混凝土結構的安全性和耐久性探討

陳 越

（中國建筑第八工程局有限公司，上海200178）

20世紀90年代前尚未供應高性能和高強度混凝土時，50MPa以及更低的普通混凝土在混凝土工程中被廣泛使用。早期由于設計原因、施工不當、材料選擇等會導致混凝土結構發生早期劣化。在使用混凝土過程中，如酸雨、酸霧、酸性水、鹽等環境化學有害介質，通過單一和聯合作用而侵蝕混凝土結構。

如今環境污染已是世界難題，工程建設中自然水和污染水接觸，會導致混凝土結構的侵蝕和破壞。根據國家水利部對水利工程混凝土結構進行耐久性的調查和研究得出結論，100%的水壩存在裂縫和滲漏危害，68.7%有空化、侵蝕和磨損破壞，18.8%有凍融破壞，水質侵蝕發生率為2%，鋼筋腐蝕引起的銹蝕拉伸40.6%，其中海域鋼材腐蝕占87%以上。例如在安徽銅陵有色冶銅、化學提純和其他重金屬工業部門，大約60%的混凝土結構會受到腐蝕性介質的侵蝕，導致材料結構受到侵蝕。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

1999年，國內材料協會、國內建筑文獻協會、實驗室聯合會三家單位成立了混凝土使用年限預測委員會，該委員會致力于研究混凝土結構的安全性和耐久性問題，為延長混凝土結構的使用年限提供技術支持。早在1957年美國就成立了委員會（ACI1201），該委員會的成立歸功于美國混凝土學會，該委員會主要職責在于混凝土結構安全性和耐久性方面的學術研究。2001年，該委員會就曾提出了“已建混凝土結構耐久性評估”的報告，制定出該如何檢測試驗，以及詳細檢測試驗的步驟和方法。在1998年日本就組建團隊針對“建筑安全性和耐久性改進技術”進行專項施工方案，于2000年上報該方案的技術成果。早在1986年日本就制定并完善了“建筑耐久性設計和施工安全”規范。

1.2 國內研究現狀

在編制《混凝土結構設計規范》（GBJ10-89）時，我國規范組人員把主要精力放在了一個方面，那就是混凝土結構安全性和耐久性方面，八年之后，規范組人員對《混凝土結構設計規范》（GBJ10-89）進行修改和補充。在修改和補充過程中，將混凝土結構安全性和耐久性的設計方法和施工措施作為一個重點補充對象。國家級和省級也給予了混凝土安全性和耐久性研究提供資金支持，我國在“七五”科研項目和“八五”科研項目時間段內，建設部就曾提出關于混凝土結構的耐久性問題的解決辦法。“七五”科研項目主要改善在大氣環境下，混凝土結構的安全性和耐久性工程難題，這其中也包含了混凝土結構安全性和耐久性估量，以及混凝土結構的碳化和鋼筋混凝土結構內鋼筋銹蝕，影響碳化的因素主要是溫度、濕度等。

2 影響混凝土結構耐久性因素

2.1 混凝土結構耐久性

混凝土結構耐久性，可以歸結于混凝土結構對外界影響因素的抵抗能力，當外界環境影響混凝土結構的耐久性時，混凝土結構能維持自身性能，還能保持外觀的美感，進而使得混凝土結構的安全性和耐久性不受影響。影響混凝土結構安全性和耐久性的因素有內外兩大因素。內在因素是指混凝土結構對外部環境的自我修復能力，受混凝土結構的設計、骨料的選擇、選用何種類型的添加劑、鋼筋到混凝土結構最外層的厚度、選用鋼筋的鋼材質量、混凝土的水灰比、施工工藝等因素影響。外部因素是混凝土結構硬化時產生的物理變化和化學變化，包含循環凍融、化學反應產生的介質侵入和腐蝕、混凝土結構被磨損及其他方面原因，這些因素之間相互影響，對混凝土結構的安全性和耐久性構成危害。

2.2 水泥類材料的腐蝕

混凝土結構的腐蝕分類：一是以混凝土結構腐蝕介質為界限，將其分為硫酸鹽化合物對混凝土結構的腐蝕，沿海城市受海水腐蝕的混凝土結構、土壤中的微生物對混凝土結構的腐蝕等。二是以混凝土結構被腐蝕后的狀態，將其分為溶出型物質對混凝土結構的腐蝕、易分解型物質對混凝土結構的腐蝕、結晶型物質對混凝土結構的腐蝕、復合型物質對混凝土結構的腐蝕等。

2.3 鋼材的腐蝕

2.3.1 化學腐蝕

混凝土結構中的鋼與環境直接接觸而發生的腐蝕現象稱為化學腐蝕。這主要是因為混凝土結構中的鐵與空氣接觸發生化學反應，生成Fe2O3，從而被腐蝕。當空氣中水含量比較少，由于天氣干燥混凝土結構的化學腐蝕速率就會降低；當空氣中水分含量比較大或者氣溫比較高的情況下，混凝土結構腐蝕速率就會加快。混凝土結構的化學腐蝕還有其他原因，那就是空氣中的O2和具有腐蝕性化合物中的CO2或SO2的化學反應引起的混凝土結構腐蝕。

2.3.2 電化學腐蝕

鋼筋混凝土結構中的鋼在濕潤的空氣中和能夠導電的液體中，混凝土結構腐蝕會引起液體中電子游動，這種現象稱為電化學腐蝕。這主要是由于混凝土結構中不同金屬間的電位差異引起金屬溶解的后果。當CO2或硫化物氣體與鋼筋混凝土結構表面上的水反應時，生成有害膜，該膜的主要成分是電解質。鋼筋混凝土結構中的鋼是由鐵和碳制成的合金以及其他物質，這些物質之間相互作用生成了鋼。對于負極，由于電化學反應，具有碳化鐵作為正極的一次電池會生銹。

