鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計分析

張翼

【摘 要】大部分民用建筑與工業(yè)建筑工程均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，究其原因主要看中該結(jié)構(gòu)的耐久與穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑的長久安全，可見無論從研究層面還是從施工角度，尋求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有利于建筑行業(yè)發(fā)展進(jìn)步，有利于促進(jìn)人類社會發(fā)展。由于自然環(huán)境變化與人為破壞等因素，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性面臨考驗(yàn)，加之新舊耐久性設(shè)計規(guī)范的出臺，考量標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化。文章首先對新舊混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范做簡單闡述，接著分析影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性代表因素，最后對提升結(jié)構(gòu)耐久性給出策略建議，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有價值的參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性設(shè)計；分析

前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通過科學(xué)合理的利用鋼筋優(yōu)勢與混凝土特點(diǎn)，提升建筑的剛度、強(qiáng)度、防火與耐久性，一直以來廣為民用建筑、工業(yè)建筑工程等應(yīng)用。在建筑設(shè)計中，通過考察實(shí)地環(huán)境，考慮建筑應(yīng)承受的重量及相關(guān)構(gòu)件應(yīng)達(dá)到的狀態(tài)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)做調(diào)整，盡管如此由于自然環(huán)境的不斷變化，結(jié)構(gòu)材料的老化及人為破壞等，建筑物的實(shí)際壽命不及預(yù)期，由于耐久性不足，很大程度上形成一定的資源浪費(fèi)、追加成本等，隨著新混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范的出臺，舊有的設(shè)計發(fā)生變化，這就要求我們更加重視鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，通過分析以科學(xué)的手段提升耐久性，促進(jìn)建筑長久為人們服務(wù)。

一、新舊混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范闡述

2002年我國在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中提到混凝土耐久性設(shè)計，2004年、2005年進(jìn)行了新的修訂，2007年中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性做出了進(jìn)一步評定標(biāo)準(zhǔn)，直到2008年《混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范》正式出臺，次年開始執(zhí)行，至此完成了新舊規(guī)范的過度，在建筑設(shè)計中，新標(biāo)準(zhǔn)開始指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，建筑行業(yè)進(jìn)入新階段。

從混凝土最低強(qiáng)度等級角度看，舊規(guī)范中規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)使用年限分別為50年、100年，而新規(guī)范針對混凝土最低強(qiáng)度等級中對結(jié)構(gòu)做了三個等級劃分，分別為30年、50年、100年。其中針對非凍融環(huán)境，新規(guī)范相對較高，除此之外，新規(guī)范不僅考慮到使用年限，還設(shè)計了改善抗凍性能等，更便于設(shè)計人員實(shí)際操作。

從混凝土裂縫寬度限值角度看，裂縫會對鋼筋腐蝕造成影響，裂縫寬度越大越會加深腐蝕。依據(jù)舊規(guī)范來看，對裂縫的計算要大于國內(nèi)外其他規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，且對于裂縫寬度過分苛刻，新規(guī)范出臺后，對裂縫寬度作出調(diào)整，相對舊規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值也相對寬松些。值得一提的是，提升混凝土保護(hù)厚度會提升裂縫寬度值，但相對抑制構(gòu)件銹蝕較為有利，新規(guī)定中針對預(yù)應(yīng)力A類根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)自有計算裂縫寬度的方法，通常不考慮保護(hù)層厚度對裂縫寬度產(chǎn)生的影響。

從鋼筋保護(hù)層厚度角度看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計會著重考慮保護(hù)層厚度，舊規(guī)范中提到混凝土保護(hù)層通常根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)來判斷，盡管有理論支持，但實(shí)際考量卻很少。新規(guī)范中，比照了大量優(yōu)劣工程現(xiàn)狀及相關(guān)調(diào)查結(jié)果，加之建模核查，對于厚度的規(guī)定數(shù)值更高了，通過對使用年限的考量，對結(jié)構(gòu)部件的調(diào)整，舊規(guī)范中的“殼”改成了面形結(jié)構(gòu)，從幾何的角度解析歸類構(gòu)建，更有利于實(shí)際操作。

從氯離子、三氧化硫、堿含量限值的角度看，以最大使用年限為50年的級別來看，舊規(guī)范二類A中氯離子含量要低于3%，堿低3%，二類B中氯離子要低于2%，堿低于3%，對最大使用年限為100年的規(guī)定相對模糊，只提到了采取有效措施，且沒有對三氧化硫含量做規(guī)劃。新規(guī)范中提到二類A中氯離子含量低于0.08%，三氧化硫最多低于膠凝材料的4%，不同的環(huán)境含量會有所不同，尤其針對堿含量，在骨料無活性干燥環(huán)境中，堿含量低于3.5%，濕潤環(huán)境則小于3.0%，需要注意的是，骨料有活性的環(huán)境下，要嚴(yán)格控制堿含量，且要參雜些許礦物合料。

