混凝土耐久性指标Word下载.docx

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①工程施工速度的不断加快。

一再加速的施工进度使得浇筑后的混凝土普遍得不到充足时间的养护。

我国工程建设的一个突出问题就是一旦决定建设就突击施工，不惜以牺牲工程质量为代价。

这种施工方式的最大受害者是结构的耐久性，因为养护不足直接损伤了表层混凝土的密实性与强度，而防止钢筋发生锈蚀和外界有害物质侵入混凝土内部所依靠的就是表层混凝土的密实性；

表层混凝土抵抗外界有害物质侵入的能力（抗侵入性或抗渗性）可因养护不良而成倍降低。

国外的研究资料表明，7天养护的表层混凝土抗二氧化碳扩散到混凝土内部的能力，可以是3天养护的2倍和1天养护的4倍，如果7天养护的混凝土可以保护钢筋不发生锈蚀的年限为100年，则3天和1天养护时的相应年限将缩短到50年和25年。

突击施工还使钢筋的定位质量（保护层的厚度）和各种连接缝的质量得不到可靠保证，同样会给耐久性造成致命损害。

②水泥性能的改变。

现代硅酸盐水泥的矿物成分和细度与早期水泥相比发生了很大变化，水泥的强度成倍增长。

用今天的硅酸盐水泥配制C20那样的低强度混凝土，由于水泥强度提高，往往只能采用较高的水灰比，使得混凝土密实性下降，其耐久性根本不能与以往同样强度等级的C20混凝土相提并论。

所以，这类低强混凝土不能再用于配筋结构中。

水泥工业简单地通过磨细和增加早强矿物成分追求高强的结果，使早强水泥充斥当前市场，可是耐久混凝土一般不宜采用早强水泥，因为这种水泥的水化产物微结构与后期强度发展不良，耐久性下降。

③结构使用环境的不断恶化。

随着经济发展，我国已有1/3的国土受到酸雨侵蚀；

交通运输的高速增长导致除冰盐在降雪地区的大量使用；

以及近年来混凝土工程以更大的规模延伸到环境条件更加恶劣的近海和海洋地区、滨海与内陆的盐碱地区以及高原冰冻地区。

混凝土结构的耐久性问题还因我国的结构设计规范在安全设置水准上的低标准而加剧。

与国外的设计规范相比，设计荷载的标准值以及荷载与材料设计强度的分项（安全）系数均低不少，因此结构在正常使用阶段受到的工作应力往往偏高，尤其是自重等永久荷载占全部荷载中较大份额的结构物如大跨桥梁，长期承受过高的持久应力，就有可能引发过大的徐变与开裂，并加快环境作用下的材料劣化进程。

上面提到的混凝土结构在耐久性上的种种不足，必将给我国经济带来巨大损失，并对生产、生活造成长期困扰。

我国近年为建设现代化基础设施而新建的工程，在耐久性设计标准上依然和过去一样低下，即使在新建的大型工程中也存在类似问题。

结构设计中层出不穷的缺陷，主要根子在于设计规范的低标准要求与规范管理体制上的缺陷，以及人们对规范地位和作用存在认识上的误区。

提高混凝土结构的耐久性更是我国工程建设走向可持续发展的必需，因为混凝土的用量过于巨大，现在烧制水泥的优质矿料已感短缺，不少地方的砂、石供应也日益紧张，为了保护国土资源环境和可持续发展的需要，我们也必须提高混凝土结构的耐久性，并寻求相应的对策。

2?

《混凝土结构耐久性设计与施工指南》简介

鉴于结构安全性与耐久性对我国当前工程建设的重要意义，中国工程院土木水利与建筑工程学部于2000年设立了一个咨询研究课题，就结构安全性与耐久性现状和亟待解决的问题进行研讨，为政府部门提供技术政策建议。

考虑到混凝土结构的耐久性问题最为突出，而现行的混凝土结构设计与施工规范又不能很好满足这方面的要求，所以课题组联系国内专家，组织编写了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，并作为中国土木工程学会的第一本技术标准（CCES01－2004）供工程技术人员参考。

