基于可靠性的混凝土結構耐久性設計方法探討

王建立

河南省郵政公司（450000）

0 引言

混凝土結構耐久性是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部因素的作用下，在設計要求的目標使用期內，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。現行規范主要考慮荷載作用下結構承載的安全性與使用性的要求,按照承載能力極限狀態來進行設計，以保證結構的安全。但較少考慮結構長期使用過程中，由于環境作用引起材料性能劣化對結構安全性與耐久性的影響[1]。

結構可靠性是結構在規定的時間內、在規定的條件下、完成預定功能的能力。但由于環境、材料、設計、施工、使用及養護方面未滿足規范的要求，不能保證設計所要求的可靠性；因此，在結構的設計使用年限內，基于可靠度基本理論，考慮抗力和荷載的隨機變化特性，將靜態的性能參數與動態的耐久性參數在設計中有機結合在一起，減少人為因素的影響，保證結構應有的安全性與耐久性，具有重要的社會價值和經濟效益[2]。

1 影響混凝土結構耐久性的因素

影響混凝土耐久性的因素很多，主要包括∶環境因素、材料因素、設計因素、施工因素等四個方面[3]。

1.1 環境因素

1）混凝土碳化

混凝土中堿性物質（Ca(OH)2）使混凝土內的鋼筋表明形成氧化膜，它能有效地保護鋼筋，防止鋼筋銹蝕。但由于大氣中的二氧化碳（CO2）與混凝土中的堿性物質發生反應，使混凝土的Ph值降低，這就是混凝土的碳化。考慮混凝土碳化的隨機性，在工程實踐中，國內外常用的碳化速率模型如式1所示∶

式中∶X 碳化深度；t∶碳化時間(結構服役時間)；K∶碳化系數，表示碳化的速度。

2）硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽對混凝土的化學腐蝕有兩種∶①與混凝土中的水化鋁酸鈣反應形成硫鋁酸鈣；②與混凝土中氫氧化鈣結合形成硫酸鈣；兩種反應均會造成體積膨脹，使混凝土開裂。硫酸鹽對混凝土的化學腐蝕過程一般較為緩慢，通常要持續很多年，地下水、土中的硫酸鹽可以滲入混凝土內部，并在一定條件下使得混凝土毛細孔隙水溶液中的硫酸鹽濃度不斷積累，當超過飽和濃度時就會析出鹽結晶而產生很大的壓力，導致混凝土開裂破壞，這一過程是純粹的物理作用。

3）氯離子腐蝕

由氯鹽引起的鋼筋銹蝕，是影響混凝土結構耐久性最主要的因素。通常情況下，影響氯離子擴散的因素主要為混凝土材料因素和環境因素。氯離子侵入混凝土主要有毛細管作用、滲透作用、擴散作用、電化學遷移等四種方式；氯離子在混凝土中的滲透過程被視為擴散過程,擴散模型沿用典型的Fick第二擴散定律來描述[4]，如式2所示。

式中，Ccl為氯離子濃度（%），一般以氯離子占水泥或混凝土重量百分比表示；t為時間（a），x為位置（cm），Dcl為擴散系數。

4）混凝土凍融破壞

混凝土的抗凍耐久性是指飽水混凝土抵抗凍融循環作用的性能。混凝土處于飽水狀態和凍融循環交替作用是發生混凝土凍融破壞的必要條件，因此，混凝土的凍融破壞一般發生于寒冷地區經常與水接觸的混凝土結構物，如水位變化區的海工、水工混凝土結構物、水池、發電站冷卻塔以及與水接觸部位的道路、建筑物勒腳、陽臺等。混凝土的抗凍性是混凝土耐久性中最重要的問題之一。

1.2 材料因素

1）堿骨料反應

混凝土原材料中的堿與骨料中的活性成份在混凝土澆筑成型后若干年逐漸反應，生成物吸水膨脹使混凝土產生內部應力，膨脹開裂。由于活性骨料經攪拌后大體在混凝土內部呈均勻分布，一旦發生堿骨料反應,混凝土內各部分均產生膨脹應力，使混凝土開裂。而混凝土的開裂往往又會加劇鋼筋的銹蝕、凍融破壞、碳化和侵蝕等腐蝕作用，導致混凝土結構耐久性的迅速下降，針對混凝土的堿骨料反應，目前尚無有效的阻止和修復方法，因此被稱為“混凝土的癌癥”。