3 提高混凝土結構耐久性的建議

3.1 做好混凝土結構耐久性壽命預測

3.1.1 基于經驗的預測方法

這是對實驗室大量數據的歸納，以及現場施工人員長期以來工作經驗積累，包括經驗知識和推理、對耐力壽命的定量預測。目前，施工現場也多是用這種方法去推測混凝土結構的耐久性，認為遵循這種方法，混凝土結構就會具備現場需要的耐久性。如果混凝土結構的耐久性很長，當遇到混凝土結構使用條件比較復雜及從未經歷過的施工難題時，這種方法就解決不了問題。

3.1.2 數學模型的預測方法

利用數學模型預測混凝土結構使用年限是最常用的一種方法。預測的準確性和模型是否符合事實及選用材料和周圍環境系數的影響因素有關。目前數學模型已開發用于混凝土結構壽命預測，它考慮到不同侵蝕性介質，如水、鹽或混凝土表面的氣體進入過程。

3.2 技術性措施

提升混凝土結構安全性和耐久性的措施可以概括為基本措施和補充措施兩種。對于基本措施，按照規范設計和合理的施工組織設計，使混凝土結構的耐久性發揮到最佳。在使用混凝土結構時，保持混凝土結構抗滲性能較高，來制約混凝土周圍環境因素的影響，防止有害介質對混凝土的侵蝕，達到保護鋼筋混凝土結構不會生銹的目的。

3.2.1 結構選型和細部設計

盡可能減少位于混凝土結構表層、施工縫隙和防水位置的積水，把排水渠的尺寸盡量做寬，減少混凝土結構暴露在潮濕的空氣中。要選擇簡單且質量佳的組件，結構選型時也要嚴格按照結構設計的要求進行施工。

3.2.2 控制裂縫

混凝土結構裂縫產生的原因主要有可控性和不可控性兩種形式。有些裂縫是無法控制的，比如因收縮而導致混凝土結構破壞、對混凝土構筑物整體進行下降或混凝土承受的荷載比較大，由這些原因形成的裂縫都比較寬。混凝土結構開裂是工程建設業急需克服的問題，施工現場有些情況是無法預料的，作為技術人員應提前做好準備，確保施工過程中萬無一失。

3.2.3 建筑材料

①混凝土摻合料：在混凝土結構中拌入礦渣及其他混合料，可以達到提高混凝土結構耐久性的效果。綜合利用高含量減水劑和高品質外加劑的內在潛力，能改善混凝土結構的耐久性。硅酸鹽水泥混凝土是一種高加工性、高流變性、低放水率、高早強和穩定性佳的混凝土結構，高抗滲性和高耐久性的高性能混凝土，已成為現代混凝土技術的重大突破。

②環氧涂料：環氧涂料在生產線上應嚴控質量問題，這樣環氧涂料在對鋼材表面涂抹防護時，才能保證鋼材不被銹蝕，確保鋼材在生產、運輸、加工過程中不被損壞。

4 案例分析

東海大橋混凝土結構耐久性分析

上海東海大橋項目是上海國際航運中心集裝箱深水港三大配套項目之一，服務于洋山深水港集裝箱整理、供水、供電、通訊等需求。這也是繼杭州灣大橋之后世界第二長跨海大橋，大橋始于上海市南匯區蘆潮港，北與滬蘆公路相連。橋梁的主體結構是混凝土結構，全橋的混凝土消耗量約為100萬立方米，其設計使用壽命為100年，于2005年5月竣工。東海大橋位于北亞熱帶南緣，東北季風盛行，受季風影響，對東海大橋的耐久性設計要求比較高，可抵抗12級臺風、7級烈度地震。東海大橋地處杭州灣海域，其海洋環境十分明顯，常年氣溫高、濕度大、海區內鹽含量高等。受海洋環境影響，混凝土結構遭受腐蝕，可以通過控制混凝土組件來避免鹽侵蝕，如鎂鹽、硫酸鹽和堿集料，此外，工程結構采取高標準的防腐措施，確保大橋在使用壽命年限內的安全性和耐久性滿足正常使用要求。國內外工程技術人員研究證實，使得東海大橋中混凝土結構耐久性降低的原因是氯離子對鋼筋混凝土中的鋼材進行腐蝕，這些積聚在鋼筋表面的氯離子會與鋼筋發生電化學反應（氯離子半徑比較小，具有一定的絡合性，破壞鋼材表面，進而腐蝕鋼材），進而腐蝕鋼筋混凝土結構。對東海大橋周邊沿海建筑物的研究也表明，處于沿海地區的建筑物受海洋環境影響，混凝土結構被氯離子滲透的腐蝕要遠高于混凝土結構的碳化，氯離子的滲透是導致東海大橋混凝土結構耐久性降低的主要原因。

5 結論

混凝土的具體結構代表了多尺度、多體、非平衡的系統，各因素之間相互作用強烈，難以區分實際設計中的各種因素，特別是外部環境因素與內部因素的相互作用。實際技術中的各種因素也是非常不確定的、偶然的和不可識別的。水灰比和水泥用量是根據現場施工要求隨機變化的，各施工單位對于不同施工部位的施工方法也不一樣，受外界環境影響，空氣中水分含量、溫差大小、空氣中二氧化碳濃度、風壓大小以及方向等影響因素也不同。由于復雜的不確定因素相互作用幾乎無法檢測到，單靠機械和微觀分析無法反映整體特征，并且無法從實際工程數據中獲取機械信息。因此，混凝土結構的安全性和耐久性是一個多元化問題，通過尋找各種因素的共同性，進行預測和保護混凝土結構，從而增強混凝土的安全性和耐久性。