混凝土結構耐久性設計的一些建議

張明友，李靜平

(唐山三友化工股份有限公司純堿公司，河北唐山 063305)

?

混凝土結構耐久性設計的一些建議

張明友，李靜平

(唐山三友化工股份有限公司純堿公司，河北唐山 063305)

為提高混凝土結構耐久性，作者就自己的實踐經驗，提出了樹立混凝土結構耐久性設計理念的必要性。從設計角度，提出了混凝土耐久性設計原則，指出了純堿公司裝置區主要工序混凝土結構的環境類別，最后給出了保證結構耐久性的一些建議。供同行借鑒參考。

混凝土；結構；耐久性；設計；建議

1 背 景

鋼筋混凝土結構由于自身優勢，在純堿公司裝置區建構筑物中被廣泛使用。由于生產工藝的特點，鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土結構的建構筑物處于不同程度的腐蝕環境中。長期的腐蝕環境使部分承重構件鋼筋銹蝕，甚者鋼筋腐蝕銹斷，脹裂混凝土，導致構件剛度、承載力嚴重下降，形成結構安全隱患，甚至加固后的一部分結構構件又出現了腐蝕破壞。結果是建構筑物結構尚未達到設計使用年限就被迫加固補強或拆除重建，同時給生產造成極大的威脅。

我公司屬于化工企業，生產的連續性使得建構筑物加固補強在邊生產、邊施工條件下進行。施工時間受限、施工操作空間受限，補強施工難度非常大。

嚴重的腐蝕破壞如得不到治理，就不能保證建構筑物結構的設計使用年限，將會制約企業的可持續性發展。治理建構筑物腐蝕，保證建構筑物的實際使用年限達到設計使用年限，建立完善的建構筑物管理制度以減少人為損壞，加強生產管理以減少腐蝕介質跑冒滴漏，加強日常管理以及時維修是非常必要的，而建構筑物結構加固補強、新建工程設計中，設計者做好耐久性設計是保證建構筑物結構達到使用年限的首要關口?；炷两Y構耐久性問題很復雜，作者從實踐經驗出發，對純堿公司裝置區混凝土結構的建構筑物耐久性設計提出自己的一些建議。

2 樹立建構筑物的耐久性設計理念

設計責任終身制，使結構設計者首先注重構件內力計算、剛度計算及承載力驗算、變形驗算，這無可非議，這在一般非腐蝕環境下對建構筑物結構的耐久性不會造成大的影響，但是一些設計者即使在有腐蝕的生產裝置區也不考慮混凝土結構的建構筑物耐久性設計，勢必造成建構筑物結構達不到設計使用年限。因此樹立結構的耐久性設計理念是非常必要的。純堿公司裝置區建構筑物的使用情況就說明了這一點。

純堿公司投產至今27年，近幾年，堿渣廢液輸送工序、鹽水工序、重堿工序、煅燒工序混凝土框架連年加固維修。二級泵站廢液前池到目前已新建2次，加固1次。新化鹽框架、建廠初期的老化鹽框架6年前雖然進行了一次加固，但是由于混凝土框架沒有依據Cl-離子腐蝕環境做相應的建筑防腐，大部分結構構件又出現了鋼筋生銹脹裂混凝土，結構已出現嚴重的安全隱患，導致繼續拆除重建或二次加固補強。重堿工序的蒸吸、碳化、濾過工段，煅燒工序的混凝土框架也存在著同樣的狀況。這與建構筑物結構未進行耐久性設計或耐久性設計不合理有著直接的關系。

而與新化鹽框架同期建設的儲鹽倉、卸鹽地槽同樣為鋼筋混凝土結構，經常處于嚴重的Cl-離子(氯化鈉)腐蝕環境中，由于混凝土結構做了耐久性設計，且合理，混凝土內表面做了環氧玻璃鋼防腐隔離層，使用21年來安然無樣。

3 耐久性設計原則

純堿公司混凝土框架的腐蝕現狀，已告誡我們設計者，腐蝕環境中的混凝土結構必須進行耐久性設計，否則，設計文件中的設計使用年限就是紙上談兵，一句空話。

依據《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008(以下簡稱《耐久性設計規范》)，結合我公司的腐蝕環境，混凝土結構的耐久性設計至少應包括：

