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混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性探討

文檔作者：陳越		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性探討
陳越
摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程施工中被廣泛使用。過去，因“薄耐久性，重高強(qiáng)度”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的
耐久性不足，很多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了過早老化問題。文章從混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及影響耐久性的因素出發(fā)，探討保
持混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一些有效對(duì)策，希望對(duì)工程施工有所幫助。
關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；對(duì)策
中圖分類號(hào)：U 448.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1007-3922（2019）-05-0022-03
作者簡(jiǎn)介：陳越(1976-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：工程技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)。
20 世紀(jì)90 年代前尚未供應(yīng)高性能和高強(qiáng)
度混凝土?xí)r，50MPa以及更低的普通混凝土在混
凝土工程中被廣泛使用。早期由于設(shè)計(jì)原因、施
工不當(dāng)、材料選擇等會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生早期
劣化。在使用混凝土過程中，如酸雨、酸霧、酸性
水、鹽等環(huán)境化學(xué)有害介質(zhì)，通過單一和聯(lián)合作
用而侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)。
如今環(huán)境污染已是世界難題，工程建設(shè)中自
然水和污染水接觸，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕和
破壞。根據(jù)國(guó)家水利部對(duì)水利工程混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)
行耐久性的調(diào)查和研究得出結(jié)論，100％的水壩
存在裂縫和滲漏危害，68.7％有空化、侵蝕和磨
損破壞，18.8％有凍融破壞，水質(zhì)侵蝕發(fā)生率為
2％，鋼筋腐蝕引起的銹蝕拉伸40.6％，其中海域
鋼材腐蝕占87％以上。例如在安徽銅陵有色冶
銅、化學(xué)提純和其他重金屬工業(yè)部門，大約60％
的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致材
料結(jié)構(gòu)受到侵蝕。
1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1. 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
1999 年，國(guó)內(nèi)材料協(xié)會(huì)、國(guó)內(nèi)建筑文獻(xiàn)協(xié)
會(huì)、實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)三家單位成立了混凝土使用年
限預(yù)測(cè)委員會(huì)，該委員會(huì)致力于研究混凝土結(jié)構(gòu)
的安全性和耐久性問題，為延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使
用年限提供技術(shù)支持。早在1957年美國(guó)就成立
了委員會(huì)（ACI1201），該委員會(huì)的成立歸功于美
國(guó)混凝土學(xué)會(huì)，該委員會(huì)主要職責(zé)在于混凝土結(jié)
構(gòu)安全性和耐久性方面的學(xué)術(shù)研究。2001年，該
委員會(huì)就曾提出了“已建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估”
的報(bào)告，制定出該如何檢測(cè)試驗(yàn)，以及詳細(xì)檢測(cè)
試驗(yàn)的步驟和方法。在1998 年日本就組建團(tuán)隊(duì)
針對(duì)“建筑安全性和耐久性改進(jìn)技術(shù)”進(jìn)行專項(xiàng)
施工方案，于2000年上報(bào)該方案的技術(shù)成果。早
在1986年日本就制定并完善了“建筑耐久性設(shè)計(jì)
和施工安全”規(guī)范。
1. 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
在編制《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-89）時(shí)，
我國(guó)規(guī)范組人員把主要精力放在了一個(gè)方面，那
就是混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性方面，八年之后，規(guī)
范組人員對(duì)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-89）進(jìn)
行修改和補(bǔ)充。在修改和補(bǔ)充過程中，將混凝土
結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的設(shè)計(jì)方法和施工措施作
為一個(gè)重點(diǎn)補(bǔ)充對(duì)象。國(guó)家級(jí)和省級(jí)也給予了混
凝土安全性和耐久性研究提供資金支持，我國(guó)在
“七五”科研項(xiàng)目和“八五”科研項(xiàng)目時(shí)間段內(nèi)，建
設(shè)部就曾提出關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題的
解決辦法。“七五”科研項(xiàng)目主要改善在大氣環(huán)境
下，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性工程難題，這
其中也包含了混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性估量，
以及混凝土結(jié)構(gòu)的碳化和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼
（中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海200178）
2019年第4 期
（總第201 期）
散裝水泥
Bulk Cement
No.4,2019
Genera.No.201
·22·
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筋銹蝕，影響碳化的因素主要是溫度、濕度等。
2 影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性因素
2. 1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，可以歸結(jié)于混凝土結(jié)構(gòu)
對(duì)外界影響因素的抵抗能力，當(dāng)外界環(huán)境影響混
凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)能維持自身性
能，還能保持外觀的美感，進(jìn)而使得混凝土結(jié)構(gòu)
的安全性和耐久性不受影響。影響混凝土結(jié)構(gòu)安
全性和耐久性的因素有內(nèi)外兩大因素。內(nèi)在因素
是指混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)外部環(huán)境的自我修復(fù)能力，受
混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、骨料的選擇、選用何種類型
的添加劑、鋼筋到混凝土結(jié)構(gòu)最外層的厚度、選
用鋼筋的鋼材質(zhì)量、混凝土的水灰比、施工工藝
等因素影響。外部因素是混凝土結(jié)構(gòu)硬化時(shí)產(chǎn)生
的物理變化和化學(xué)變化，包含循環(huán)凍融、化學(xué)反
應(yīng)產(chǎn)生的介質(zhì)侵入和腐蝕、混凝土結(jié)構(gòu)被磨損及
其他方面原因，這些因素之間相互影響，對(duì)混凝
土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性構(gòu)成危害。
2. 2 水泥類材料的腐蝕
混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕分類：一是以混凝土結(jié)構(gòu)
腐蝕介質(zhì)為界限，將其分為硫酸鹽化合物對(duì)混凝
土結(jié)構(gòu)的腐蝕，沿海城市受海水腐蝕的混凝土結(jié)
構(gòu)、土壤中的微生物對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等。二
是以混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕后的狀態(tài)，將其分為溶出
型物質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、易分解型物質(zhì)對(duì)混
凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、結(jié)晶型物質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐
蝕、復(fù)合型物質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等。
2. 3 鋼材的腐蝕
2.3.1 化學(xué)腐蝕
混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼與環(huán)境直接接觸而發(fā)生
的腐蝕現(xiàn)象稱為化學(xué)腐蝕。這主要是因?yàn)榛炷?
