混凝土耐久性指标.doc

.摘要：本文简要叙述混凝土结构的耐久性现状，强调提高混凝土结构的耐久性设计标准对我国当前大规模基础设施工程建设的重要性。文中着重介绍新近编制的中国土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南(CCES 012004，2005年修订版)中有关耐久性设计部分的基本考虑以及需要进一步完善的内容。 1 混凝土结构的耐久性现状 混凝土结构在土木工程中的应用已逾百年。早期的混凝土结构数量很少，钢筋混凝土材料在一般大气环境中的性能劣化过程又很长，所以混凝土结构的耐久性在很长的时期内一直未能得到足够注意。混凝土结构在桥梁、港工等基础设施工程中的大量应用是从20世纪50年代初（二战以后）起步的，60年代起发达国家的交通运输业高速发展，开始大范围地使用除冰盐来融化冬季道路上的积雪，到70年代初，始料未及的因氯盐（海水、海洋盐雾及除冰盐）引起钢筋严重锈蚀和混凝土被钢筋锈蚀而胀裂、剥落的现象大量出现，这才引起西方国家工程界和政府的重视。耐久性问题一旦暴露往往已为时过晚，就得被迫花费大量资金不断进行修理、加固直至拆除重建，严重影响工程的正常运行，过早终结工程的使用寿命。以美国的混凝土桥梁为例，虽然耐久性设计方法和设计标准自上世纪60年代以来一再改进提高，使得新建桥梁的设计使用寿命已能达到设计所要求的75100年以上，已建桥梁中需限载通行的桥梁比例也因旧桥的不断拆除有所递减，但每年用于桥梁维修与更换的费用仍在增加。美国每年用于基础设施工程修理的费用相当于这些工程资产总值的10%。 目前我国正在进行大规模的基础设施工程建设，比发达国家晚数十年，但却面临着更为严重的混凝土结构耐久性问题。首先，我国设计规范中规定的耐久性设计标准从一开始就甚低于西方国家，而且几十年来基本上没有太大的改变；其次，对混凝土结构耐久性有着重大影响的施工质量又最为薄弱。混凝土结构的耐久性主要取决于钢筋的混凝土保护层厚度与混凝土的密实性，后者常通过混凝土最低强度等级和混凝土最大水胶比加以体现。以一般露天环境中受雨淋的混凝土构件为例，我国的国家标准混凝土结构设计规范一直规定主筋保护层的最小厚度为板15mm，梁柱25mm（2003年施行的新规范才提高到板20mm和梁柱30mm，在行业标准SL/T191-96水工混凝土结构设计规范中分别为25mm和35mm）。对于这种环境，美国规范则一直要求最外侧钢筋的保护层厚度对梁、板、柱均为38mm（当钢筋直径大于16mm时为50mm），由于最外侧的钢筋通常是箍筋或分布筋，所以主筋的保护层厚度一般不会小于50mm。保护层厚度大一倍，钢筋开始发生碳化锈蚀的使用年限约可增长3.2倍。因此在混凝土密实性相同的前提下，按我国规范设计的构件钢筋开始发生锈蚀的年限，大概仅及发达国家的1/31/4。至于配筋混凝土的最低强度等级，我国规范至今仍为C15，而欧美等发达国家至少已提高到C25或C30，日本的新规范更要求百年设计寿命建筑物的混凝土最低强度等级为C45。碳化引起钢筋严重锈蚀的现象本来不难避免，但在我国却已是十分普遍。 相对于碳化锈蚀而言，氯盐引起的钢筋锈蚀要严重得多并较难应对。随着这个问题的不断暴露，北美国家的设计规范从60年代开始一再提高氯盐环境下的混凝土保护层厚度和强度等级，海洋浪溅区或直接受除冰盐作用的构件保护层厚度提高到6070mm，要求混凝土水胶比不大于0.4，强度至少C40或C50，同时还要求采用环氧涂层钢筋，而我国规范除80年代后的港工规范外，则根本无视发达国家的教训，有的海湾桥梁设计的浪溅区保护层厚度只有30mm，盐土地区桥梁的保护层仅25mm，同时混凝土强度等级有低到C30甚至C25。这些工程建成后大概十年左右就得大修，甚至拆除。 在我国混凝土结构设计规范固守耐久性上低标准的几十年内，外界的条件却发生巨大变化，对混凝土结构的耐久性造成更为不利的影响，主要表现在以下几个方面： 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。 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。 