浅谈混凝土结构构件的耐久性设计
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【摘要】影响混凝土结构耐久性的因素很多，所以应根据结构设计使用年限和环境类别对结构混凝土提出相应的限制和要求，以保证其耐久性。同时，还要对影响混凝土结构耐久性的因素进行分析，从而在设计中保证达到构筑物的耐久性。
关键词：混凝土结构；耐久性；影响因素；设计
中图分类号： TV331 文献标识码： A
引言
钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，国内外曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与混凝土耐久性问题有关。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。
一、影响混凝土结构耐久性的主要因素
影响混凝土结构耐久性的因素主要有：温湿度变化、混凝土的碱集料反应和碳化、化学侵蚀和冻融破坏等。
1.温湿度变化的影响混凝土会热胀冷缩，同样也会在干燥失水时收缩而在泡水浸润后膨胀。这种作用的交替进行，特别在骤然发生时（如夏季阳光暴晒下的混凝土受骤雨的冲刷），会因混凝土表层及内部体积变化不协调而产生裂缝。这些因膨胀不均而引起的损伤日积月累，导致混凝土内部组织的破坏，最终会削弱结构抗力。
2.混凝土的碱集料反应很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制，只能就地取材采用含活性氧化硅成分较高的石料，如果又使用碱总含量大于0.6%的水泥，则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀，导致混凝土胀裂，这种现象叫碱―集料反应。发生碱―集料反应的混凝土裂缝中一般都充满白色胶体，表面裂缝中常有凝胶体流出，干燥时胶体变成白色沉淀，骨料颗粒周围出现反应环。。英国建筑研究院的系统试验结果认为：任何波特兰水泥中掺加不少于30%的粉煤灰，都足以减少碱―集料反应的危险性。所以，控制使用含活性成分的骨料，采用低碱水泥或掺入粉煤灰降低混凝土中的碱性，可以防止碱集料反应。
3.混凝土的碳化 混凝土碳化是指大气中的二氧化碳与混凝土中的碱性物质发生反应使混凝土的碱性下降。其它物质如二氧化硫，硫化氢等也能与混凝土中的碱性物质发生类似反应，使混凝土中性化，即pH值下降。混凝土碳化对混凝土的主要危害表现在使混凝土中的钢筋保护层受到破坏，引起钢筋锈蚀，从而影响承载力水平。混凝土的碳化是混凝土结构耐久性能失效的重要影响因素之一。混凝土中水泥石含有氢氧化钙而呈碱性，其在钢筋表面形成碱性薄膜而保护了金属钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到“钝化”保护作用。但大气中存在的酸性介质及水通过各种孔道、裂缝而渗入混凝土，可以中和这种碱性。混凝土碳化的速度十分缓慢，并且与混凝土的质量，环境条件等因素有关。混凝土碳化对混凝土的主要危害表现在使混凝土中的钢筋保护层受到破坏，引起钢筋锈蚀，从而影响承载力水平。混凝土的碳化是混凝土结构耐久性能失效的重要影响因素之一。减小、延缓混凝土的碳化，可有效地提高混凝土结构的耐久性能。
4.化学侵蚀 水可以渗入混凝土内部，当其中溶入有害化学物质时，即对混凝土的耐久性造成影响更大。酸性物质对水泥水化物的侵蚀作用最大，酸蚀的混凝土呈土黄色，水泥削弱，骨料外露。此外，浓碱性溶液渗入结晶使混凝土被胀裂和削弱；硫酸型溶液渗入后与水泥发生化学反应，体积膨胀同样会造成混凝土破坏。化学介质对混凝土的侵蚀，表现在有些化学物质侵入造成混凝土中一些成分被溶解，流失，引起裂缝，孔隙，松散破碎；有些化学物质与侵入混凝土中的一些成分反应生成体积膨胀的物质，引起混凝土结构破坏。如酸、碱溶液直接接触混凝土时将产生严重的腐蚀；海港及海堤混凝土结构中钢筋锈蚀严重；大气中的酸雨则大面积地影响着工程结构的耐久性。对此，应根据实际情况，采取相应的技术措施，防止或减少对混凝土结构的侵蚀。
5.冻融破坏 混凝土的抗冻性与其孔结构密切相关，混凝土孔隙率和孔径分布，决定了孔溶液的冰点和结冰量。结冰的孔溶液量越多，混凝土内部所受到的静水压力越大，混凝土遭受的冻害越严重。混凝土水化结硬后，内部有很多毛细胞。低温时水分因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。
