略談地下混凝土結構耐久性設計

【摘 要】 在我國改革開放以來，國內經濟實力得到了穩步提高，大力促進了我國新增基礎設施工程的建設，在此前提下筆者略談一下地下混凝土結構耐久性設計。本文就是根據地下環境中三個主要侵蝕物質（CO2（二氧化碳）侵蝕、SO42-（硫酸根）侵蝕 、Cl-（氯離子）侵蝕）對混凝土侵蝕，來分析地下混凝土結構耐久性設計的必要性，同時給出相關地下混凝土耐久性改善措施，包括混凝土抗滲性提高、鋼筋腐蝕的抑制、混凝土耐久性的環境設計。

【關鍵詞】 混凝土結構；耐久性；設計；侵蝕物質；改善措施

1 前言

作為目前用量最大，效果最好的建筑用料，混凝土已經成為建筑中不可或缺的材料之一。其最大的特點就是耐久性，但是在特殊的情況或者環境下也會出現混凝土結構的破壞，這些特殊情況包含：水泥、骨料選擇不當、水中含有大量的鹽或者糖分。因此混凝土的耐久性設計成為建筑施工過程中重要的標準性設計。特別是在《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中關于混凝土的耐久性做出了更為全面的闡述，闡述如下：為保持結構和構件能夠一直維持原有的耐久性，且不受其他材料性能劣化的影響下所實現的耐久設計。在此筆者根據對混凝土結構耐久性設計的研究和《指南》的指導下略談地下混凝土結構耐久性設計。

2 地下混凝土耐久性分析

2.1 地下環境對混凝土的侵蝕

對地下混凝土的侵蝕起主要作用的是土壤和地下水，這個侵蝕的過程可以看成微觀的化學侵蝕影響到宏觀的物理變化。侵蝕物質例如二氧化碳、硫酸根、氯離子的侵蝕很容易引起混凝土中液相石灰濃度的降低，這種情形下引起石灰濃度降低，為了補充就需要固相游離石灰的溶解，但是侵蝕的過程是持續的，因此在補充過程中固相石灰易被耗光，當固相石灰被耗光時，液相石灰不再能夠得到補充，這時液相石灰濃度就會達到某種水化產物的極限值，從而出現高鈣到低鈣的轉變。在這種情形下，如果混凝土所處的地下環境有充足的酸性介質，那么在酸性介質的作用下使得石灰濃度進一步降低，混凝土中水化物如硅酸鈣、鋁酸鈣將會被分解。分解轉化的物質就是硅膠和鋁膠。還有另外一種情況的侵蝕就是由混凝土內的孔隙滲入進來的侵蝕物質對混凝土內部鋼筋表面進行侵蝕，鋼筋被侵蝕就會出現承載能力下降、體積膨脹，膨脹就會導致混凝土出現裂縫，這樣又為侵蝕提供了通道形成惡性循環。下面我們主要討論一下二氧化碳、硫酸根、氯離子的侵蝕機理。

2.1.1 CO2（二氧化碳）侵蝕

普通水泥的熟料的主要成分為：硅酸三鈣、硅酸四鈣、鐵鋁酸四鈣、鋁酸三鈣，而上述成分一旦經水化生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣后就變成了碳化物質。二氧化碳主要存在外部環境中，這種氣體通過混凝土縫隙擴散至混凝土內部，同時，擴散至縫隙中的二氧化碳和氫氧化鈣發生化學反應生成碳酸鈣，而水化硅酸鈣也與二氧化碳發生化學反應，具體化學反應公式如下：

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O（1）

（3CaO·2SiO2·3H2O）+3CO2→（3CaCO3·2SiO2·3H2O） （2）

這種碳化反應造成的后果是混凝土孔隙率降低、因此阻礙了二氧化碳后續擴散，而孔隙水中的氫氧化鈣濃度和酸堿度值下降，導致鋼筋容易腐蝕。

2.1.2 SO42-（硫酸根）侵蝕

硫酸根的侵蝕表現在硫酸根和水泥石組形成化學反應，反應的產物是石膏和鈣礬石。其中轉變成的石膏和鈣礬石均比之前的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的體積大的多，所以形成了水泥石的膨脹變壞。

2.1.3 Cl-（氯離子）侵蝕

氯離子的侵蝕是分步進行，從鈍化膜破壞到腐蝕電池的形成，再到去極化和導電作用形成了氯離子的整個侵蝕過程。侵蝕過程中形成的氯化物還有提高混凝土吸濕性的作用，為腐蝕電池的形成提供了通道。