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（CCES012004）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：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；偶然作用，如地震、爆炸的作用；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： 概念设计 结构的选型、布置和构造应有利于减轻环境作用； 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； 确定钢筋的混凝土保护层厚度； 防排水措施 尽可能避免水在混凝土表面的间断作用； 混凝土的裂缝控制； 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； 为保证结构耐久性质量的施工要求与质量控制要求； 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GB 50012 2002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JTJ D602004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EN2061：2000和欧洲混凝土结构设计规范prEN19921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34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（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JTJ D602004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一般环境碳化引起钢筋锈蚀冻融环境反复冻融引起混凝土冻蚀近海或海洋环境氯盐引起钢筋锈蚀除冰盐等其他氯化物环境氯盐引起钢筋锈蚀 1 2 3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 一般环境（无冻融，盐、酸等作用）室内干燥环境-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-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-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 冻融环境微冻地区4混凝土高度饱水5无氯盐3-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-D严寒和寒冷地区4混凝土中度饱水5无氯盐3-C严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面有氯盐3-D严寒和寒冷地区4混凝土高度饱水5无氯盐3-D水位变动区的构件，频繁受雨淋的构件水平表面有氯盐3-E 近海或海洋环境6 水下区-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-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-E靠海的陆上室外构件海上结构的上部构件潮汐区和浪溅区，非炎热地区-E海上结构潮汐区和浪溅区，南方炎热潮湿地区-F海上结构土中区非干湿交替-D7桩干湿交替-E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, -8 oC t 0.55的构件混凝土，不宜采用SP，FP，CP水泥I-B（长期湿润或水中）PO，PI，PII，SP，FP，CPf/0.5 + s/0.71I-B（非干湿交替的室内潮湿环境和露天环境）PO，PI，PII，SP，FP，CP W/B0.4时，f/0.3 + s/0.51W/B0.5时，f/0.2 + s/0.31W/B0.55时，f/0.15 +s/0.251保护层最小厚度25mm或W/B0.5的构件混凝土不建议采用SP，FP，CP水泥I-C（干湿交替）PO，PI，PIIIIII-C，II-D（一般冻融，无盐）PO，PI，PIIf/0.3 + s/0.41一般冻融下如不引气，矿物掺和料量不超过20II-D，II-E （盐冻）PO，PI，PIIIIIIII-D，II-E，III-F PO，PI，PII用量不小于4：f/0.25 + s/0.41 用量不大于：f/0.5 + s /0.8 1当0.5W/B0.4时，需同时满足类环境下的要求；如同时处于冻融环境，掺和料用量的上限尚应满足II类环境要求IVIV-C，IV-D，IV-EPO，PI，PIIV1V1-C，V1-D，V1-EPI，PII，PO，SR，HSR当0.5W/B0.4时，矿物掺和料用量的上限需同时满足类环境下的要求；如同时处于冻融环境，掺和料用量的上限尚应满足II类环境要求；V2V2-C，V2-D，V2-EPI，PII，PO 作用等级D、E时，掺和料的用量同限制III类环境V3V3-E，V3-FPI，PII，PO，SR，HSR见4.0.15条 注：1、表中水泥符号：PI硅酸盐水泥，PII掺混合材料料5%的硅酸盐水泥，PO掺混合材料料615%的普通硅酸盐水泥，SP矿渣硅酸盐水泥，FP粉煤灰硅酸盐水泥，PP火山灰质硅酸盐水泥，CP复合硅酸盐水泥，SR抗硫酸盐硅酸盐水泥，HSR高抗硫酸盐水泥。 