下面简单介绍《指南》2005年修订版中有关耐久性设计的部分内容。

2.1混凝土结构的耐久性设计方法

结构设计需要考虑的作用通常有三种：

①一般作用，包括永久荷载、可变荷载等荷载作用与强制变形的作用；

②偶然作用，如地震、爆炸的作用；

③环境作用，所考虑的作用因素包括：

温度，湿度（水分）及其变化，空气中的氧气、二氧化碳和盐雾、二氧化硫等空气污染物，以及土体与水体中的氯盐、硫酸盐、碳酸等腐蚀性物质。

混凝土结构在一般作用下的耐久性问题如低周反复荷载下的材料强度疲劳已在结构的常规强度设计中考虑，这里所说的耐久性设计则是环境作用下引起材料性能劣化的设计，也可理解为除了力学作用以外的其他物理或化学作用下的结构设计。

环境作用下的混凝土结构耐久性应根据结构和构件的设计使用年限、耐久性极限状态和具体的环境作用进行设计。

同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位由于受到的局部环境条件有异，应予分别考虑。

混凝土结构的耐久性设计应包含以下各个环节：

①概念设计—结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境作用；

②混凝土材料和钢筋材料的选用—提出材料的耐久性质量要求；

③确定钢筋的混凝土保护层厚度；

④防排水措施—尽可能避免水在混凝土表面的间断作用；

⑤混凝土的裂缝控制；

⑥环境严重作用下可能需要采取的多重防护措施与防腐蚀附加措施；

⑦为保证结构耐久性质量的施工要求与质量控制要求；

⑧结构使用阶段的维护与检测要求。

在耐久性设计中如何表达环境作用的量值以及如何确定混凝土材料的耐久性质量和保护层厚度上，有两种不同的做法。

一种是传统的经验方法，即将环境作用定性地划分成不同的类别或等级，根据不同的类别和等级，在工程经验类比的基础上，由设计规范直接给出混凝土材料的耐久性质量要求和钢筋的混凝土保护层厚度，其中对耐久性极限状态与相应可靠指标或安全裕度的考虑已隐含在给定的结果中。

另一种是基于材料劣化模型的计算方法，根据环境作用的具体量值（如海洋环境中混凝土接触外部环境处的表面氯离子浓度的表观值，环境作用期限）和构件与材料的耐久性参数（如钢筋的保护层厚度，使钢筋脱钝的氯离子临界浓度，氯离子在混凝土中的扩散系数），按照材料的劣化模型，列出构件的耐久性抗力（如钢筋的混凝土保护层厚度）与环境作用效应（如达到设计使用年限时入侵混凝土内氯离子浓度积累到临界浓度处的深度）的耐久性极限状态关系式，计算确定混凝土保护层厚度，在计算式中应考虑所需的可靠指标或安全裕度。

由于环境作用和材料的劣化机理十分复杂，许多方面还认识不清，且存在很大的不确定性与不可知性，所以混凝土结构的耐久性设计尚难做到象结构强度设计那样可以普遍进行量化计算的程度。

《指南》中采用的设计方法仍是传统的经验方法，便于工程技术人员掌握和使用，但对环境作用的分类和作用等级作了细化，并对不同设计使用年限的结构和构件规定了相应的要求；

对于氯盐环境作用下的重要结构物，同时要求进行基于材料劣化模型的使用年限验算作为辅助性的校核。

《指南》中规定的混凝土耐久性质量、保护层厚度、构造措施以及施工质量要求，尽可能吸收近年来国内外的研究成果，比照了国际上有关标准中的规定，参考了国外大型工程抗氯盐侵蚀的工程实践。

但这一文件仍有不少欠缺，特别是缺少我国各地环境作用因素的实测数据与结构现场观测数据的支持，有待今后不断修订完善。

2.2环境作用

在以往的混凝土结构设计规范中，通常的做法都是将环境作用划分为若干等级，但过于简略，较难细致考虑不同环境类别在不同环境条件下的需要。

例如英国的规范过去将环境作用分5个等级；

1990年欧洲混凝土结构模式规范中的环境作用等级分为1、2a、2b、3、4a、4b、和5a、5b、5c几种，我国新的混凝土结构设计规范GB500122002中的环境等级与1990的欧洲模式规范一致，只是未能列入其中的4（海水环境）和5（化学腐蚀环境）；