結(jié)構(gòu)中的鐵與空氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成
Fe2O3，從而被腐蝕。當(dāng)空氣中水含量比較少，由
于天氣干燥混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕速率就會(huì)降
低；當(dāng)空氣中水分含量比較大或者氣溫比較高的
情況下，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕速率就會(huì)加快?；炷?
結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕還有其他原因，那就是空氣中的
O2 和具有腐蝕性化合物中的CO2 或SO2 的化學(xué)
反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕。
2.3.2 電化學(xué)腐蝕
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼在濕潤(rùn)的空氣中和
能夠?qū)щ姷囊后w中，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕會(huì)引起液體
中電子游動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電化學(xué)腐蝕。這主要
是由于混凝土結(jié)構(gòu)中不同金屬間的電位差異引
起金屬溶解的后果。當(dāng)CO2或硫化物氣體與鋼筋
混凝土結(jié)構(gòu)表面上的水反應(yīng)時(shí)，生成有害膜，該
膜的主要成分是電解質(zhì)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼
是由鐵和碳制成的合金以及其他物質(zhì)，這些物質(zhì)
之間相互作用生成了鋼。對(duì)于負(fù)極，由于電化學(xué)
反應(yīng)，具有碳化鐵作為正極的一次電池會(huì)生銹。
3 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議
3. 1 做好混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)
3.1.1 基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)方法
這是對(duì)實(shí)驗(yàn)室大量數(shù)據(jù)的歸納，以及現(xiàn)場(chǎng)施
工人員長(zhǎng)期以來工作經(jīng)驗(yàn)積累，包括經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和
推理、對(duì)耐力壽命的定量預(yù)測(cè)。目前，施工現(xiàn)場(chǎng)也
多是用這種方法去推測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，認(rèn)
為遵循這種方法，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)具備現(xiàn)場(chǎng)需要
的耐久性。如果混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性很長(zhǎng)，當(dāng)遇
到混凝土結(jié)構(gòu)使用條件比較復(fù)雜及從未經(jīng)歷過
的施工難題時(shí)，這種方法就解決不了問題。
3.1.2 數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)方法
利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用年限是
最常用的一種方法。預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和模型是否符
合事實(shí)及選用材料和周圍環(huán)境系數(shù)的影響因素
有關(guān)。目前數(shù)學(xué)模型已開發(fā)用于混凝土結(jié)構(gòu)壽命
預(yù)測(cè)，它考慮到不同侵蝕性介質(zhì)，如水、鹽或混凝
土表面的氣體進(jìn)入過程。
3. 2 技術(shù)性措施
提升混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的措施可
以概括為基本措施和補(bǔ)充措施兩種。對(duì)于基本措
施，按照規(guī)范設(shè)計(jì)和合理的施工組織設(shè)計(jì)，使混
凝土結(jié)構(gòu)的耐久性發(fā)揮到最佳。在使用混凝土結(jié)
構(gòu)時(shí)，保持混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能較高，來制約混
凝土周圍環(huán)境因素的影響，防止有害介質(zhì)對(duì)混凝
土的侵蝕，達(dá)到保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)生銹的
目的。
3.2.1 結(jié)構(gòu)選型和細(xì)部設(shè)計(jì)
盡可能減少位于混凝土結(jié)構(gòu)表層、施工縫隙
和防水位置的積水，把排水渠的尺寸盡量做寬，
減少混凝土結(jié)構(gòu)暴露在潮濕的空氣中。要選擇簡(jiǎn)
單且質(zhì)量佳的組件，結(jié)構(gòu)選型時(shí)也要嚴(yán)格按照結(jié)
·24·
構(gòu)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行施工。
3.2.2 控制裂縫
