建筑工程混凝土結構耐久性設計的探討

汪晨WANG Chen

（安徽實華工程技術股份有限公司（安慶分公司），安慶 264000）

0 引言

目前土木工程通常將混凝土作為常用建設材料，其物理化學性質的優劣將直接決定工程質量，繼而影響工程效益的呈現。在工程實踐中，應考慮如何保持混凝土建材在施工中的耐久性，并采取合理措施加以防范，值得廣大工程技術人員深思。

1 建筑工程混凝土結構耐久性設計研究目的

土木工程在應用混凝土材料時需要做好耐久性設計，確保施工時混凝土的有效性，避免影響工程質量。混凝土結構施工是有一定的科學原理的，比如在混凝土施工中如果攪拌不均勻、溫度應力失衡等，都可能帶來混凝土裂縫、腐蝕等問題，影響混凝土工程項目的硬度、強度和安全性，本文研究對象安徽某工廠廠房混凝土結構就出現了腐蝕、裂縫等情況（如圖1、圖2 所示）。

圖1 出現裂痕的混凝土

圖2 腐蝕的混凝土

2 建筑工程混凝土結構耐久性設計研究方法

2.1 研究對象廠房建筑相關資料

安徽某工廠廠房為四跨單層排架結構，廠房主體部分長為158m，寬度82m，中間兩跨為高跨部分，兩側為低跨。同時每跨度之間有28 榀屋架，為混凝土鋼筋結構，高度3m。

2.2 研究對象廠房建筑結構功能分析

2.2.1 廠房設計構造

①覆蓋在鋼筋上的混凝土防護層不滿足要求厚度；②伸縮縫與沉降縫構造失調；③在開空洞環節未正確設置洞邊緣的配筋；④建筑廠房基礎建設于鹽漬區域；⑤針對廠房混凝土結構的隔熱層、防滑層等施工不合理。

2.2.2 廠房建筑材料質量

①所應用水泥品種不合適，水泥中的含堿量過高；②應用細度過小的水泥，在加水拌合之后水化加速，其放熱過程導致干燥效果加劇，使收縮增大，造成混凝土開裂；③應用含堿活性礦物骨料；④所選擇骨料顆粒的級配不當；⑤對于外加劑的使用不合理，比如減水劑中含有過量的氯離子。

2.2.3 廠房建筑施工質量

①水灰比過高，比如為了方便施工和運輸過程，未按規定要求提高水灰比；②單方水泥用量過高，比如為了縮減工期、提升混凝土早強，以增加水泥用量，繼而引發水化熱過高，造成結構開裂；③拆模過早，比如為了追趕工期、加速模板周8 轉，繼而提前拆模，造成混凝土結構承載力不足；④澆注、振搗或者養護不當；⑤施工組織不合理，導致不良施工縫的出現。

2.2.4 廠房建筑外界環境條件

①氣候多變，比如所處環境溫度經常交替，干濕環境不穩定；②所處環境惡劣，比如工程周邊區域二氧化碳、二氧化硫等氣體濃度較大；③有害物侵入，比如碳酸鹽、堿溶液侵入地基土等。

2.2.5 廠房建筑裂縫問題

建筑工程施工環節經常會出現混凝土裂縫問題，此問題對施工有很大影響，容易造成工程質量受阻，并且在各大類型建筑工程中都會或多或少出現。混凝土作為一種基礎建筑材料相較來說具有一定優勢，但其結構穩定性較差，容易受到外界因素影響，從而出現裂縫。從工程實踐來看，混凝土裂縫依嚴重程度會對總體工程產生相應影響，此類裂縫出現原因多是難以預料的，且出現裂縫部位和裂縫形態具有差異性。需要根據裂縫部位和類型來尋找成因，才能制定有效的處理方案。

2.2.6 廠房建筑養護問題

建筑工程施工環節需要做好廠房養護工作。混凝土常會由于內外部溫差影響而破壞結構穩定性，因此養護環節要做好混凝土散熱工作，以此降低混凝土裂縫現象的出現。操作人員要在這個環節均勻振搗混凝土，將其熱量散發出來，而通過這一步驟，還能夠強化混凝土結構，提高施工性能，進而保證建筑建設質量。另外在完成這一工作后，后續還要實行混凝土保溫、薄膜放置等工作流程。

