关于混凝土的耐久性

摘要：钢筋混凝土结构是建筑工程中应用最广泛的一种形式, 混凝土材料的耐久性与工程的使用寿命息息相关，但由于其材料自身特点和使用环境,使得混凝土存在严重的耐久性问题,带来严重的安全问题和经济损失。钢筋混凝土耐久性问题已越来越引起人们的关注。使得各国均投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。并且随着环境的变迁和功能要求的提高，耐久性问题愈来愈突出。 通过开展对混凝土结构耐久性的研究，一方面可以对已有的混凝土进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法，另一方面则有益于新建工程项目的耐久性设计。因此，混凝土耐久性的研究既有服务于现役结构正常使用的现实意义，又有指导待建工程进行耐久性设计的理论意义。

关键词：混凝土、耐久性、耐久性评定

Abstract: reinforced concrete structure is a form of the most widely used in the construction, the durability of concrete material is closely related with the service life of engineering, but as a result of its material characteristic and using the environment itself, the durability of concrete have serious problems, bring serious security issues and economic losses. The durability of the reinforced concrete has increasingly aroused people's concern. Both countries invest a lot of money for the durability of reinforced concrete structures and reinforcement of the research. And with the changes of the environment and the improvement of functional requirements, the durability problem increasingly prominent. By conducting research on the durability of concrete structures, on the one hand, on the durability of existing concrete for scientific evaluation and residual life prediction, to select the correct processing method, on the other hand, is beneficial to the durability design of new project. Concrete durability research, therefore, both the practical significance of the service in active service structure normal use, and has guidance to construction engineering for durability design of theoretical significance.

Keywords: concrete, durability, durability assessment

中国分类号：TU375文献标识码：A文章编号：

钢筋混凝土结构是世界应用最广泛的一种形式, 混凝土材料的耐久性与工程的使用寿命息息相关，但由于其材料自身特点和使用环境,使得混凝土存在严重的耐久性问题,带来严重的安全问题和经济损失。钢筋混凝土耐久性问题已越来越引起人们的关注。使得各国均投入大量资金用于钢筋混凝土结构的耐久性与加固的研究。并且随着环境的变迁和功能要求的提高，耐久性问题愈来愈突出。 通过开展对混凝土结构耐久性的研究，一方面可以对已有的混凝土进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法，另一方面则有益于新建工程项目的耐久性设计。因此，混凝土耐久性的研究既有服务于现役结构正常使用的现实意义，又有指导待建工程进行耐久性设计的理论意义。

长期以来，绝大部分人认为混凝土应是非常耐久的材料。上世纪七十年代末期，发达国家学者首先发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现使用寿命期限内的过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程建成后不到二、三十年甚至在更短的时期内就出现劣化；美国学者用“五倍定律”形象地说明耐久性问题在经济层面上的重要性。设计时，对新建项目在钢筋防护方面，每节省1美元，则发现钢筋锈蚀时采取措施追加5美元，混凝土开裂时再追加维护费用25美元，严重破坏时再追加维护费用125美元。据1998年美国土木工程学会估计，他们需要有1.3万亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题，仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需八百亿美无，而现在联邦政府每年拨款只有六十亿美元。发达国家已经为混凝土耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施。除去施工质量问题致使混凝土结构的耐久性较短的原因有：1、由于混凝土的质量检验以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求，使水泥细度增加，早强的矿物成份比例提高，这些都不利于混凝土的耐久性。2、工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量没有足够的施工养护期加以保证。3、环境的不断恶化，如废气、酸雨。另外当前众多在建的工程在耐久性问题上，施工技术还存在长期的不正确的看法，对改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如，顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂，而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段；再如加大水泥用量来保证混凝土强度，而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。当前需要尽快编制基础设施工程耐久性设计的技术条例，填补施工技术在耐久性工程应用方面的空白。修订补充现行规范中对结构耐久性的要求。首先需要明确的是各种基础设施工程的设计使用寿命，在重要工程的设计文件中必须有使用寿命的要求和论证。

2008年第二奥林匹克运动会主体育场－国家体育场鸟巢，外部由巨型空间钢桁架覆盖，内部为大型钢筋混凝土看台，混凝土看台分三层，共设有八万个固定座位和一万一千个临时座位。混凝土结构外形不规则，框架梁复杂程度大。整个体育场坐落在一个呈斜坡型的基座上，有一层地下室。作为二奥运会的主体育场其建筑造型和特殊身份必将使其载入史册，因此它的混凝土耐久性对其使用寿命显得尤为重要。

众所周知基于国家体育场的重要性，工程计划书中明确表示设计使用年限为一百年。但实际由于现行规范均按五十年基准期编制如按一百年的设计年限目前规范给定的荷载材料性能和各种指标数据均不具备条件。经协商确定设计使用年限一百年仅针对混凝土耐久性设计，其他方面仍按五十年基准期设计。尽管只此一项百年要求，但对于现有依据，规范、资料的稀缺，施工中达到抗裂要求的难度非常大。围绕鸟巢一百年耐久性目标。设计单位、材料供应单位、施工单位，对影响耐久性的各个环节，从不同角度开展了系统的科技攻关，参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，在环境、设计、材料、施工技术方面均有所突破。