6．机械和生物作用 反复的机械作用（磨损、冲刷等）会削弱混凝土结构，天长日久以后因损伤积累而影响抗力。其余如冲撞，碰击等也会影响混凝土结构，生物的腐蚀作用也不能忽视。苔藓及攀附生物对混凝土的损伤常见于城市排污工程及海洋工程,由于这些生物根系对混凝土构件渗透会在构件体内形成空隙，同时其分泌的化学物质可能也会对混凝土及其内部的钢筋产生腐蚀。
二、在设计中对混凝土耐久性的考虑
我们设计的建筑物除了要满足承载能力要求，还应有足够的耐久性，满足长期使用的要求。为此，我们通过如下几个方面的措施来实现。
1.耐久性材料的选择：
(1)根据使用环境条件、设计使用年限和耐久性等级的要求，并结合现行《混凝土结构设计规范》选择合适的混凝土原材料和配合比，并选用不同强度等级的混凝土、水灰比和水泥用量。
(2) 对用于冻融环境下的混凝土，可根据平均冻融次数的不同，掺入不同数量的引气剂，占水泥重量的4.5%-7%。
(3) 对有氯盐侵蚀的环境(海岸周围或使用除冰盐时)要控制混凝土中的氯离子含量，应 0. 1%的水泥重量。
(4) 有严重化学侵蚀作用的环境，受力钢筋可考虑采用环氧涂层钢筋或耐腐蚀的合金钢材。
2. 结构构造设计：
(1)要区别普通混凝土和预应力混凝土，分别针对不同的侵蚀环境和设计使用年限，取用不同的混凝上保护层厚度，少则20mm，多则70mm。
(2) 构件处于可能遭受严重锈蚀环境时，应控制受力钢筋最小直径为16mm。
(3)合理地选择结构构件截面的几何形状，使其不能形成侵蚀性物质的停留区，构件的截面积与表面积应具有适当的比例。
(4) 室外构件宜设滴水沟，防止雨水从构件侧面流向底面。
(5)混凝土墙板在侵蚀环境中承受温度和湿度作用时，应注意通风，避免过高的局部潮湿和水气聚积。
(6)用离心法制作的混凝土结构构件可达到有效的密实度，用于架空输电线路的离心法混凝土电杆，在严寒气候条件下具有较高的抗蚀性。
(7) 混凝土构件的配筋布置要保证足够钢筋间距，避免保护层不足引起钢筋过早锈蚀或混凝土保护层剥落。
(8) 构件的设计应避免出现过大裂缝，在荷载作用下，混凝土表面裂缝计算宽度 0.2mm，对有氯离子侵蚀的环境和预应力混凝土构件，其宽度 0.1mm。
(9)构件中的应力状态和大小，在很大程度上会影响混凝土的渗透性及其与活性介质相互作用的速度，在弹性应变范围内，材料的受压和受拉都会引起结构的孔隙、毛细管和裂缝发生可逆变化，在弹塑性区也影响材料的显微结构和多孔结构，所以要加强混凝土的密实性。在任何情况下，张拉都会加大混凝土的渗透性，降低其抗腐蚀性。
2.裂缝宽度的限制：
(1) 现行《混凝土结构设计规范》给出不同环境类别下裂缝宽度限制值，如裂缝控制等级为三级(允许出现裂缝构件)的最大裂缝宽度限值，室内正常环境下的受弯构件，最大裂缝宽度可放宽到0.4mm，对处于露天干湿交替环境下的构件，允许的裂缝宽度可放宽到0.2mm，对处于氯离子侵蚀环境下的钢筋混凝土构件，建议裂缝宽度 0.1 mm。
(2)对一类环境下的预应力混凝土屋面梁、托梁、屋架、托架、屋面板和楼板，应按二类裂缝控制等级进行验算，在一类和二类环境下，对需作疲劳验算的预应力混凝土吊车梁，应按一级裂缝控制等级进行验算。
3.混凝土构件表面外涂保护层
通过在混凝土结构构件表面涂刷或喷刷防腐层能防止腐蚀介质侵入到钢筋表面, 从而避免钢筋生锈。表面涂防腐层对于新建混凝土建筑物是比较可靠耐久的。但是对于使用中的建筑物, 尤其是港口建筑物中最易腐蚀的部位―浪溅区段, 此段经常处于潮湿阶段, 构件含水量极高, 表面孳生了大量的海生物。这对防腐涂料提出了很高的要求: 即要有良好的封闭性能, 又要有在潮湿状态下的强大粘结能力, 还要价格低, 易于施工。满足上述要求的防腐涂料将极大的改善使用中的港口建筑物的防腐能力。目前常用的防腐涂料有聚合物水泥砂浆、环氧树脂等。
结语：混凝土结构的设计寿命要求一般为40至50年，有的要求上百年。而现实中，处于腐蚀环境中的混凝土远远达不到设计寿命要求，有的在15、20年就出现了钢筋锈蚀破坏，甚至不足五年就开始修复。此方面的花费是惊人的，已经是一个重大经济问题。因此，提高混凝土结构耐久性的意义是不言而喻的。提高混凝土结构耐久性，只要是通过合理设计与施工，从而最大限度地提高混凝土本身的耐久性
参考文献
[ 1] GB50204- 2002,混凝土结构工程施工质量验收规范.
[ 2] CECS01:2004.混凝土结构耐久性设计与施工指南.
[ 3] GB 50010-2010.混凝土结构设计规范
[ 4] GB 50108-2008，地下工程防水技术规范