上述三種侵蝕物質為土壤和地下水中主要的侵蝕物質，通常由于人們沒有深入的了解三種侵蝕物質的侵蝕機理，特別是研究中常常吧三種侵蝕物質獨立分析是不正確的，三種物質的侵蝕是相互作用的，而且三者的侵蝕過程中相互影響較為復雜，物理現象和化學想象的大量體現，因此在研究地下混凝土結構耐久性設計的時候對三個侵蝕物質的研究尤為重要。

2.2 地下混凝土結構耐久性設計的必要性

現如今我國的基礎設施工程建設在大力推廣，與之相對應的是大部分發達國家大約一半左右的基礎建設資金用來維護，而另外一半用來投資新增建筑，因此現在我國的新增建筑在未來幾十年內就要面臨維護，那么為了增加新增建筑的使用年限，結構的耐久性被日益的受到重視，特別是在混凝土從大面積應用至今常常出現結構的耐久性沒有達到要求導致建筑物提前失效。在我國南方空氣潮濕，土壤基本為酸性土壤，在這種情況下南方的建筑地下混凝土部分的耐久性面臨的腐蝕、侵蝕問題更加嚴重。特別是“五倍定律”的提出，具體內容即建筑設計施工階段對混凝土、鋼筋的防護措施節省1美元，那么日后的發現混凝土、鋼筋出現問題進行維護的費用要多5美元，嚴重破壞維修將多出125美元，特別是地下結構，其維修是面臨的條件較差，維修成本自然會更高。所以地下混凝土結構耐久性設計有重大的意義。

2.3 地下混凝土耐久性改善措施

上文中提到地下混凝土結構耐久性設計的必要性，那么這里我們略談一下嗲下混凝土耐久性改善辦法。

2.3.1 混凝土抗滲性提高

混凝土的滲透性的控制室結構耐久性的重要保障，因為滲透性可以控制侵蝕物質和水的傳輸速率，滲透性的提高，也就提升了混凝土的密實度。具體方法是降低水膠比例，控制在0.3一下，水泥用量控制在120kg之下，還有活性礦物摻合料的摻入，這種辦法效果最突出，即能保證滲透性還能夠提高混凝土的密實度，還降低了氧的擴散率，工業生產中建議使用。

2.3.2 鋼筋腐蝕的抑制

我們從上文中了解氯離子主要的侵蝕對象就是鋼筋，那么抑制氯離子對鋼筋的銹蝕是保證結構耐久性主要方法，具體措施有：混凝土密實度的提升、混凝土鋼筋保護層厚度的提升但是這種措施適用在混凝土自身的氯離子含量并不多的情況下，如果混凝土自身氯離子含量較多則最有效的措施是，摻入鋼筋阻銹劑，這種物質可以使彌補鋼筋表面缺陷，穩定氧化物鈍化膜，通過鈍化膜有效的保護鋼筋被銹蝕。

2.3.3 混凝土耐久性的環境設計

混凝土的耐久性設計要根據不同的地下環境進行相應的改變，例如火車的鋼軌設計，在中原地帶和青藏高原地帶的耐久性設計就要不同。通過對環境探測，收集施工當地的歷年環境氣象資料統計分析出混凝土耐久性設計需要達到什么等級，以及在建筑中建筑公司在設計施工前對這項施工工程的重要目的，以安全性為主還是以耐久性為主，作為設計單位均要詳細的考慮，耐久性設計達標后還要根據結構抵抗環境作用，對設計的混凝土耐久性進行驗算。保證可靠。

3 結語

作為本文主要研究課題，地下混凝土的被侵蝕、劣化的過程的主要特征是：隱蔽、漸進、維護困難、耐久性要求高等，特別是在地下混凝土結構中部分鋼筋的銹蝕難以發現，即使在監測的過程中也難以發現，當銹蝕跡象足夠以發現的時候那么混凝土結構中的鋼筋部分被銹蝕的程度就已經嚴重了。在這種情況下相關的監測人員和技術人員在探究地下混凝土劣化過程中不僅僅要根據檢測結果進行判定，還需要相關人員的多年經驗和多年的研究，才能在第一時間發現鋼筋的銹蝕，和混凝土結構的劣化。從而保證建筑的耐久性，和維修的方便性。

總而言之，地下混凝土結構耐久性的設計直接關系到整個工程的耐久性和使用年限，這個問題已經成為工程建設設計施工所面臨的重要問題，特別是我國在發展的高速時期，對工程的耐久性的研究認識還不是很到位，這樣正好與社會主義現代化建設的和諧社會建設是相悖的。因此，相關人員應加深對地下混凝土結構耐久性的研究，通過理論和實踐的結合，來提升地下混凝土結構的耐久性。

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