摘要：隨著社會的發展與進步，重視混凝土結構的耐久性設計分析具有重要的意義。本文主要簡單地介紹基于耐久性的混凝土結構分析。

　　關鍵詞    混凝土   結構   耐久性   設計   極限

　　Abstract: With the development and progress of society, the emphasis on the durability design of concrete structures is of great significance. In this paper, a brief introduction to the analysis based on the durability of concrete structures.

　　Key Words: concrete; structure; durability; design; limit

　　中圖分類號：  TU37          文獻標識碼：A                 文章編號：

　　引言

　　鋼筋混凝土結構是一個多尺度、多體、非平衡系統具有多因素的強相互作用，各種因素在實際工程中很難絕對分開,尤其是外部環境因素與內部因素的相互作用,由單個影響因素的研究結論并不能確切推知各種因素綜合作用下的混凝土的耐久性性能,也就是說,各種因素的相互作用是非線性的;實際工程中各種因素又具有高度不確定性隨機性和未確知性如實際的水灰比水泥用量是一隨機變量。

　　1.耐久性不足對結構的危害

　　建筑物在長期使用過程中， 在內部的或外部的人為的或自然的因素作用下，隨著時間的推移將發生材料老化與結構損傷，這是一個不可逆的過程。這種損傷的累積將導致結構性能劣化承載力下降，耐久性能降低。長期以來， 人們受混凝土是一種耐久性良好的建筑材料的影響，忽視了鋼筋混凝土結構的耐久性問題，造成了鋼筋混凝土結構耐久性研究的相對滯后并因此付出了巨大的代價。由于耐久性不足導致結構破壞的事故時有發生其中因混凝土碳化和鋼筋銹蝕需要處理的工程具有普遍性造成的損失也是難以估量的。因此鋼筋混凝土結構的耐久性問題已受到國內外土木工程界和學術界的高度重視。美國標準局 NBS 1975 年的調查表明美國全年各種因腐蝕造成的損失為700多億美元。其中混凝土中鋼筋銹蝕造成的損傷約占40%。在美國州際公路網56 萬座橋中處于嚴重失效的就有9萬座，1969 年，一年用于修復因鋼筋銹蝕而損壞的公路橋面板的費用高達26 億美元，1978 年增至63 億美元，美國材料咨詢委員會NMAB1987 年的報告中指出，有253000 座混凝土橋處于不同程度的損傷狀態且以每年35000座的速度在增加。1991 年用于修復由于耐久性不足而損壞的橋梁就耗資910 億美元。

　　2、混凝土耐久性結構設計方法

　　2.1 耐久性設計實用方法

　　日本東京大學罔村甫教授提出耐久性設計應全面考慮材料質量、施工程序、結構構造等。在一定環境中正常工作,在要求的期限內不需要維修的條件是：

　　SP≤ TP

　　式中SP為環境指數SP=S0+△ SP;TP為耐久性指數TP=50+ΣTP(i,j)。環境指數SP的取值是以一個在中等環境條件下工作的混凝土結構,若有95%把握不需維修,取一個SP初值S0=100;根據使用環境不同對環境指數增值,如在含有氯化物環境中,視其腐蝕作用大小,可取△ SP=40～ 70;有凍融作用時,可取△SP=10～70等等。耐久性指數TP是反映設計施工各工序(序號為i)中影響耐久性的諸因素(序號為j),分別賦予不同數值然后疊加,如視混凝土材料(i=1)中骨料含水率(j=8)不同,可分別取TP(1,8)=8～ -15等。

　　2.2 耐久性極限狀態設計法

　　設計原則是在使用壽命內抵抗環境作用的能力大于環境對結構作用的效應,即滿足：

　　F≤ R

　　式中F-環境作用效應;R-結構構件抵抗環境作用的能力。按環境類別確定環境作用效應,將工作環境劃分為大氣環境、土壤環境、海洋環境、受環境水影響的環境和特殊工作環境等6類。根據結構工作環境狀況,確定耐久性極限狀態極其標志,對大氣環境下的混凝土結構耐久性極限狀態分為:對不允許鋼筋銹蝕的結構構件(如預應力鋼筋、直徑較小的鋼筋、結構塑性鉸區的主筋、地問下受拉主筋等),以混凝土炭化達到主要鋼筋表面為耐久性極限狀態標志;對允許有限銹蝕的構件,以鋼筋截面質量損失率達1%作為耐久性極限狀態的標志。

　　2.3 基于近似概率法的極限狀態設計法

　　耐久性設計包括計算和構造部分。計算部分與現行混凝土結構設計規范設計方法相協調,引入耐久性設計概念,其表達式為:

　　S≤ ηR

　　式中:S-內力設計值;R-構件抗力設計值;η -耐久性設計系數,為構件經t時刻后的可靠指標β (t)的函數,η =f[β (t)],用蒙特卡羅法根據可靠性數學及規范給出:

　　η =β 0/[β 0+β t-β (t)]

　　式中:β0-現行設計規范公式的可靠指標;β t- 在t時刻要求的可靠指標確定值;β (t)- 隨時間增長,結構構件抗力R將下降,假定主要由混凝土強度和鋼筋強度降低引起,經統計回歸求得某地某種結構構件經t時刻后的可靠指標。

　　3、高性能混凝土耐久性設計分析

　　(1)按耐久性設計應首先滿足低滲透性的要求。按工程設計抗滲性指標,確定氯離子擴散數要求,作為初選水膠比的依據(水膠比一般不大于0.42)。

　　(2)膠凝材料總量應大于設計相同強度等級傳統混凝土的水泥用量,以保證良好的施工性并提高混凝土的耐久性。對不同強度等級的混凝土, 膠凝材料不小于400kg/m3且不大于400kg/m3。