1.3 設計因素

根據Fick第二擴散定理，氯離子擴散至鋼筋表面的時間與保護層厚度的平方成正比；而在碳化現象中，二氧化碳的擴散速度也與保護層厚度密切相關。保護層越厚，介質侵入到鋼筋表面的時間就越長。過多超量的水在混凝土結構內部留下了孔縫，從而大大降低了混凝土的密實度而增加了空隙率和滲透性，使混凝土容易受有害氣體和液體的侵蝕滲透，表面吸水率和滲透也增大，使抗滲能力下降幅度過大。

1.4 施工因素

施工因素（混凝土振搗和后期養護）對混凝土結構耐久性有較大影響，如在施工過程中振搗不密實，就會在混凝土中留下很多孔徑，從而減小混凝土的密實性，使混凝土結構更容易遭受凍融、酸堿侵蝕、碳化等。在后期養護中，如養護不及時，特別是大體積混凝土,由于混凝土的收縮開裂的因素，在混凝土表面產生收縮裂縫,從而使酸堿介質、CO2等更容易進入混凝土內部，使鋼筋銹蝕，體積膨脹，造成混凝土結構破壞。

2 基于可靠性的耐久性設計

2.1 耐久性極限狀態

混凝土結構或構件耐久性極限狀態應按正常使用下的適用性極限狀態考慮，且不應損害到結構承載能力和可修復要求。其耐久性極限狀態可分以下三種∶①鋼筋開始發生銹蝕的極限狀態；②鋼筋發生適量銹蝕的極限狀態；③混凝土表面發生輕微損傷的極限狀態。

2.2 基于可靠性的耐久性設計的計算模型

在基于可靠度的設計理論框架下，混凝土結構耐久性設計的目的∶結構在規定的工作環境中，在預定時期內，其材料性能的劣化不致導致結構出現不可接受的失效概率。可靠度模型考慮時間變化因素，是結構可靠度分析的動態模型。這種方法是直接計算不同時刻t的抗力效應R(t)與荷載效應S(t)的兩個隨機變量，用蒙特卡羅法求對應時刻功能函數Z(t)的可靠度,從而求出混凝土結構的動態可靠度變化。從理論上講,這種方法很適合混凝土結構的耐久性研究。從強度降低的計算、某一時刻抗力效應隨機變量計算、功能函數可靠度計算到最終回歸出動態可靠度函數，每個步驟都可使用計算機來實現[5]。

混凝土結構耐久性失效的功能函數隨機過程為∶

式中∶R(t)為結構抗力隨機過程；S(t)為結構荷載隨機過程。

其可靠度指標∶

式中∶UR(t)、US(t)分別是 R(t)、S(t)的平均值(t)、σ2S(t)分別是 R(t)、S(t)的標準差。

3 結語

1）由于影響混凝土結構耐久性的因素很多，難以達到定量設計的程度。GB/T 50476-2008[6]采用了宏觀控制的方法，根據結構設計使用年限和環境類別對結構混凝土提出相應的限制和要求，以保證其耐久性，為此，設計人員應結合已有的設計經驗和當地工程實踐認真的進行結構的耐久性設計。

2）混凝土結構的設計方法正在由強度設計向耐久性設計轉變的階段。目前，對混凝土結構耐久性的影響因素的研究僅局限于個別因素，應該結合工程實際，綜合考慮各種因素對混凝土結構耐久性的影響。耐久性設計應該以對不同的環境類別和條件進行分類，對不同設計使用年限的結構提出設計標準。

3）基于可靠性的耐久性設計考慮了抗力和荷載的隨機變化特性，將靜態的性能參數與動態的耐久性參數在設計中有機結合在一起，較好的符合結構損傷對服役壽命影響的變化規律，減少了人為因素的影響，對耐久性設計提供了一定的參考價值。

[1]陳肇元.土建結構工程的安全性與耐久性[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2]趙國藩,金偉良,貢金鑫.結構可靠度理論[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

[3]Mather Bryant.Concrete durabi1ity[J].Cement and Concrete Composites,2004,26(1):3～4.

[4]金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社,2002.

[5]翁玲.關于混凝土結構耐久性設計問題的討論[J].黃石高等專科學校學報,2002,18(4):12～14.

[6]GB/T 50476-2008,混凝土結構耐久性設計規范[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部,北京:中國建筑工業出版社,2008.