二、影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性因素

1.鋼筋銹蝕。引起鋼筋銹蝕的元素有很多，如混凝土保護(hù)層厚度、保護(hù)層密實(shí)度、材料構(gòu)成，相關(guān)礦物質(zhì)含量等，當(dāng)空氣中的二氧化碳、氯離子等相關(guān)有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部，引起內(nèi)部材料與堿性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，形成中和反應(yīng)，不斷降低結(jié)構(gòu)中的PH值，久而久之鋼筋鈍化膜遭到破壞，隨著氧氣與水參與反應(yīng)，鋼筋銹蝕開始。鋼筋銹蝕后鐵銹的體積不斷膨脹甚至達(dá)到原來的4倍，壓力大了，混凝土裂縫增大，導(dǎo)致更多的腐蝕物質(zhì)侵入通道，形成惡性循環(huán)，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。

2.凍融因素。外部環(huán)境對耐久性影響很大，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于冰點(diǎn)環(huán)境下的時候，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙中的水會凍成冰，體積逐漸膨脹，位置也會產(chǎn)生變化，形成更大的壓力，當(dāng)巨大的壓力超過混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度底線時，結(jié)構(gòu)勢必開裂，耐久性遭到破壞。

3.化學(xué)因素。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，一些化學(xué)變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性受到侵害。如混凝土碳化情況，這是一種常見現(xiàn)象，大氣中的二氧化碳始終圍繞著建筑物，混凝土中的氫氧化鈣會與之結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生碳酸鹽等物質(zhì)，降低了水泥的強(qiáng)堿性，這形成了混凝土的碳化，至此混凝土開始收縮，裂縫寬度不斷增大，損害建筑壽命；再如酸性腐蝕，當(dāng)雨水沖刷溶解水泥時，形成了一些氫氧化鋁等物質(zhì)，水泥石孔會增大，混凝土強(qiáng)度會降低，水中一些酸性物質(zhì)會加速混凝土侵蝕，結(jié)構(gòu)耐久性遭到嚴(yán)重破壞；再如硫酸鹽的破壞，鹽溶液與水泥中的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫鋁酸鈣及石膏等，體積增大，會不斷瓦解混凝土。

三、提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施

首先堅持耐久性設(shè)計原則。在做結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計師要明確耐久目標(biāo)，做好項(xiàng)目壽命預(yù)期，而且還要清楚相關(guān)結(jié)構(gòu)失效的標(biāo)準(zhǔn)，按照新規(guī)范將機(jī)構(gòu)設(shè)計使用年限劃分四類。盡管目前沒有對耐久性失效標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)范，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)研究結(jié)果顯示，耐久性遭損引起結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致建筑無法正常使用這是標(biāo)準(zhǔn)之一，再有鋼筋銹蝕，混凝土開裂也是標(biāo)準(zhǔn)之一，當(dāng)結(jié)構(gòu)承載能力到到極限，我們也會知道結(jié)構(gòu)耐久性基本失效。

其次做好材料選擇。在選擇材料時要參考項(xiàng)目實(shí)際環(huán)境條件，要達(dá)到的使用年限及相關(guān)預(yù)期的耐久性等，原材料配比，不同強(qiáng)度的混凝土的應(yīng)用相對重要；再有堅持按照要求達(dá)到鋼筋保護(hù)層厚度標(biāo)準(zhǔn)；在氯離子含量過多的情況下，要做好混凝土中氯含量的控制；在選擇鋼筋時，選擇抗腐蝕性強(qiáng)的很重要，且鋼筋間距要易于振搗；最后還要考慮截面那就行，計量延緩角區(qū)鋼筋腐蝕速度，提升保護(hù)層厚度，改變配筋形式。

再次做好劣化防范措施。在設(shè)計施工過程中，當(dāng)人員作業(yè)出疏漏或使用環(huán)境越來越惡劣導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性出現(xiàn)明顯惡化時，應(yīng)立刻采用補(bǔ)救措施，涂層是一種方法，即采用一些防護(hù)裝飾涂料刷覆在結(jié)構(gòu)面，還可以涂20mm的刷水泥砂漿，減少或組織空氣中有害物質(zhì)的侵入，減緩結(jié)構(gòu)中的鋼筋的銹蝕；還可以使用陰極防腐的方式，混凝土中的鹽度差別，鋼筋中存在電極差，鋼筋會銹蝕，這時我們可以在混凝土表面增加一層導(dǎo)電涂料，也可以鋪設(shè)導(dǎo)電材料，通過該方法將鋼筋陰極與整流電源正極連接，這樣新的電位差形成，進(jìn)而鋼筋的銹蝕得到控制。

四、結(jié)束語

鋼筋混凝土的耐久性設(shè)計對建筑物的壽命至關(guān)重要，通過我們對新舊規(guī)范的對比分析，挖掘影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素，并提出相關(guān)策略建議，即堅持耐久性設(shè)計原則、做好材料選擇、做好劣化防范措施等，通過分析研究拉動建筑行業(yè)發(fā)展進(jìn)步，促進(jìn)建筑壽命的提升，有質(zhì)量更安全的為社會服務(wù)。

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