2.3 建筑工程混凝土結構耐久性方案的提出

在混凝土結構施工中，應當深入了解混凝土施工的技術原理，制定適合建筑工程項目的施工方案，控制施工中的關鍵節點、溫度應力等。比如要依據工程項目的硬度、強度等要求，確立水泥標號、水泥使用量等；為了控制水泥水化中的熱量釋放問題，可以用低熱水泥進行施工。再如在混凝土澆筑過程中，應當盡量避免在炎炎夏日或過高溫度下施工，以有效控制工程施工中的澆注溫度。要想做好混凝土結構耐久性設計，首先需要明確耐久性設計的目標，同時結合工程所在地的環境勘測數據及施工條件，選擇優質的材料進行混凝土結構完善，以便于一次性解決廠房建筑物的耐久度問題。

2.4 建筑工程混凝土結構耐久性方案實施評價

混凝土結構受環境條件影響，會導致自身性能失常，如果長時間處于惡劣環境中，混凝土耐久性發生劣化。因此在設計耐久性的方案中，為控制下降性能，會將性能水平確定在一個界限，通過fDLS 表示，如果下降的性能處在這一水平時，計算所得服役時間可以理解為此性能的應用期限，此界限范圍表示為混凝土耐久性極限。具體設計時，使用年限控制就是基于耐久性極限這一條件來設計材料性能，確保混凝土結構劣化速率在預定使用年限范圍內。也就是說在耐久性設計中，需要重點考慮的三大要素為使用年限的設計、受環境影響混凝土結構性能劣化以及耐久性極限。“結構耐久性”在相關標準中有被定義，即混凝土結構在考慮到環境影響以及日常使用養護的基礎上，其結構、構件的適用性以及安全性能在規定使用年限中的持續有效性。是對上述三要素的覆蓋。耐久性問題的產生原因是由于混凝土及其組成材料受環境作用而出現劣化。研究發現，結構劣化成因主要是混凝土孔隙結構在連通外界后，由于化學活性的作用，而使自身物質、能量與外界環境置換；混凝土鋼材存從性質上看存在電化學活性，受外界條件作用而形成化學變化。分析緩凝土結構劣化中的環境影響因素，主要能產生作用的環境條件有：大氣環境、腐蝕性介質、地下水環境。而所導致的混凝土結構劣化顯現在混凝土材料上以及混凝土鋼材劣化過程，前者包括反復凍融、腐蝕性介質而導致的性能影響，后者則是混凝土表面中性化或混凝土內部被氯離子入侵而腐蝕了鋼筋結構。除此之外，特殊情況混凝土硬化后內部會發生反應，造成材料劣化，具體反應有硫酸鹽和堿-骨料反應等，并且也將此當做耐久性問題。結合上述內容，有關標準有說明，將混凝土材料與結構從耐久性角度來分析，依據其構造肌理受環境類別影響而導致的不同結果進行了相應的劃分，大體如下：①正常環境，混凝土鋼筋受一般大氣影響而出現腐蝕；②溫度異常環境，混凝土反復受凍后融化而導致材料損傷；③④被一起歸類為海洋氯化物、除冰鹽以及掐他氯化物環境，此環境下混凝土內部結構受到氯離子侵蝕；⑤化學腐蝕環境，混凝土遭遇地下水、大氣污染物侵蝕而劣化。

