混凝土结构耐久性设计的内容与要求分析

摘要：介绍了混凝土结构耐久性等级的划分方法，对混凝土结构的耐久性设计的内容与要求进行分析，包括耐久性等级的评估，耐久性的设计原则，以及耐久性设计的材料选择与结构设计等。

关键词：混凝土结构 耐久性 设计 极限状态

混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。混凝土耐久性主要指：抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化。现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中，明确规定混凝土结构耐久性设计采用极限状态设计方法。

一、耐久性等级

根据混凝土结构在使用过程中需要维修的程度可划分不同耐久性等级：

1级耐久性:一般针对室内干燥环境下的住宅、办公楼等室内构件。仅需一般性的粉刷或油漆防护，即可满足在规定的使用年限内所要求的年限。

2级耐久性:针对露天环境或高温高湿环境下的构件，在规定的使用年限内偶尔需要进行维修的情况。维修的方法可能是修补或更替个别构件。

3级耐久性:在沿海地带或受冻融作用的环境以及使用除冰盐的结构。在规定的使用年限内需要经常维修的情况。

二、耐久性设计原则

在进行混凝土耐久性设计时，设计人员应首先明确该结构耐久性目标是什么，即预期设计使用寿命是多少;其次是要清楚耐久性失效标准是什么。对于拟建结构的预期使用寿命已明确将结构设计使用年限划分为4类;对于耐久性失效标准的定义，目前尚没有一致的看法，对于一般的钢筋混凝土结构，多数的观点认为有两种耐久性失效标志:一种是结构由于耐久性能退化导致结构的变形不能满足正常使用的要求，多数以钢筋锈蚀发展到出现混凝土沿顺筋开裂作为正常使用耐久性失效标准;另一种是以结构性能退化导致结构承载能力降低到承载能力极限状态，称为承载能力耐久性失效标准。

三、耐久性设计内容与要求

1、 耐久性材料的选择：

根据使用环境条件、设计使用年限和耐久性等级的要求，选择混凝土原材料和配合比，并选用不同强度等级的混凝土、水灰比和水泥用量。环境侵蚀作用轻微时，混凝土强度等级可用C25，水灰比可以是0.6左右，水泥用量在260kg/m3左右;而当环境侵蚀作用严酷时，混凝土强度等级C40，水灰比可以是0.6左右，最低水泥用量在380kg/m3左右。

对用于冻融环境下的混凝土，可根据平均冻融次数的不同，掺入不同数量的引气剂，占水泥重量的4.5%-7%。

对有氯盐侵蚀的环境(海岸周围或使用除冰盐时)要控制混凝土中的氯离子含量，应 0. 1%的水泥重量。

有严重化学侵蚀作用的环境，受力钢筋可考虑采用环氧涂层钢筋或耐腐蚀的合金钢材。

2、结构构造设计：

要区别普通混凝土和预应力混凝土，分别针对不同的侵蚀环境和设计使用年限，取用不同的混凝上保护层厚度，少则20mm，多则70mm。

构件处于可能遭受严重锈蚀环境时，应控制受力钢筋最小直径为16mm。

合理地选择结构构件截面的几何形状，使其不能形成侵蚀性物质的停留区，构件的截面积与表面积应具有适当的比例。

室外构件宜设滴水沟，防止雨水从构件侧面流向底面。

混凝土墙板在侵蚀环境中承受温度和湿度作用时，应注意通风，避免过高的局部潮湿和水气聚积。

用离心法制作的混凝土结构构件可达到有效的密实度，用于架空输电线路的离心法混凝土电杆，在严寒气候条件下具有较高的抗蚀性。

混凝土构件的配筋布置要保证足够钢筋间距，避免保护层不足引起钢筋过早锈蚀或混凝土保护层剥落。

构件的设计应避免出现过大裂缝，在荷载作用下，混凝土表面裂缝计算宽度 0.2mm，对有氯离子侵蚀的环境和预应力混凝土构件，其宽度 0.1mm。

构件中的应力状态和大小，在很大程度上会影响混凝土的渗透性及其与活性介质相互作用的速度，在弹性应变范围内，材料的受压和受拉都会引起结构的孔隙、毛细管和裂缝发生可逆变化，在弹塑性区也影响材料的显微结构和多孔结构，所以要加强混凝土的密实性。在任何情况下，张拉都会加大混凝土的渗透性，降低其抗腐蚀性。