我国新的公路桥涵混凝土结构设计规范JTJD60－2004则将环境作用分为4个级别。

为了改变这一缺陷，新的欧洲混凝土规范EN206－1：

2000和欧洲混凝土结构设计规范prEN1992－1将环境作用按其对混凝土和钢筋的腐蚀机理分为5类，并对每类环境又按不同环境条件和作用的严重程度分成3～4种，总共多达18种类别，现在欧盟各国的规范都大体按照这种框架细分了环境作用；

新的2004年加拿大规范也将环境作用划分成15种类别。

指南》主要参考欧洲混凝土规范的做法，将环境作用分为5类（表1），又按以往的办法，将作用的严重程度划分成6级，从A到F的严重性递增。

表2是一般环境、冻融环境和近海或海洋环境下的作用等级和应用示例。

每一结构构件除受到碳化引起钢筋锈蚀的一般环境作用（Ⅰ类）外，还可能受到其他环境的作用。

当结构构件受到两类或两类以上的环境类别作用时，应同时满足这些环境类别各自单独作用下的耐久性要求。

2.3?

设计使用年限与耐久性极限状态

在混凝土结构设计规范中，很长时期内都没有结构设计使用年限的明确要求，规范中只有设计基准期的提法，但设计基准期只是用来确定可变荷载的出现频率与其作用值以及材料强度参数的取值，而不是考虑环境作用下与材料劣化相联系的耐久性要求，所以设计使用年限与设计基准期是两种不同的概念，设计使用年限必须具有一定的保证率或安全裕度，而基准期则不是。

我国最近修订的建筑结构设计标准已经明确规定将建筑结构的设计使用年限分成4类。

这一规定与欧洲规范完全相同，但后者还规定了桥梁等土木工程结构物的设计使用年限为100年。

日本建筑学会规范1997年修订后明确提出了建筑物的设计使用年限分为三个等级：

长期等级，规定不需大修年限约100年；

标准等级，指多数建筑物如公寓、办公楼等，规定不需大修年限约65年，使用年限100年；

一般等级的低层私人独立住宅，规定不需大修的年限约30年，使用年限65年。

英国建筑物的设计使用年限标准分为5类，并可按用户要求确定专门的期限，并不像我国规定得那么强制和固定。

国内最近编制的《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》，明确规定铁路桥梁的设计使用年限为100年；