混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因主要有可控性
和不可控性兩種形式。有些裂縫是無法控制的，
比如因收縮而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞、對(duì)混凝土構(gòu)
筑物整體進(jìn)行下降或混凝土承受的荷載比較大，
由這些原因形成的裂縫都比較寬?；炷两Y(jié)構(gòu)開
裂是工程建設(shè)業(yè)急需克服的問題，施工現(xiàn)場(chǎng)有些
情況是無法預(yù)料的，作為技術(shù)人員應(yīng)提前做好準(zhǔn)
備，確保施工過程中萬無一失。
3.2.3 建筑材料
①混凝土摻合料：在混凝土結(jié)構(gòu)中拌入礦渣
及其他混合料，可以達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性
的效果。綜合利用高含量減水劑和高品質(zhì)外加劑
的內(nèi)在潛力，能改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。硅酸
鹽水泥混凝土是一種高加工性、高流變性、低放
水率、高早強(qiáng)和穩(wěn)定性佳的混凝土結(jié)構(gòu)，高抗?jié)B
性和高耐久性的高性能混凝土，已成為現(xiàn)代混凝
土技術(shù)的重大突破。
②環(huán)氧涂料：環(huán)氧涂料在生產(chǎn)線上應(yīng)嚴(yán)控質(zhì)
量問題，這樣環(huán)氧涂料在對(duì)鋼材表面涂抹防護(hù)
時(shí)，才能保證鋼材不被銹蝕，確保鋼材在生產(chǎn)、運(yùn)
輸、加工過程中不被損壞。
4 案例分析
東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析
上海東海大橋項(xiàng)目是上海國(guó)際航運(yùn)中心集
裝箱深水港三大配套項(xiàng)目之一，服務(wù)于洋山深水
港集裝箱整理、供水、供電、通訊等需求。這也是
繼杭州灣大橋之后世界第二長(zhǎng)跨海大橋，大橋始
于上海市南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆公路相連。橋
梁的主體結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)，全橋的混凝土消耗
量約為100 萬立方米，其設(shè)計(jì)使用壽命為100
年，于2005 年5月竣工。東海大橋位于北亞熱帶
南緣，東北季風(fēng)盛行，受季風(fēng)影響，對(duì)東海大橋的
耐久性設(shè)計(jì)要求比較高，可抵抗12 級(jí)臺(tái)風(fēng)、7 級(jí)
烈度地震。東海大橋地處杭州灣海域，其海洋環(huán)
境十分明顯，常年氣溫高、濕度大、海區(qū)內(nèi)鹽含量
高等。受海洋環(huán)境影響，混凝土結(jié)構(gòu)遭受腐蝕，可
以通過控制混凝土組件來避免鹽侵蝕，如鎂鹽、
硫酸鹽和堿集料，此外，工程結(jié)構(gòu)采取高標(biāo)準(zhǔn)的
防腐措施，確保大橋在使用壽命年限內(nèi)的安全性
和耐久性滿足正常使用要求。國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人
員研究證實(shí)，使得東海大橋中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性
降低的原因是氯離子對(duì)鋼筋混凝土中的鋼材進(jìn)
行腐蝕，這些積聚在鋼筋表面的氯離子會(huì)與鋼筋
發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（氯離子半徑比較小，具有一定
的絡(luò)合性，破壞鋼材表面，進(jìn)而腐蝕鋼材），進(jìn)而
腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)東海大橋周邊沿海建筑
物的研究也表明，處于沿海地區(qū)的建筑物受海洋
環(huán)境影響，混凝土結(jié)構(gòu)被氯離子滲透的腐蝕要遠(yuǎn)
高于混凝土結(jié)構(gòu)的碳化，氯離子的滲透是導(dǎo)致東
海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因。
5 結(jié)論
混凝土的具體結(jié)構(gòu)代表了多尺度、多體、非
平衡的系統(tǒng)，各因素之間相互作用強(qiáng)烈，難以區(qū)
分實(shí)際設(shè)計(jì)中的各種因素，特別是外部環(huán)境因素
與內(nèi)部因素的相互作用。實(shí)際技術(shù)中的各種因素
也是非常不確定的、偶然的和不可識(shí)別的。水灰
比和水泥用量是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求隨機(jī)變化的，
各施工單位對(duì)于不同施工部位的施工方法也不
一樣，受外界環(huán)境影響，空氣中水分含量、溫差大
小、空氣中二氧化碳濃度、風(fēng)壓大小以及方向等
影響因素也不同。由于復(fù)雜的不確定因素相互作
用幾乎無法檢測(cè)到，單靠機(jī)械和微觀分析無法反
映整體特征，并且無法從實(shí)際工程數(shù)據(jù)中獲取機(jī)
械信息。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性是
一個(gè)多元化問題，通過尋找各種因素的共同性，
進(jìn)行預(yù)測(cè)和保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)混凝土的
安全性和耐久性。
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