因此，要想做好廠房混凝土結構耐久性設計，首先需要明確耐久性設計的目標。在混凝土材料中，不同材料的選擇，要根據建筑工程設計標準，結合工程所在地的環境勘測數據及施工條件，選擇優質的材料。水泥材料，水泥砂漿的強度關系到整個混凝土結構的耐久性。水泥砂漿質量越好，各項工程性能指標也越高。對水泥的選擇要科學合理，降低水泥的干縮性、堿含量，提升水泥的抗凍性、耐腐蝕性，更好地確保混凝土耐久性。同時需要參照GB50010-2002《混凝土結構設計規范》要求，對混凝土結構耐久性設計，同時用澆筑試件的鋼制模具如圖3 做混凝土抗裂實驗去評定，要結合項目工程質量標準，做到充分研判，科學施工。影響耐久性的因素很多，在施工前，要做好項目勘測，明確混凝土抗凍、抗滲、抗化學腐蝕、耐磨等指標。結合項目設計等級，對混凝土材料進行科學配比。影響混凝土結構耐久性的另一個重要因素就是混凝土結構中鋼筋結構的銹蝕現象，現階段常用的防護鋼筋銹蝕的方式為使用鋼筋銹蝕阻銹劑。混凝土劣化具有多樣性，設計不良、施工不當、材料應用失調等都會引發混凝土劣化，在工程實踐中也會存在結構維護不良、所依據規范標準不合適等方面的原因。就微觀層面來說，導致混凝土劣化最為主要的原因在于氯離子向混凝土中的滲入，繼而引發鋼筋銹蝕，導致混凝土結構被破壞。

圖3 平板試件模具示意圖

3 建筑工程混凝土結構耐久性設計具體實施方案

3.1 明確設計目標

①根據設計三要素對混凝土耐久性極限以及結構強度進行確定，基于強度以及極限值要求來選擇組成混凝土的基礎材料。②了解實際混凝土施工環境，例如施工場地的氣候變化預測、雨水酸堿度、地下水酸堿鹽度等指標，調查后根據所得數據來對混凝土配比等進行調整。③如果混凝土需要在較低溫度條件下進行使用，例如在海拔高地區建造公路，要分析歷往此區域凍融平均年數，在科學合理的引進引氣劑，為混凝土耐久性提供保障。④如果施工場地的環境條件存在較大化學腐蝕現象，比如雨水酸堿度較低或地下水含鹽量較高等，要在具體應用時，先針對混凝土鋼筋結構做好抗腐蝕做事，像是在其表層涂環氧涂層。⑤如果周圍環境變化幅度大，基于環境的不同有針對性的調整與優化耐久性方案設計。⑥通過對鋼筋結構進行排水設計，來強化混凝土耐久性。

3.2 結合現場，提升混凝土質量標準

對于廠房建筑集料，著重關注集料的堿活性、耐腐蝕性和吸水性。對集料的級配進行合理設計，測量集料中各成分的含量，提升集料的和易性。需要強調的是，針對集料級配比例，要控制整體酸堿性，避免因環境pH 值而影響混凝土的結構耐久性。針對外加劑的處理，通過調控外加劑，來改善混凝土的性能。如適當增加減水劑，以改善混凝土的強度和密實度，為耐久性提供保障；通過適當增加引氣劑，以降低混凝土內部的氣孔數量，增強耐凍性；通過適當增加膨脹劑，以減少混凝土的收縮率，提升抗滲性；通過適當增加緩凝劑，以降低混凝土的極限溫升，減少因溫度降低而導致的混凝土裂縫問題。混凝土礦物摻合料，如硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英砂等，主要用于改善混凝土的結構耐久性，適當增加摻合料，可以增強混凝土的密實度和強度。

3.3 做好周密勘測，科學組織施工

通常，對各類外加劑的使用，氯離子含量要低于0.02%；對高效減水劑的使用，以減水劑干重為基準，硫酸鈉在其干重的20%以內。混凝土在進行澆筑前，需要先檢查鋼筋、保護層墊塊等，確保保護層厚度達標。如果澆筑的為大面積混凝土，還要科學設計施工縫位置，避免冷縫。在混凝土澆筑后，要做好科學養護，嚴禁過早拆除支撐。對冬季等惡劣天氣，要對整個施工項目做好防潮、防凍處理。充分考慮建筑工程周邊環境要素，做好建筑物防水、排水工作。