报批中的《公路混凝土结构防腐蚀技术规范》规定大型桥涵的设计使用年限也为100年；

新的《公路桥涵设计通用规范JTJD60－2004》规定公路桥涵的设计基准期是100年，但未明确设计使用年限。

《指南》建议大型建筑物和高速与一级公路上的桥梁一般不低于100年，城市高层建筑不低于75年，普通建筑物

表1环境类别

类别

名称

对材料的腐蚀

Ⅰ

一般环境

碳化引起钢筋锈蚀

Ⅱ

冻融环境

反复冻融引起混凝土冻蚀

Ⅲ

近海或海洋环境

氯盐引起钢筋锈蚀

Ⅳ

除冰盐等其他氯化物环境

Ⅴ

Ⅴ1

Ⅴ2

Ⅴ3

其他化学物质腐蚀环境

土中和水中的化学腐蚀环境

大气污染环境

盐结晶环境

硫酸盐、酸等对混凝土的化学腐蚀、

二氧化硫（酸雨）等的化学腐蚀

盐类化学物质结晶的物理腐蚀

表2环境作用等级

环境类别

环境条件1

作用等级

示例

Ⅰ一般环境

（无冻融，盐、酸等作用）

室内干燥环境

Ⅰ-A

长期干燥、低湿度环境2中的室内构件

非干湿交替的室内潮湿环境；

非干湿交替的露天环境；

长期湿润环境

Ⅰ-B

中、高湿度环境2中的室内构件；

不受雨淋或与水接触的露天构件；

长期与水或湿润土体接触的水中或土中构件

干湿交替环境1

南方炎热潮湿的露天环境

Ⅰ-C

表面易结露的构件；

表面频繁淋雨或频繁与水接触的室外构件；

处于水位变动区的大气中构件

Ⅱ冻融环境

微冻地区4

混凝土高度饱水5

无氯盐3

Ⅱ-C

微冻地区水位变动区的构件，频繁受雨淋的构件水平表面

有氯盐3

Ⅱ-D

严寒和寒冷地区4

混凝土中度饱水5

严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面

水位变动区的构件，频繁受雨淋的构件水平表面

Ⅱ-E

Ⅲ近海或海洋环境6

水下区

Ⅲ-D7

长期浸没于海水中的柱墩

大气区

轻度盐雾区

离平均水位15m以上的海上大气区，离涨潮岸线100m外至300m内的陆上室外环境

Ⅲ-D

靠海的陆上室外构件

海上结构的上部构件

重度盐雾区

离平均水位上方15m以内的海上大气区，离涨潮岸线100m内的陆上室外环境

Ⅲ-E

潮汐区和浪溅区，非炎热地区

海上结构

潮汐区和浪溅区，南方炎热潮湿地区

Ⅲ-F

土中

区

非干湿交替

桩

干湿交替

地下结构中外侧接触地下水而内侧接触空气的混凝土衬砌结构

注：

1、表中的环境条件系指与混凝土表面接触的局部环境；

对钢筋则为混凝土保护层的表面环境，但如构件的一侧表面接触空气而对侧表面接触水体或湿润土体，则空气一侧的钢筋需按干湿交替环境考虑。

2、长期干燥的低湿度室内环境指室内相对湿度RH长期低于60％，中、高湿度环境指相对湿度的年平均值大于60％。

3、氯盐指海水中氯盐或除冰盐。

4、冻融环境按当地最冷月平均气温划分为严寒地区、寒冷地区和微冻地区，其最冷月的平均气温t分别为t≤-8oC,-8oC 

<

t<

-3oC和-3oC≤t≤2.5oC。

但在海洋环境，海水的冰冻应根据当地的实际调查确定。

5、高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体，混凝土体内高度水饱和；

中度饱和指冰冻前偶受雨水或潮湿，混凝土体内饱水程度不高。

6、近海或海洋环境中的水下区、潮汐区、浪溅区和大气区的划分，可参考海港工程混凝土结构防腐蚀规范（JTJ275－2000）的规定。

近海或海洋环境的土中区，指海底以下或近海的陆区地下，其地下水中的盐类成分与海水相近。

7、周边永久浸没于海水或地下海水中的构件，其环境作用等级可按Ⅲ-C考虑，但流动水流的情况除外。

不低于50年。

我国各地经济发展很不平衡，各种工程的功能要求也有很大差异，似不宜强制规定统一的使用年限。

着眼于经济和节约资源的需要，以及工程的拆除重建对拥挤城市和交通带来的严重干扰，土建工程的设计使用年限应尽可能提高，设计确定的混凝土结构使用年限应该是经济合理的使用年限。

与设计使用年限终结相应的耐久性极限状态，应属于正常使用下适用性极限状态的范畴。

结构的承载力设计要求结构在长期的使用年限内必须具有最低要求的安全度（可靠指标或安全系数），如果结构的承载力是按照规范的最低要求设计，则使用期内因环境作用导致的材料劣化或损伤就不能影响到结构原有的承载能力。

也就是说，材料的劣化必须控制在不损害原有承载力的程度内，除非事先在设计中额外增加了所需的承载力。

以钢筋锈蚀导致的耐久性极限状态为例，可以将钢筋开始发生锈蚀的时间t1（相当于钢筋表面脱钝，即混凝土碳化到钢筋表面，或氯离子侵入并在钢筋表面处的浓度积累到临界值的时间，），或钢筋持续锈蚀到混凝土保护层出现顺筋胀裂的时间t2，或保护层的顺筋裂缝宽度达到了某一规定限值（如0.1mm）的时间t3，作为耐久性设计的极限状态，进一步的劣化就会损害结构的承载力而不被允许。