环境方面，综合分析了国家体育场周边环境混凝土结构所处的环境及一年四季气温对混凝土的影响，环境分类为一般环境等级，主要环境危害由碳化引起的钢筋腐蚀。体育场混凝土结构环境种类大致可分为三种地下室属于室内环境其他为桩基基础底板及混凝土外墙，属于长期与水或湿润土接触的构件，据勘测场区范围内深度十五米以内的土对钢筋混凝土均无腐蚀性，基座顶板由于干湿交替考虑冻融。

设计方面，混泥土组分设计在耐久性中具有至关重要的作用一方面要保证混凝土的耐久性品质另一方面减小混凝土的水热化减小收缩防止开裂的目的。组分设计主要包括强度等级、水灰比，具体如主要受力构件的混凝土强度等级不小于C40,预制构件不小于C50。在考虑混凝土的和易性前提下综合考虑配合比和外加剂等因素后水灰比取最小值。主体结构混凝土设计为基础底板桩承台采用收缩补偿混凝土S8级抗渗并且掺加了聚丙烯纤维，顶板采用防水混凝土。抗裂控制是国家体育场的混凝土耐久性的重中之重，主体结构均属超长跨距结构对裂缝的形成以及控制措施与普通结构均有不同主要应对措施设置施工缝将看台整体分为几块。设置温度后浇带并且在结构强度完全达到才可封闭后浇带。

材料方面，水泥的选用方面避免使用早强水泥、矿渣水泥。选用硅酸盐水泥由于硅酸盐水泥水泥熟料中的铝酸三钙，它水化反应迅速，放热量大，铝酸三钙控制指标一般小于8%。 为保证大体积浇筑混凝土的持续强度采用硅酸二钙含量相对较高的水泥，粗细骨料的选用控制含泥量在1%以下。粒径控制在不大于保护层的三分之二且根据位置不同具体调整。重点防止素有混凝土“癌症”之称的骨料碱化，碱化骨料会使混凝土由内部自膨胀应力而开裂，由于碱化反应给工程带来的危害是相当严重的，而反应时间缓慢,通长几十年才被发现，引起混凝土开裂的时间难预测且一旦发生破坏几乎无法修补等特点，预防和抑制措施严格筛选材料、粗骨料满足《混凝土用砂质量标准及检验方法》禁用海砂外，另外在主体结构混凝土配比中掺一或二级粉煤灰，粉煤灰的含碱量不同，即使含碱量高的粉煤灰，如果取代30%的水泥也可有效地减少碱骨料反应，控制粉煤灰的三氧化硫含量、烧实量需水量比。尽可能选用需水量比小且烧实量低的粉煤灰，水泥含碱量也需小于0.6%限制混凝土的总碱量 。外加剂的选用充分考虑混凝土的后期收缩影响尽可能选用后期收缩较小的外加剂。对于膨胀剂应严格控制限制干缩率，限制干缩率尽量小。高效减水剂掺量应结合水灰比其中硫酸纳含量不宜大于减水剂干重的15％。对拌制水纤维素等满足国家相关标准。

施工方面，本次工程绝大多数为大体积混凝土浇筑，由于其主要的特点是体积大它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；虽然裂缝的出现有一个最大允许值并不是绝对地影响结构安全， 但作为鸟巢这种奥运主体工程及百年耐久性要求控制裂缝作为施工单位重中之重的目标，正式施工前针对工程特点和环境会同甲方设计监理等各方面共同制定施工全过程的质量控制和质量保证措施质量检验方法。为保证混凝土均匀，混凝土的搅拌采用卧轴式不使用自落式搅拌机并且控制搅拌时间，雨天避免混凝土的浇筑，把混凝土的早期强度在不掺外加剂的情况下12h抗压强度不大于6MPa，24h不大于10MPa。对工程混凝土浇筑严格控制了水泥水化热、外界气温变化、混凝土的收缩。由于混凝土中约20℅的水分是水泥硬化所必须的，而约80℅的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土的收缩。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还会恢复膨胀并达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化，对混凝土是极易引起开裂的，这对施工队伍所能创造的养护条件也是个考验。在混凝土初凝后及时洒水保湿养护采用较好的草帘、塑料薄膜湿润接触覆盖对较大面积板采用蓄水养护，对养护时间夏季不小于7天、春秋不小于10天、冬季不小于14天。

工程的质量离不开施工企业，国家体育馆经参建各方努力经过大量的实验研究，混凝土耐久度达到了设计要求。这是对结构耐久性的重大保证。也会对结构耐久性的评价与预测起到了关键作用，对中国的混凝土耐久性极限研究作出了启示性作用。