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钢筋混凝土结构设计的耐久性探析

混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、道路与桥梁工程、港口与水利工程等各种工程结构中。长期以来，人们认为混凝土结构是一种耐久性能良好的建筑材料，而事实上混凝土结构在长期自然环境和使用条件下会逐渐老化丧失耐久性能。影响了结构物的使用功能和安全。一、混凝土结构耐久性定义这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素(1)环境：结构处于某一特定环境(包括自然环境、使用环境)中，并受其侵蚀作用：(2)功能：结构的耐久性是一个结构多种功能(安全功能、适用性等)与使用时间相关联的多维函数；(3)经济：结构在正常使用过程(即设计要求的自然物理剩余寿命)中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用．根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验．可将混凝土结构的工作环境分成6大类：(大气环境；②土壤环境；③海洋环境；(受环境水影响的环境；(化学物质侵蚀环境；(特殊工作环境。同时．结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。二、影响混凝土结构耐久性的主要因素(1)混凝土的碳化。混凝土碳化又称为混凝土的中性化,几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中,混凝土碳化本身对混凝土并无破坏作用。其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜(钝化膜)遭到破坏,在一定条件下使钢筋产生锈蚀。(2)混凝土碱集料反应。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂,集料中活性材料主要是SiO2、硅胶盐、碳酸盐等。混凝土碱集料反应中碱与SiO2反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅胶盐等凝胶遇水膨胀,将在混凝土内部产生很大的膨胀应力,引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布,故裂缝首先在混凝土表面乱向、大量产生,随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速下降。引起碱集料反应的3个条件中有2个来自混凝土内部本身,即混凝土凝胶中碱性物质、集料中有活性骨料(如含SiO2的骨料),第三个条件是外部的即水分,干燥条件下碱骨料反应难以发生。(3)混凝土的冻融破坏。硬化后的混凝土内部有较多毛细孔,在潮湿、浸水条件下毛细孔处于饱水状态,此时混凝土负温受冻时其内部毛细孔中处于游离状态的水结冰,产生体积膨胀,另外毛细孔中处于过冷状态水分也将向毛细孔中冰的界面渗透而在毛细孔中产生渗透压力,毛细孔中膨胀压力和渗透压力共同作用下混凝土内部将产生裂缝和损伤,多次反复损伤积累至一定程度时将引起结构破坏。(4)侵蚀性介质的腐蚀。化学介质,如硫酸盐、海水、腐殖质(呈酸性)、泥炭土存在的碳酸等都可能对混凝土产生腐蚀。(5)机械磨损。不少混凝土结构在使用过程中不可避免地要经常性承受各种机械磨损,如建筑工程中楼地面、楼梯,路桥工程中路面、桥面,水工建筑物中溢洪道、消能结构、有压输水管等混凝土结构在使用中都将承受人群、车辆、高速水流等引起的机械磨损。(6)钢筋锈蚀。钢筋锈蚀是混凝土结构最常见的耐久性问题,它一般是电化学腐蚀。电化反应必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和CL-。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素。CL-离子侵入(如用海浇混凝土,环境CL-渗入等)也可使钢筋表面钝化膜迅速脱钝。根据钢筋锈蚀区的分布可将钢筋锈蚀分为两类:①裂缝处的锈蚀:构件混凝土表面可能由于荷载作用、沉降引起变形,产生结构性裂缝,也可因干缩、温度应力、碳化、碱骨料反应等因素产生非结构性裂缝。当在裂缝处存在水、氧、CL-侵入时,会使钢筋在裂缝附近产生锈蚀。②普遍蚀锈:当混凝土碳化到钢筋表面时,一旦存在水、氧、CL-等条件时首先在裂缝处出现钢筋坑蚀,进而发展为环蚀,环蚀向周围扩展成成片的普遍锈蚀,成片的锈蚀由于体积膨胀使混凝土沿保护层发生纵向裂缝,从普遍锈蚀发展过程可看出其特点是“先锈后裂”。其他因素。混凝土结构耐久性问题具有“复杂性”,除以上主要因素外,长期处于自然环境中的混凝土结构还将受到各种有害因素甚至严重偶然因素的影响,如持续超高气温、生物腐蚀、风沙等等。三、提高混凝土结构耐久性的技术措施（一）改进结构构件的设计(1)要有足够的钢筋保护层厚度《混凝土设计规范GB50010-2022》提出如果混凝土实际保护层比要求的减少一半,碳化或氯离子侵入钢筋表面的时间就会提前3/4。CEP-FIP模式规范按暴露条件、构件类别及混凝土强度等级,规定了不同保护层厚度,如一般构件,混凝土为C25～C30时,保护层不小于40mm,基础混凝土等级≦C25的应再加5mm.考虑碳化速