3、裂缝宽度的限制：

现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-052)给出不同环境类别下裂缝宽度限制值，如裂缝控制等级为三级(允许出现裂缝构件)的最大裂缝宽度限值，室内正常环境下的受弯构件，最大裂缝宽度可放宽到0.4mm，对处于露天干湿交替环境下的构件，允许的裂缝宽度可放宽到0.2mm，对处于氯离子侵蚀环境下的钢筋混凝土构件，建议裂缝宽度 0.1 mm。

对一类环境下的预应力混凝土屋面梁、托梁、屋架、托架、屋面板和楼板，应按二类裂缝控制等级进行验算，在一类和二类环境下，对需作疲劳验算的预应力混凝土吊车梁，应按一级裂缝控制等级进行验算。

4、施工要求：

混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。

拌合的混凝土应尽快入模，应以适当的速度浇筑混凝土，混凝土自由下落的高度不宜大于1.5m。

混凝土应充分振捣;分层浇筑时，连接部位的混凝土应重点振捣。

在寒冷条件下浇筑混凝土时，混凝土材料、钢筋、模板及与混凝土接触的堆料地面都不得温度过低。混凝土材料可适当加温后搅拌，使混凝土保持适当的硬化温度。

不宜将与混凝土起化学作用或与钢筋起电解作用的设备套管等预埋入结构构件内;当必须这样做时，应在其外涂刷或覆盖有效的防护膜。

钢筋应在模板内正确定位，绑扎牢固，浇筑和振捣混凝土时不得移位，宜采用抗锈的钢丝绑扎钢筋，钢丝的头不得伸进混凝土保护层内。

垫块的厚度应在保证钢筋混凝土保护层正确，宜采用水灰比小于0.4的水泥浆或细石混凝土制作。水平钢筋的垫块每平方米不得少于少不4块;竖向钢筋的垫块每平方米不得少于少不2块。

模板应有足够的强度和致密性，浇筑和振捣混凝土时模板不得移位、变形和漏浆。1、2级结构构件的模板内宜衬无纺布。不得将模板的金属连接件残留在混凝土保护层内。

5、对结构使用的要求：

要明确结构构件正常工作使用的界限，结构物是由多种部件组成的，各构件暴露的环境有别，其耐久寿命也有区别，相对而言，房屋结构中的屋面、阳台、女儿墙要比室内梁、柱使用寿命短;桥梁结构中的防水层、伸缩缝、护栏要比梁、桥墩更易于损害，为此，耐久性设计应明确提出结构使用期内需要维修和更换部件的内容及预期更换的时间。

混凝土结构耐久性分析与评估是关系到结构可靠性与合理性的重要课题，是当前混凝土结构理论研究的一个热门话题，它涉及到混凝土材料耐久腐蚀理论、建筑结构可靠度设计准则、混凝土结构维修加固等诸多方面知识，其分析与应用方法的研究对实际工程建设起着关键作用。

参考文献：

[1]徐善华.大气环境下混凝土保护层取值的研究[J]．土木工程学报.2005.11.

[2]覃维祖.混凝土耐久性研究的现状和发展动向[J].建筑技术.2001.01.

作者简介：

马玉红（1979.02~ ），女，山东省青岛莱西市人，毕业于山东建筑大学，现为济南华北易通通信设计有限公司部门经理。

庄红伟（1983.07~ ），男，山东省青州市人毕业于山东建筑大学，现为山东宝冶钢构有限公司部门经理。