1)給出混凝土結構的設計使用年限、環境類別及作用等級。

2)選擇有力于減輕環境作用的結構形式、布置和構造。

3)對混凝土結構材料提出耐久性質量要求。

4)給出鋼筋的混凝土保護層厚度。

5)通過計算，嚴格控制混凝土裂縫。

6)防排結合。采取防水、防腐蝕液體的構造措施；采取排水、排腐蝕液體的構造措施。

7)嚴重腐蝕環境作用下，合理采取防腐蝕附加措施或多重防護策略。

8)對施工提出施工養護制度、保護層厚度的質量要求。

9)對結構使用階段的維護、修理與檢測提出要求。

4 我公司的主要工序的環境類別

要想做好混凝土結構的耐久性設計，首先要依據耐久性設計原則，結合我公司生產工序的腐蝕環境特點，確定環境類別。例如：

4.1 堿渣廢液輸送工序

1)主要是廢液中Cl-離子侵入混凝土內部，到達鋼筋表面與鋼筋接觸，發生電化學腐蝕，引起鋼筋銹蝕而脹裂混凝土。據此環境類別應為氯化物環境Ⅳ類。

因此，堿渣廢液輸送工序環境類別為氯化物環境Ⅳ類及化學腐蝕環境Ⅴ類。

4.2 涼水塔

1)普通涼水塔

主要是反復凍融循環損傷混凝土，后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據此環境類別應為凍融環境Ⅱ類。

2)海水涼水塔

Michael Mauer:Apple公司的首席設計師Jonathan Ive就設計出一個完整的品牌世界，從產品到廣告，從商店到包裝。你我都知道，這一整套設計棒極了！

4.3 鹽水工序

4.4 重堿工序

4.5 其他工序

煅燒、成品工序主要是屋面、樓面、墻面隨意開鑿孔洞，屋面泛水施工質量不佳，防水層破壞，造成漏水漏液。雨水、生產沖洗水、蒸汽跑冒滴漏凝結水、檢修時泄漏水等積聚在存有堿塵地面上，形成碳酸鈉溶液，甚至人為用蒸汽、水清理廠房墻面、窗臺、地面上的堿塵或堿疤。堿溶液滲入混凝土后，反復凍融循環溶蝕損傷混凝土，后鋼筋銹蝕脹裂混凝土。據此環境類別應為凍融環境Ⅱ類。

作為設計者，當結構構件受到多種環境共同作用時，應綜合考慮作用等級進行耐久性設計。

5 耐久性設計的一些建議

5.1 各專業要加強溝通

5.2 依據腐蝕環境及作用等級做相應的建筑防腐

5.2.1 新化鹽棧橋、老化鹽棧橋、化鹽框架、儲鹽倉、海水涼水塔

這些混凝土結構綜合判斷為海洋氯化物環境為主，作用等級為非常嚴重腐蝕Ⅲ-E。類似建構筑物混凝土構件，依據《耐久性設計規范》第6.1.4條必須做防腐措施。

混凝土表面防腐做法建議采用環氧類玻璃鋼隔離層，其特點是耐酸耐堿。地面、樓面、踢腳、墻裙面層采用環氧類砂漿，有條件時可采用耐腐蝕花崗巖石板；梁、柱、頂棚隔離層上做耐紫外線防腐涂料兩道，以防止隔離層老化，同時也可起到裝飾效果。此做法為傳統施工工藝，工人操作熟練，經濟適用，市場上材料供應充足。

化鹽棧橋、化鹽框架及加固后的化鹽棧橋、化鹽框架，混凝土表面由于沒有做任何防腐隔離層，導致目前二次加固補強，設計、施工方案確定非常困難。

5.2.2 一、二、三級泵站的廢液前池

綜合判斷為氯化物環境為主, 作用等級為非常嚴重腐蝕Ⅳ-E, 類似建構筑物混凝土構件依據《耐久性設計規范》第6.1.4條必須做防腐措施。但不宜采用各種纖維類的玻璃鋼隔離層，也不宜采用強度較高的花崗巖、鑄石板等石板面層。實踐中發現，受高溫廢液沖刷，玻璃鋼、石板脫落進入廢液泵體內，纏繞打擊葉輪，導致葉輪損壞。防腐材料選擇上原則上要選擇耐溫、耐磨材料。堿渣廢液溫度85～95 ℃ ，防腐做法建議采用酚醛類材料(耐溫120 ℃)、乙烯基酯類材料(耐溫120 ℃)、雙酚A型不飽和聚酯類材料(耐溫100 ℃)，防腐構造為底漆、封閉膩子、面漆、稀撒細石英砂、抹相應的樹脂砂漿。

以前廢液前池混凝土開裂導致加固補強或重建，除了工程施工質量問題外，表面沒有防腐措施是一個主要原因。

5.2.3 重堿工序

綜合判斷為氯化物環境為主，作用等級應定為Ⅳ-D，從現場腐蝕現狀看，同樣應做防腐措施。防腐做法建議同5.2.1。由于蒸吸、碳化工段是敞開式框架，防腐隔離層表面刷耐紫外線防腐涂料是非常必要的。

原混凝土框架梁柱開裂，加固補強后又開裂。混凝土內銹蝕鋼筋未替換、混凝土外表面沒有做隔離層防腐是兩個主要原因。

5.3 結構布置

力求平面、剖面簡單，減少構件的暴露面積，盡量避免凹凸變化；盡量不選用懸挑結構，如必須選用宜采用懸挑梁板結構，不宜采用懸挑板結構。施工縫、變形縫避開環境不利的部位，否則采取有效構造措施。

