混凝土結(jié)構(gòu)耐久性控制措施及壽命預測

楊海鳴

混凝土結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式,由于混凝土結(jié)構(gòu)材料自身和使用環(huán)境的特點,使混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在耐久性問題。由于對耐久性重視不足,使工程事故率和在役建筑維修費用不斷增加。

本文將對引起混凝土耐久性不足的原因進行分析,然后從施工質(zhì)量管理和施工技術管理兩個角度對提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的具體措施進行探討。

1 影響混凝土耐久性結(jié)構(gòu)的主要因素

1.1 混凝土的損傷

1.1.1 混凝土的碳化

混凝土的碳化是指大氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生化學反應,生成中性的碳酸鹽(CaCO3),為使混凝土表面接觸CO2濃度小,需要在混凝土表面涂抹氣密性好的飾面材料,使碳酸氣滲進混凝土的數(shù)量減少,以提高混凝土的抗碳化性能。

1.1.2 堿—集料反應

堿—集料反應是指混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生的反應。控制堿—集料反應可采用低堿水泥或用非活性集料,使用摻合劑降低混凝土的堿性,改善混凝土結(jié)構(gòu)的施工和使用條件都可以減少堿—集料反應對混凝土的破壞。

1.1.3 凍融循環(huán)

由于混凝土是多孔隙的復合材料,外部的水分可以通過毛細作用進入這些孔隙。孔隙內(nèi)充滿水時,結(jié)冰產(chǎn)生內(nèi)應力。冰融化時,可能使得孔壁內(nèi)產(chǎn)生拉應力,當其大于混凝土的極限抗拉強度時,即可以產(chǎn)生微裂縫,持續(xù)凍融的結(jié)果使混凝土開裂,甚至崩裂。避免采用吸水率較高的集料,加強排水,以免混凝土結(jié)構(gòu)中水飽和,對混凝土的耐久性是有利的。

1.1.4 外界環(huán)境對混凝土的侵蝕

主要包括:軟水的侵蝕、鹽類侵蝕、酸類侵蝕和強堿侵蝕。

1.2 鋼筋的損傷

1.2.1 鋼筋銹蝕

因為混凝土呈強堿性,混凝土內(nèi)的鋼筋會在表面形成一層致密的氧化膜,使鋼筋處于鈍化狀態(tài)不被腐蝕。通常,這層氧化鐵薄膜的破壞主要有兩個原因:1)混凝土碳化,使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護層的pH值降低,進而破壞氧化鐵薄膜;2)因為氯離子與氧離子的作用而破壞氧化鐵薄膜,造成鋼筋的銹蝕。

1.2.2 預應力鋼筋的應力腐蝕

應力腐蝕是指金屬和合金在腐蝕介質(zhì)和拉應力的同時作用下引起的金屬破裂。應該注意的是當預應力鋼絲發(fā)生銹蝕時,并不像非預應力混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕會在表面產(chǎn)生銹斑,引起混凝土保護層的剝落、層裂等外在現(xiàn)象,而極有可能在無任何預兆的情況下導致結(jié)構(gòu)的突然破壞,更加加劇了危險,因此加強預應力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究就顯得極為重要。

1.2.3 裂縫對鋼筋腐蝕影響

無論對預應力混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說,裂縫及其寬度對受力鋼筋腐蝕都有影響,寬度不同,其影響程度不同。裂縫對受力鋼筋腐蝕的影響,還應該考慮受力鋼筋對腐蝕的敏感程度。在相同的使用期內(nèi),其腐蝕速率接受標準也應有所不同。

2 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施

2.1 施工質(zhì)量管理

質(zhì)量管理系統(tǒng)不僅僅是質(zhì)量控制,更要注意質(zhì)量保證管理。在建造階段要保證所使用原材料的品質(zhì)符合產(chǎn)品標準和設計規(guī)定,不合格產(chǎn)品杜絕使用,對商品混凝土的配合比,坍落度應建立復核程序。對保護層厚度、細部構(gòu)造的檢查、鋼筋配置的核對、隱蔽工程的驗收,均應執(zhí)行工程監(jiān)理制度。及時糾正與規(guī)范、規(guī)程及設計不符的人為差錯和工作疏忽所造成的錯誤。

2.1.1 合理控制原材料質(zhì)量

1)水泥。水泥是混凝土中的活性組分,其強度的大小直接影響著混凝土強度的高低。由于混凝土的質(zhì)量驗收常以混凝土強度指標為單一衡量標準,從而導致水泥工業(yè)對水泥強度的不適當追求,促使水泥細度增加或早強礦物成分比例提高,而這些均會影響混凝土的抗裂性能,不利于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。因此,應根據(jù)工程特點或環(huán)境條件,合理選用水泥。

2)集料。細集料宜選用質(zhì)地堅硬、潔凈、級配良好的天然中、粗河砂,其質(zhì)量要求應符合普通混凝土用砂石標準中的規(guī)定。采用配級良好的粗砂或中砂,砂的空隙率及總表面積較小,不僅可減少水泥漿用量,還可提高混凝土的密實性和強度。

普通混凝土常用的粗骨料有卵石和碎石兩種,卵石表面光滑、空隙率及表面積較小,所拌制的混凝土水泥漿用量較少,和易性較好,但與水泥石的膠結(jié)力較差;碎石顆粒表面粗糙,多棱角,空隙率和表面積較大,所拌制的混凝土和易性較差,但碎石與水泥石粘結(jié)力較強,在水灰比相同的條件下比卵石更密實、堅硬。石子級配良好,可節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性。

