性能下降；施工过程中工人操作不当等人为因素造成的砼结构的内、外部缺陷，也会使砼容易遭到破坏；而如果水灰比控制不当，砼的密实性就降低，抗渗性就变差，直接影响到砼的耐久性。

三、提高砼结构耐久性设计的方法

1、合理选择砼结构的组成材料

骨料是砼的主要组成成分，在砼混合料中约占70%。粗骨料压碎指标增大，砼强度下降；粗骨料的表面愈粗糙，其配制的砼强度愈高。骨料粒径增大，砼的强度提高，而在高于15mm后，粗骨料粒径愈大，砼强度愈低。水泥是促使砼成型的胶凝材料，依据其使用功能和组成成分的不同划分为许多种类，其中硅酸盐水泥砼是目前应用最广的砼结构组成材料，但硅酸盐水泥固有的多孔性带来两大缺点，即强度不高和耐久性差。掺加高效减水剂可以减少砼中的用量水，降低水胶比，对提高砼强度、耐久性以及增强砼的使用性能具有显著的效果。随着砼用钢筋强度等级进一步提高，低等级钢筋使用率呈下降趋势，高等级钢筋被越来越多的砼结构设计采用。

2、改进结构设计

结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境因素对结构的作用。采用具有防腐保护的钢筋（例如，体外预应力筋，无粘结预应力筋，环氧涂层钢筋等）；加强构造配筋，控制裂缝发展；加大砼保护层厚度等。《桥规》与旧《桥规》相比，加外加剂，掺用超细活性掺合料，它的研制和应用解决的核心问题之一就是保证耐久性。由于高强砼的密实性能好，抗渗、抗冻性能均优于普通砼，因此不但适用于高层和大跨度结构物，对于海洋和港口工程，其抗渗和耐腐蚀性能均大大优于普通砼。

3、砼结构中总含碱量控制设计

建筑大面积的使用砼结构，由于砼自身化学因素与周围环境因素的影响，会造成砼结构建筑的严重破坏，如砼集料的碱反应、砼自身的化学干缩反应造成砼的开裂及水化热性过高造成的温度开裂等。因此，提高砼建筑的耐久性，需严格控制砼的总含碱量，减少其引起的对砼结构的化学破坏，同时在建筑的设计过程中尽可能的隔绝长时间的水与潮湿空气影响，提高建筑砼结构的耐久性。一般水泥中Na2和K2O的主要生产原料是粘土，粘土的含碱量高达2.6%左右，但使用碱含量为0.2%左右的砂岩，则会影响到水泥的生产工艺，因此，水泥的碱含量一般难以降低，这时通过采取有效措施降低砼掺料中的碱含量，从而降低砼的总含碱量。如在砼中掺入一些活性混合材料，将建筑砼结构的总碱含量控制在3.0kg/m3以下，可一定程度上缓解砼的碱集料反应。此外还要注意隔绝水等潮湿空气来源的环境影响，缓和砼的碱集料反应对建筑工程造成的损害，提高其耐久性。

4、砼结构中防冻融保护设计

由于建筑的砼结构设计过程中，应充分考虑到会有一些游离水会滞留在砼中，从而形成相连通的细孔结构。当砼中的水处于饱和状态时，砼中游离水遇冷则可能会冻结成冰，使砼结构的体积膨胀，由于细孔壁要同时承受着膨胀压和渗透压，这两种压力超过了砼抗拉的最大强度时，建筑中的砼结构就会发生开裂，而交替反复的冻融侵害，会进一步加大砼结构的裂缝，从而大面积破坏砼结构。因此，应该采取有效措施控制冻融侵害，提高建筑砼的耐久性。首先在水泥的品种的选取时，应考虑到提高砼的抗冻融性要求，合理调配在0℃左右的低温环境下适用的砼，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。在砼的配制过程中，还可通过适当降低水泥的水灰比，稍微增加水泥的比重，从而增加砼的化热量。同时通过掺入适量的引气剂，也可增加砼的抗冻融性，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，增加建筑砼结构的抗冻融性，提高砼建筑的耐久性。

5、砼结构监测与维护

在砼结构使用阶段的检查和维护是必要而有效的，如果缺少对已有砼结构性能的监测，人身的财产、生命安全也就失去意义。对已有砼结构的耐久性病害的诊治是必要而紧迫的，不仅可以及时查找“病因”，而且对新建的砼结构进行有针对性的预防，正确认识砼劣化现状，为砼结构的危害治理提供依据，对砼结构设计有选择地采用合适的材料和工艺，最大限度地提高砼的结构性能提供依据。结构在使用阶段，应注意检测，维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此，建立检测和评估体系，及时发现，及时修理，确保混凝土结构的正常使用。在使用中，应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质，并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查，在结构破坏超过一定的界限后，就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。

总之，砼结构的耐久性设计，应综合考虑原料、锈蚀及环境等因素，通过选取高质量的原料及掺料，控制砼的总含碱量，做好砼的防冻融工作，同时提高砼的抗腐蚀性，能够有效提高建筑的砼结构的耐久性。此外，在砼建筑结构设计过程中，应严格按照国家标准规范进行设计操作，加强质量的管理及维护，保证建筑的耐久性，促进我国建筑事业的健康发展。

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