混凝土结构耐久性设计方法

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1、1混凝土结构耐久性设计方法石建光厦门大学土木工程系361005E-mail:jgshi798@sohu.com摘要：混凝土结构的耐久性涉及物理、化学、电化学以及物理化学等作用形式，涉及的因素有混凝土材料、钢筋性质和周围状态、混凝土施工使用过程和混凝土受力状态，是混凝土接触环境与这些因素中的一个或几个相互作用形成环境作用，造成混凝土的损坏。分析目前提出的耐久性设计方法和耐久性涉及的因素的特点，提出分阶段分层次设计方法是一个可行的途径。关键词：混凝土结构，耐久性设计，分阶段分层次设计1.引言从1880—1890年第一批钢筋混凝土结构问世，距今近120多年的历史。随时间的推移，大量建

2、造的钢筋混凝土结构在环境作用下的安全使用和耐久性问题就摆在了人们的面前。为20世纪是钢筋混凝土的时代而自豪的同时，不得不面对其过早损坏引发的资源浪费和环境污染问题。美国在对其国内的桥考察后发现，约三分之一即20万座桥存在缺陷，有四分之[1]一以上的桥超过了50年的设计寿命，每年为桥梁锈蚀将花费83亿美元，英国损坏桥在英[2][3]格兰和威尔士占10%，耗资达6.2亿镑，欧洲亚洲和澳大利亚也有类似问题。这不仅涉及基本建设工程长期安全、耐久的重大问题，还关系到资源、环境、国计民生等一系列重大经济社会问题。为此国内外都积极开展这一问题的研究，如美国的SHAP计划投入1．5亿美元，英国

3、和日本组织了国家海洋混凝土项目，加拿大90年代投入2．4亿美元进行研究，我国也开展了攀登计划等。回顾过去，Mehta教授将这些问题归结为人口的增长、城市化和技[4]术抉择这三个主要因素。在人口、环境、资源成为国际社会面临的主要问题的背景下，技术抉择更多地应与可持续发展相一致，从考虑造价、质量和工期，向考虑资源、排放物、生[5]物多样性和环境质量方向发展。所以考察和研究耐久性设计的方法时，既要关注技术问题本身，也更要注意有利于可持续发展的实现。2.混凝土的耐久性问题[6]混凝土耐久性是指环境作用下的性能。环境作用即混凝土接触环境，包括大气环境、[7]水环境、土壤环境和工业特殊环境

4、等，环境作用使混凝土损坏的原因可以分为：1厦门大学科研基金资助¾物理作用：严寒侵蚀，骨料和水泥浆体间的热变形差，对收缩敏感的骨料，塑性或收缩及微裂，火灾，对严寒敏感的骨料等；¾物理化学作用：钢筋腐蚀开裂，电解作用，碱骨料反应或冻融循环等；¾化学作用：软水，海水，氯离子，酸侵蚀，硫酸盐，骨料硫化物氧化，硅灰石膏，碱硅石反应，碱碳酸盐反应等。如果将混凝土接触环境作为损坏发生的外部因素，而混凝土作为损坏发生的内部因素，可将内部因素分为：混凝土材料，包括组成材料的性质，组成比例；钢筋性质和周围状态，特别是钢筋表面状况和保护层性质和状态；混凝土施工使用过程，包括浇捣、养护、维护等；混凝土

5、受力状态，包括受力大小、性质和历史等。在实际工程中往往是混凝土接触环境与这些因素中的一个或几个相互作用形成环境作用，造成混凝土的损坏，如图1所示。从设计的角度看，外因即混凝土接触环境，往往有不可选择性或控制性，而内因具有可选择性或控制性，所以耐久性设计可理解为通过控制内因即混凝土材料、钢筋性质和周围状态、混凝土施工使用过程、混凝土受力状态，以满足接触环境作用下耐久性的要求，如50年或100年等，其设计方法的选择应考虑环境作用的类型和方式，混凝土要满足的要求或损坏的标准为混凝土结构的适用性、安全性要求或标准。混凝土材料钢筋性质和周围状态混凝土接触环境混凝土施工混凝土受力使用过程状

6、态图1环境作用的构成从公众利益和社会发展的角度，对耐久年限、适用和安全标准提出基本要求。因混凝土[8]的历史仅120多年，不要希望建造500年或1000年的混凝土，更何况有些损坏无法避免，[9]如钢筋腐蚀，只能说对于某种损坏可以防止或延缓。因混凝土损坏的原因也是不断发现和[10][11-12变化的，而且环境作用也在变，如酸雨、土壤]等。3.各种耐久性设计方法传统方法：针对不同类别的环境作用，通过混凝土材料控制和构造措施，满足耐久性和使用寿命要求。如控制混凝土材料组成、最大水胶比、最低胶凝材料用量、混凝土最低强度等级、保护层最小厚度等构造要求。如我国和Eurocode混凝土结构设

7、计规范对环境作用下的耐久性设计就采用这种传统方法，将环境作用分类，每类提出不同使用年限的不同要求。指数（评分）法：环境指数小于等于耐久性指数，影响耐久性的因素分为8类，共包括32个因素，分别评分后相加。日本土木学会耐久性设计建议-1990中采用了这种方法。因子法：芬兰按照ISO/DIS15656用因子法进行混凝土外墙板使用年限的设计方法。ISO/DIS15686《建筑物的使用年限计划》的一般原则中，定义某一构件的设计使用年限tg为业主或业主与设计人共同决定的年限，而构件的估算使用年限te用因