3)外加劑。外加劑的摻入可增加混凝土拌合物的流動性,降低混凝土的用水量,減小水灰比,提高混凝土密實度,從而提高混凝土耐久性。幾乎各種混凝土都可以摻用外加劑,但必須根據(jù)水泥的屬性、工程的需要、施工條件和施工工藝等選擇適當?shù)耐饧觿?.1.2 合理控制配合比

用水量對混凝土拌合物的流動性起決定作用,在保證混凝土拌合物所需流動性的情況下,應盡可能降低用水量。用優(yōu)質(zhì)摻和料,比如在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰代替部分水泥,可以降低水泥用量,減小用水量,改善和易性,降低泌水率,減小干縮變形。通常粉煤灰可以代替約20%的水泥。摻用引氣劑、減水劑及引氣型減水劑,可以減小混凝土的凍融破壞。

2.1.3 充分振搗和養(yǎng)護混凝土

振搗時,為切實保證混凝土的密實性,可采取以下措施:1)選用合理的振搗方式。根據(jù)不同構(gòu)件選用不同的振搗器;2)振搗方法要求垂直插入、快插慢拔四不靠;3)掌握適宜的振搗時間。

實際工程中,混凝土的耐久性問題多數(shù)是由于施工養(yǎng)護不當造成的。認真做好混凝土養(yǎng)護工作對增強混凝土密實性防止干縮開裂至關重要。現(xiàn)澆混凝土在正常條件下通常采用自然養(yǎng)護。常用養(yǎng)護方法主要有:在混凝土表面鋪蓋濕的覆蓋物(如草袋等)、鋪蓋塑料薄膜,直接在混凝土表面噴灑水、使用養(yǎng)護劑形成保護膜等。

2.1.4 防止過早拆除模板和支撐

由于施工階段現(xiàn)澆混凝土強度低于28 d強度,結(jié)構(gòu)所承受的施工荷載可能會超過正常使用階段設計值,為此,施工時要審慎確定拆除支撐(支架)的時間,必須確保承擔上部正在澆筑的結(jié)構(gòu)混凝土自重及其有關模板荷載的混凝土達到足夠強度,并不產(chǎn)生過大變形,以避免出現(xiàn)裂縫影響正常使用和耐久性。

2.1.5 確保混凝土保護層厚度

混凝土結(jié)構(gòu)中,從混凝土表面到鋼筋外邊緣之間的最小距離稱為鋼筋的混凝土保護層。它的厚度、質(zhì)量對構(gòu)件的受力性能、耐久性及耐火性能等具有很大影響,合理設置保護層對結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命有重要意義。

2.2 施工技術管理

應當選擇有利于減輕環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)作用的結(jié)構(gòu)選型、布置和構(gòu)造,以避免水、汽和有害物質(zhì)在構(gòu)件表面的積聚,并能夠及時排除。

混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件宜整體澆筑,不宜留施工縫。當必須有施工縫時,應優(yōu)化結(jié)構(gòu)及鋼筋布置,以控制和限制裂縫的寬度盡量避免不利的環(huán)境作用。

拌合的混凝土應盡快入模,應以適當?shù)乃俣葷仓炷?混凝土自由下落的高度不宜大于1.5 m。混凝土應充分振搗;分層澆筑時,連接部位的混凝土應重點振搗。混凝土材料可適當加溫后攪拌,使混凝土保持適當?shù)挠不瘻囟取?/p>

積極引進先進技術,如使用滲透可控模板墊料等。

3 混凝土結(jié)構(gòu)剩余服役壽命的預測

預測既有混凝土結(jié)構(gòu)的剩余服役壽命的方法通常包括以下的部分:

1)結(jié)構(gòu)體系可靠度。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度可表示為:

其中,β為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度;βi為主要承重構(gòu)件和次要構(gòu)件結(jié)構(gòu)可靠度;Ci為各構(gòu)件相對于主體結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)。

2)結(jié)構(gòu)失效模式的可靠度。以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組成為基礎,將混凝土結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混合體系。將結(jié)構(gòu)體系所具有的失效模式分成若干組,因為在每一組中失效模式間具有很高的相關性,所以再選取各組中失效概率最大的失效模式作為各組的代表,該代表模式稱為主要失效模式。然后再針對各不同體系給出相應的可靠度計算公式。

3)結(jié)構(gòu)安全可靠度的界限。根據(jù)相關研究成果,設定不同的荷載水平,相應于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標可靠指標屏,將荷載水平降低為目標可靠指標下降0.25的水平,以此作為人們可接受的可靠度界限。

4)剩余壽命的預測。基于結(jié)構(gòu)可靠度變化,服役了多年的既有結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預測可按以下步驟進行:a.通過現(xiàn)場調(diào)查與檢測,建立結(jié)構(gòu)抗力衰減模型和荷載效應計算模型。b.計算當前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應,并驗算當前結(jié)構(gòu)可靠度是否大于可靠度限值。c.通過實際情況,確定合理的失效模式,計算結(jié)構(gòu)的動態(tài)可靠度。d.當動態(tài)可靠度小于可靠度極限值時,所求結(jié)果即結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

4 結(jié)語

保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一個迫切的現(xiàn)實問題,引起混凝土耐久性的原因也各不相同,而提高耐久性的措施涉及到結(jié)構(gòu)暴露環(huán)境、結(jié)構(gòu)選材、施工養(yǎng)護和維護等多個方面,問題十分復雜,但目前如果能在實際施工中加強施工現(xiàn)場管理和提高施工技術質(zhì)量就可以最大限度地提高結(jié)構(gòu)的耐久性,并進一步提出了混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命的預測方法。

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