选择哪种劣化程度作为耐久性极限状态，取决于适用性、可修复性以及失效后果严重性的考虑，对于不同的工程和不同的环境条件可以区别对待。

在《指南》中，对于普通钢筋的碳化锈蚀，以钢筋出现锈蚀并持续发展到混凝土开始顺筋开裂作为使用年限终结时的极限状态，这时的构件承载力尚不至于受到削弱；

对于氯盐侵蚀环境中的大气区或浪溅区构件，钢筋锈蚀后的发展速度很快，则取t1作为耐久性设计极限状态；

预应力高强钢筋对锈蚀敏感，也以t1作为耐久性设计极限状态。

对于混凝土，则在环境作用下只允许有非常轻微的损伤，不允许明显损害到对钢筋的保护和构件的承载力，除非在设计中额外加大保护层厚度。

结构的可修复性是结构及其构件受到损伤后能够经济合理地进行修复的能力，材料的劣化程度越深，修复的费用和难度就越大，因此劣化程度应设定在较轻的范围内。

结构的设计使用年限应满足正常使用极限状态下的可靠指标或安全裕度的要求。

材料的劣化在环境作用去除后是不可逆转的，在正常使用极限状态的可靠度设计方法中要求可靠指标约为1.5，相应的保证率约90～95％，或失效概率5～10％。

根据国外的研究，如果用“寿命安全系数”的概念，由于影响耐久性的参数离散性要远远大于安全性，虽然材料劣化的极限状态只是影响到结构正常使用的适用性或可修复性，与上述失效概率相应的寿命安全系数约在1.8～2.0左右。

这就是说，对于设计使用年限为50年的混凝土结构或构件，到了50年后，出现钢筋轻微锈蚀或混凝土轻微开裂的概率应在5～10％左右，或者从群体的平均概念上说，出现了一些开裂现象的适用性失效时，平均的年限应在90～100年左右，但这些都不影响到结构的安全性；

至于说要影响到安全，那就要长得更多的年限了。

设计使用年限的保证率或安全裕度，与极限状态后果的严重程度及工程的重要性有关。

对于严重环境作用下的结构物，个别部件的使用年限可能达不到结构整体设计使用年限的要求，需在使用过程中加以更换或大修，应该在设计文件中注明，如桥梁设计使用年限通常需100年，而其中拉索的设计使用年限可能只有25～30年。

2.4 

混凝土的耐久性质量要求

混凝土结构的耐久性在很大程度上取决于原材料的选用与混凝土材料的密实性，所以不同环境作用类别和等级下的混凝土耐久性质量要求，可以在设计中用混凝土最低强度等级、混凝土最大水胶比和限定范围的混凝土原材料（品种、性能与用量）这三个指标综合加以体现。

限定范围的混凝土原材料主要指胶凝材料品种和最大、最小用量的限制，粗骨料的最大粒径与特殊性能要求，混凝土原材料引入的氯离子量与含碱量限制等。

同样强度等级但原材料不同的混凝土，抵抗各类环境作用的性能并不一样，所以对原材料必须有所选择和限制；

当原材料相同时，混凝土的强度则与混凝土的水胶比和密实性有很好的相关性。

对于冻融环境，在设计中还需提出是否需要引气以及规定混凝土抗冻耐久性指数（DF值）和含气量、气泡间隔系数等耐久性参数指标；

对于氯盐环境，可进一步提出氯离子在混凝土中的扩散系数等指标。

对于硫酸盐化学腐蚀环境，尚需规定胶凝材料中铝酸三钙和氧化钙量的限制。

表3为配筋混凝土构件的混凝土最低强度等级和最大水胶比要求。

表4为指胶凝材料品种和矿料用量的限定范围。

表3混凝土最低强度等级和最大水胶比

设计使用年限

环境

100年

50年

30年

A

C30，0.55

C25，0.60

C25，0.65

B

C35，0.50

C30，0.60

C

C40，0.45

C35，0.50

D

C45，0.40

C40，0.451

C40，0.45

E

C50，0.36

C45，0.40

F

C55，0.33

C50，0.36

注：

1、对于氯盐环境，这一混凝土最大水胶比0.45宜降为0.40。

2、引气混凝土的最低强度等级与最大水胶比可按降低一个环境作用等级采用。

《指南》中用水胶比取代水灰比作为控制混凝土耐久性质量的一个主要指标。

在以往按强度设计的混凝土配合比设计方法中，首先是按混凝土强度等级计算水灰比，而现在按耐久性要求的设计方法中，首先要根据环境作用等级选择水胶比。

对于严重环境作用下的构件和一般环境下的受弯构件，为了满足表3中的要求，这时的构件混凝土设计强度等级一般由耐久性决定而不是取决于构件承载力的需要。

有关水灰比和水胶比的定义，在不同的规范和文献中多有不同并引起混淆。

我国现行混凝土结构设计规范中用的是水灰比w/c（watertocementratio），从字面上看应该是混凝土拌合水与水泥的重量比，后者应该包括硅酸盐水泥和粉煤灰水泥、矿渣水泥等混合水泥，但并没有明确配制混凝土时加入的矿物掺和料是否算水泥