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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		點擊數(shù)：	更新時間： 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，重高強度”的傳統(tǒng)設(shè)計思路，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策，希望對工程施工有所幫助。
關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；對策
中圖分類號：U 448.33 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1007-3922（2019）-05-0022-03
作者簡介：陳越(1976-)，男，碩士，高級工程師，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
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)計原因、施
工不當(dāng)、材料選擇等會導(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，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕和
破壞。根據(jù)國家水利部對水利工程混凝土結(jié)構(gòu)進
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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1. 1 國外研究現(xiàn)狀
1999 年，國內(nèi)材料協(xié)會、國內(nèi)建筑文獻協(xié)
會、實驗室聯(lián)合會三家單位成立了混凝土使用年
限預(yù)測委員會，該委員會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年美國就成立
了委員會（ACI1201），該委員會的成立歸功于美
國混凝土學(xué)會，該委員會主要職責(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
委員會就曾提出了“已建混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估”
的報告，制定出該如何檢測試驗，以及詳細檢測
試驗的步驟和方法。在1998 年日本就組建團隊
針對“建筑安全性和耐久性改進技術(shù)”進行專項
施工方案，于2000年上報該方案的技術(shù)成果。早
在1986年日本就制定并完善了“建筑耐久性設(shè)計
和施工安全”規(guī)范。
1. 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在編制《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ10-89）時，
我國規(guī)范組人員把主要精力放在了一個方面，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《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ10-89）進
行修改和補充。在修改和補充過程中，將混凝土
結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的設(shè)計方法和施工措施作
為一個重點補充對象。國家級和省級也給予了混
凝土安全性和耐久性研究提供資金支持，我國在
“七五”科研項目和“八五”科研項目時間段內(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?！捌呶濉笨蒲许椖恐饕纳圃诖髿猸h(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·
·23·
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，混凝土結(jié)構(gòu)能維持自身性
能，還能保持外觀的美感，進而使得混凝土結(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、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)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、易分解型物質(zhì)對混
凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕、結(jié)晶型物質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的腐
蝕、復(fù)合型物質(zhì)對混凝土結(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。這主要是因為混凝土
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)腐蝕速率就會加快。混凝土
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)中的鋼在濕潤的空氣中和
能夠?qū)щ姷囊后w中，混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕會引起液體
中電子游動，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，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。對于負極，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
3.1.1 基于經(jīng)驗的預(yù)測方法
這是對實驗室大量數(shù)據(jù)的歸納，以及現(xiàn)場施
工人員長期以來工作經(jīng)驗積累，包括經(jīng)驗知識和
推理、對耐力壽命的定量預(yù)測。目前，施工現(xiàn)場也
多是用這種方法去推測混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，認
為遵循這種方法，混凝土結(jié)構(gòu)就會具備現(xiàn)場需要
的耐久性。如果混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性很長，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，這種方法就解決不了問題。
3.1.2 數(shù)學(xué)模型的預(yù)測方法
利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)使用年限是
最常用的一種方法。預(yù)測的準(zhǔn)確性和模型是否符
合事實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，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充措施兩種。對于基本措
施，按照規(guī)范設(shè)計和合理的施工組織設(shè)計，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，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)對混凝
土的侵蝕，達到保護鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不會生銹的
目的。
3.2.1 結(jié)構(gòu)選型和細部設(shè)計
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
單且質(zhì)量佳的組件，結(jié)構(gòu)選型時也要嚴(yán)格按照結(jié)
·24·
構(gòu)設(shè)計的要求進行施工。
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、對混凝土構(gòu)
筑物整體進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)氧涂料在對鋼材表面涂抹防護
時，才能保證鋼材不被銹蝕，確保鋼材在生產(chǎn)、運
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
上海東海大橋項目是上海國際航運中心集
裝箱深水港三大配套項目之一，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，對東海大橋的
耐久性設(shè)計要求比較高，可抵抗12 級臺風(fēng)、7 級
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。國內(nèi)外工程技術(shù)人
員研究證實，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鋼筋混凝土中的鋼材進
行腐蝕，這些積聚在鋼筋表面的氯離子會與鋼筋
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，進而腐蝕鋼材），進而
腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對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
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烈，難以區(qū)
分實際設(shè)計中的各種因素，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、偶然的和不可識別的。水灰
比和水泥用量是根據(jù)現(xiàn)場施工要求隨機變化的，
各施工單位對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
用幾乎無法檢測到，單靠機械和微觀分析無法反
映整體特征，并且無法從實際工程數(shù)據(jù)中獲取機
械信息。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性是
一個多元化問題，通過尋找各種因素的共同性，
進行預(yù)測和保護混凝土結(jié)構(gòu)，從而增強混凝土的
安全性和耐久性。
參考文獻：
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