3.4 混凝土保護層厚度

混凝土具有高堿度特性，會使鋼筋表面形成一層鈍化膜，從而對鋼筋形成保護作用。混凝土保護層能夠起到阻止外界氧氣、水分以及腐蝕介質滲入的作用，而所起到的保護效果跟混凝土保護層厚度、密實程度等相關。因此，適當增加混凝土保護層厚度屬于在建筑工程中提升混凝土結構耐久性、促進結構使用壽命延長的關鍵舉措。在工程結構設計實踐中，對于混凝土保護層最小厚度值的確定，應該具體考慮下述幾點：①為了避免箍筋先銹蝕，保護層厚度應該從箍筋的外表面開始計算；②保護層最小厚度設計除了要充分考量外部環境因素之外，還應具體依據設計使用年限進行確定；③要將國家相關規定標準中設置的保護層最小厚度理解成標定值，并將工程設計圖紙中標明的厚度值計入到施工允許公差值之內；④不管在任何工況之下，保護層的最小厚度都不應該低于15mm，并保證保護層厚度大于鋼筋直徑；⑤要關注預應力鋼筋腐蝕作用所具備的危害性，采用先張法時保護層厚度不應該低于20mm，采用后張法時保護層厚度不應該低于管道直徑。通常情況下，針對預應力混凝土構件，其保護層厚度應該比普通混凝土構件大5-10mm，而封閉錨具處于干濕交替環境之下的保護層厚度不應該低于50mm；⑥直接澆注于土壤中的結構（比如柱基礎等）、設置于海水環境中的預應力混凝土，其保護層最小厚度不應該低于75mm；⑦對于輕骨料混凝土，其保護層厚度要適當增加5-10mm；⑧倘若混凝土結構表面存在粉飾覆蓋層，對其保護層最小厚度的設計可以降一級，亦或是以減小5mm 計算。

3.5 混凝土材料及其配合比

①原材料基本要求。在對混凝土進行耐久性結構設計時，要合理選擇與配置各種混凝土原料，確保得到更加密實的混凝土結構，針對混凝土自身具有的抗裂性、抗凍性以及抗滲性等性能要進一步對其強化。通常判斷混凝土耐久性程度可以通過向混凝土中摻入水、二氧化碳或相應化學介質，通過觀察滲透度就可分析其結構的耐久性高低。為了獲得理想的抗滲性能，必須科學選擇水泥品種，采用充足的水泥用量同時應盡量降低水灰自由配比，同時合理選擇骨料及其級配；②應用具有良好性能的外加劑。在混凝土中適當添加一些外加劑，比如阻銹劑、減水劑、養護劑以及引氣劑等，能夠起到改善與提升混凝土結構整體耐久性效果的作用。在選用外加劑時，要明確生產廠家所推薦的摻入量，同時關注其化學成分、減水率、含堿量、含氯離子量以及使用方法等，各項技術性能要充分符合國家及行業相關標準要求；③限制氯鹽含量。當存在氯離子時，即便是高堿度混凝土鋼筋，也會被腐蝕。氯離子侵入混凝土的途徑一般有兩種。其一為“混合摻入”，比如摻拌含有氯鹽的外加劑、含氯鹽的水、在含鹽環境當中進行混凝土拌制等；其二為“滲入”，環境當中的氯鹽經過混凝土宏觀及微觀上的缺陷，逐步滲入到混凝土當中達到鋼筋表面。其中，前者一般屬于施工管理中的問題，表面看比較好解決，但是在工程實踐中時有發生。而后者則屬于一種綜合性技術問題，跟混凝土本質、密實性、混凝土層厚度以及工程建設質量等多種因素直接相關。混凝土內部屬于高堿環境，氯離子滲入混凝土內并抵達鋼筋表面，需要達到一定濃度才會使鋼筋發生銹蝕。具體來說，在工程實踐中，對于預應力混凝土，應該將其氯離子重量控制于水泥重量的0.06%以內，而普通混凝土的氯離子總量不應該超過水泥重量的0.1%。

4 結論

綜上所述，混凝土結構耐久性是影響建筑工程建設質量的關鍵要素，必須從工程設計管理和技術應用等方面加大投入，合理優化混凝土結構的耐久性效果，促進工程整體建設質量的提升，在為社會提供更為優質工程產品的同時，獲得更好的工程效益。