如鹽水工序儲鹽倉，設計設置伸縮縫時就存在構造不合理問題。兩個框架柱凈寬即伸縮縫寬僅僅100 mm, 因施工無法操作，伸縮縫處的框架柱表面既沒有做抹面防腐，也未做隔離層防腐，樓層伸縮縫散落下的原鹽掉入框架柱之間的伸縮縫中，原鹽中的Cl-離子給兩側的框架柱造成了非常嚴重的腐蝕，鋼筋銹蝕甚者銹斷，混凝土爆裂，被迫加固。伸縮縫狹窄，加固補強后又要保證伸縮縫的伸縮功能，使得設計方案的確定和施工非常困難。伸縮縫兩側同一框架柱相鄰內側面，由于做了環氧類玻璃鋼隔離層，混凝土目前完好無損。

建議類似的非常嚴重腐蝕環境中，建筑結構的伸縮縫設置寬度應大于500 mm，為施工防腐隔離層、防腐抹面或加固提供可操作空間。

5.4 明確混凝土保護層厚度

《耐久性設計規范》2.1.18條明確規定，混凝土保護層指從混凝土表面到鋼筋(包括縱向鋼筋、箍筋和分布筋)公稱直徑外邊緣之間的最小距離；對后張法預應力筋，為套管或孔道外邊緣到混凝土表面的距離?！痘炷两Y構設計規范》GB50010-2010第2.1.18條明確規定，混凝土保護層是指結構構件中鋼筋外邊緣至構件表面范圍用于保護鋼筋的混凝土?；炷帘Ｗo層概念現行規范與舊規范有著本質的不同。據了解現在一些設計者及施工人員還是舊規范的概念，誤認為保護層厚度指的是主筋外邊緣至混凝土構件表面的距離。例如箍筋為φ10的混凝土柱，如果老規范保護層為30 mm，按現行規范保護層為20 mm,就鋼筋混凝土一般環境下，都不滿足現行規范的的構造要求。我們時常發現梁柱箍筋、縱筋在混凝土表面對應位置上呈現紅褐色的條狀銹斑，沿銹斑混凝土開裂。這與設計或施工原因導致的保護層厚度偏小有著直接關系。

混凝土的保護層厚度直接影響構件的耐久性，因此設計者要給以重視，要根據不同的腐蝕環境作用等級，依據《耐久性設計規范》嚴格確定保護層厚度。

5.5 設計時，嚴格控制混凝土裂縫

腐蝕環境下，混凝土構件如在正常使用時受拉區就出現裂縫，腐蝕介質就可暢通無阻到達鋼筋表面，無疑加快了混凝土構件的破壞，耐久性也就無從談起。因此，構件設計不僅要滿足承載力要求，還必須依據腐蝕環境下作用等級，控制混凝土裂縫。

儲鹽、化鹽、海水涼水塔直接接觸海水氯離子的類似建構筑物的構件，建議按“嚴格要求不出現裂縫控制”，即荷載標準組合計算時，構件受拉區混凝土不產生拉應力。蒸吸、碳化、固定銨工段類似建構筑物的構件，建議按“一般要求不出現裂縫控制”，即荷載標準組合計算時，構件受拉區混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度標準值。

5.6 排水、排液

屋面樓面要減少開洞，必須開洞時，洞口周圍應向上、下做反沿，防止雨水、雪水、腐蝕液體流到板底腐蝕梁板柱。

樓地面要做排液坡度，減少液體在樓地面上的滯留時間。如果生產特點，樓面不可避免地積聚腐蝕液體時，應設置獨立的排液系統。

5.7 設計中，對混凝土結構材料的耐久性提出質量要求

如最大水膠比、最低混凝土強度等級、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量，粗骨料細骨料的巖類及最大含泥量等。它們直接影響著混凝土的結構耐久性。腐蝕等級作用越嚴重，要求最大水膠比、水泥最大Cl-離子含量、水泥最大堿含量就越低，要求最低混凝土強度等級就越高。

如儲鹽、化鹽、海水涼水塔、重堿工序類似建筑結構即使有防腐隔離層，混凝土強度等級也不宜低于C40。

6 結 語

混凝土結構應做好耐久性設計，尤其是腐蝕環境作用等級較高的混凝土結構，必須做好耐久性設計。依據腐蝕介質、機理的不同，采取針對性的建筑防腐構造?；炷涟l生微小裂縫時，說明鋼筋已經銹蝕，此時做建筑防腐為時已晚，建筑防腐應與混凝土結構同時設計，同時施工，同時投入使用，將得到事半功倍的作用，才能從設計本質上保證混凝土結構的使用年限。

[1] 混凝土結構耐久性設計規范GB/T50476-2008[S]

TU276

C

1005-8370(2016)04-07-04

2016-06-06

張明友，1986年畢業于河北建筑工程學院，工民建專業，本科學士。土建高級工程師，國家二級注冊建筑師，現任唐山三友化工股份有限公司純堿公司二級專家，30年來一直從事工程施工管理、項目建設、土建專業設計工作。