　　(3)砂率按混凝土施工性調整。為不影嚴重響混凝土彈性模量。砂率不易大于45%。

　　(4)由于膠凝材料中各組分密度相差較大,宜采用絕對體積法進行配合比計算�；炷�土拌合物應有最小的砂石孔隙率。

　　(5)試配后應檢驗是否滿足設計要求,檢驗按配制強度進行。混凝土配制強度(MPa)

　　f cu,o=f cu.k+1.645ó

　　式中:fcu.k為混凝土設計強度(MPa),ó為混凝土強度標準差。fcu.k＜C50時ó5.0MPa,fcu.k≧C50時ó取6.0MPa。

　　(6)按絕對體積法計算出的配合比進行試拌,檢驗施工性。調整其坍落度和坍落流動度,觀察體積穩定性,測定混凝土的變現密度,調整計算密度和各優選的材料用量。

　　4、提高混凝土結構耐久性的技術措施

　　4.1 改進結構構件的設計

　　(1)要有足夠的鋼筋保護層厚度《CEB耐久混凝土結構設計指南》提出如果混凝土實際保護層比要求的減少一半,碳化或氯離子侵入鋼筋表面的時間就會提前3/4。CEP-FIP模式規范按暴露條件、構件類別及混凝土強度等級,規定了不同保護層厚度, 如一般構件, 混凝土為C25～C30時,保護層不小于35mm,而美國ACI-201委員會規定接近水位或外露與海上的沿海建筑物,其保護層厚度最小75mm,混凝土路面及橋梁護欄最少為50mm;美國ACI-318規范規定室內混凝土梁、柱,筋的最小保護層厚度為38mm;我國現行《混凝土結構設計規范》對室內環境的梁、柱結構最小保護層厚度定25mm,從提高耐久性角度來看,此值偏小。

　　(2)正確選用水泥品種、水泥用量和水灰比;應優先選用硅酸鹽水泥,其抗碳化能力最好,摻有火山灰、高爐礦渣或粉煤灰的混合水泥,其早期硬化慢,后期強度增長快,如養護得當,可以提高抗氯化物侵入能力及抗凍融性能;增加水泥用量(＞300kg/m3)可降低混凝土滲透性;控制水灰比小于0.6,可保證混凝土耐久性。

　　(3)正確選用鋼筋及其間距;盡量不用腐蝕敏感的鋼筋,如ф≤4mm的鋼筋及經過處理的鋼筋,以及持續拉應力大于400MPa的冷加工的鋼筋;鋼筋的間距要保證易于振搗。

　　(4)限制含鹽量;含鹽尤其含氯離子成分對鋼,筋腐蝕有嚴重影響,國外一般限制氯離子含量要小于水泥重量的0.3%～1.0%,德國甚至不允許用CaCl2。

　　(5)截面等耐久性設計;工程實踐多觀察到梁柱因鋼筋銹蝕引起混凝土膨脹,多首先發生在構件截面拉角區。因此有人從推遲角區鋼筋脫鈍時間,延緩角區鋼筋銹蝕速度,增強角區鋼筋抗腐蝕能力出發,提出截面等耐久性設計觀點,給出最大保護層厚度取值方法和改變配筋形式的建議。

　　4.2 加強施工管理

　　(1)充分振搗和充分養護,可以增加混凝土表面的密實性,降低混凝土滲透性,養護不好對混凝土的碳化合抗腐蝕的能力影響甚大,養護的敏感性隨水灰比的增加,水泥用量的減少而增大。

　　(2)為防止除冰鹽剝蝕混凝土,可采用引氣劑,形成均勻氣泡,降低混凝土滲透性。

　　(3)對沿海地區氯鹽(NaCL、CaCl 2、MgCl2)含量超過70%的鹽漬土地區,可采用增加水泥用量、減少水灰比,摻加減水劑或摻加鋼筋阻銹劑(水泥用量的1%～3%),提高混凝土密實性并防銹。

　　4.3 防止繼續劣化的措施

　　(1)涂層法。采用一些防護裝飾材料涂蓋在構件表面上,如丙乳砂漿、環氧樹脂砂漿、過氯乙烯涂料等,或者增涂一層水泥砂漿(厚度20mm左右),均能阻止空氣中氧和鹽類繼續侵入,延緩混凝土碳化合防止鋼筋進一步銹蝕。

　　(2)陰極防腐法。由于混凝土含鹽濃度不同,鋼筋之間存在電位差,陰極鋼筋銹蝕,可采用在混凝土表面涂一層導電涂料或埋設導電材料(鉑絲等),與直流電源正極相連,形成新的電位差,使原鋼筋骨架轉化為陰極,則鋼筋銹蝕可得到抑制。

　　結束語

　　混凝土結構廣泛應用于工業與民用建筑、 道路與橋梁工程、港口與水利工程等各種工程結構中。長期以來，人們認為混凝土結構是一種耐久性能良好的建筑材料，而事實上混凝土結構在長期自然環境和使用條件下會逐漸老化喪失耐久性能。影響了結構物的使用功能和安全。國內外統計事實表明，由于結構耐久性病害而導致的經濟損失非常巨大。

　　參考文獻

　　[1] 國家標準: 建筑結構可靠度設計統一標準GB50068 -2009 . 北京: 中國建筑工業出版社, 2010

　　[2] 國家標準: 建筑結構設計通用符號計量單位和基本術語GBJ83 -85 . 北京: 中國計劃出版社, 2009

　　[3] 黃興隸. 工程結構可靠性設計. 北京: 人民交通出版社,2010

　　[4] 李田, 劉西拉. 混凝土結構的耐久性設計.土木工程學報, 2009,