2、矿物掺和料指配制混凝土时外加的活性矿物掺和料与水泥生产时加入的粉煤灰、矿渣、火山灰等活性混合材料料的总量。符号：S矿渣，F粉煤灰或火山灰，SF硅灰，均用重量表示，表中公式内的s和f分别表示矿渣S和粉煤灰（或火山灰）F占（SF）总量的比值。 计算水胶比W/B的胶凝材料总量为： B CSFSF，其中C对PI 和PII水泥按全量取用，对PO水泥按全量扣除混合材料后取用，其中的活性混合材料则列入矿渣、粉煤灰和火山灰中（如生产厂家不能提供数据，则取C为85水泥重，活性混合材料按10水泥重的F计算）。对其他混合水泥，计算方法同PO水泥（如生产厂家不能提供数据，则不宜采用）。 3、表中未列入的其他符合国家标准或行业标准的水泥（如硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥，适用于非高温地区）也可考虑使用。其他的活性矿物掺和料（如烧高岭土粉、磷渣粉、沸石岩粉等）如经类比试验，能证明满足所要求的混凝土强度与耐久性，并经工程试点和鉴定的也可作为限定范围内的胶凝材料用来确定表3中的水胶比和最小胶凝材料用量。 4、氯盐环境下如不能满足矿物掺和料的最低用量要求，就有需要降低表3中的最大水胶比或增加表混凝土保护层最小厚度。5、V1化学腐蚀环境对矿物掺和料的用量要求，尚与水泥的C3A等含量有关。 英国的混凝土结构设计规范也用水灰比，并明确注明矿物掺和料一起计入水泥。所以这样的水灰比应该叫水胶比w/B(water to binder ratio)更为明确，其中的水泥和矿料都同样按足量计算。在美国的规范中，一般用的是水胶比，胶凝材料中的水泥和矿物掺和料也一起按足量计算；但美国常用的ASTM型到型水泥均属硅酸盐水泥（portland cement），不含矿物混合料，胶凝材料中的矿物掺和料多是配制混凝土时外加的。欧洲许多国家规范（除英国）和欧洲规范中所用的水灰比w/c，实际上是有效水胶比，其中允许将粉煤灰等活性矿物掺和料的用量乘上一个系数k后限量计入水泥，如对粉煤灰取k等于0.20.4。这样，对于配比为水泥300kg、粉煤灰100kg 、水160kg 的混凝土来说，按照英、美、加拿大等规范计算的水胶比或水灰比是0.4，而在其他欧洲国家规范和欧洲规范计算的水灰比则为0.5（取粉煤灰k=0.2）或0.47（k=0.4）。如按我国规范计算，水灰比应为0.4（如将矿物掺和料全量计入水泥），但也可以误为0.53（如果不计矿物掺和料）。指南中用水胶比w/B取代水灰比，明确规定粉煤灰、矿渣、硅粉等具有潜在水硬性的矿物掺和料可以足量计入胶凝材料，但石灰石粉那样的非活性掺和料不能计入胶凝材料。在计算水胶比时，指南要求对于不同环境类别下的混凝土，其胶凝材料的品种和用量必须在规定的限定范围内。比如：在碳化引起钢筋锈蚀的环境下，胶凝材料中的矿物掺和料和混合料最大用量应随水胶比的增长而减少，对于较高的水胶比，每方混凝土中胶凝材料内的硅酸盐水泥含量不能低于240 kg/m3以防止混凝土过早碳化。又如在氯盐环境下，混凝土的水胶比基本上都不会超过0.4，保护层又厚，碳化不至于成为问题，则规定胶凝材料中的矿物掺和料需有最低用量的要求，以提高混凝土抗氯盐侵入的能力。同样强度等级但原材料组分不同的混凝土，通常不会影响荷载作用下的构件承载力，但在不同环境条件下的耐久性可以迥异。在氯盐环境下，低水胶比的大掺量矿物掺和料混凝土，抵抗氯离子侵入的能力要比同样水胶比但不加矿物掺和料的硅酸盐水泥混凝土高得多。 提到混凝土材料的耐久性质量时不能不顾及混凝土施工的养护要求。我国混凝土结构施工规范中对混凝土的养护要求并不能满足结构耐久性的需要，必须在耐久性设计中专门提出要求。对于氯盐和其他化学腐蚀环境下的混凝土，指南要求潮湿养护的期限应不少于7天，且养护结束时混凝土达到的最低强度（根据工地现场养护的小试件测得，其养护条件与现场混凝土相同）与其28天强度的比值应不低于70；对于大掺量矿物掺和料混凝土，在潮湿养护期正式结束后，如大气环境干燥或多风，仍宜继续保湿养护一段时间，如喷涂养护剂、包裹塑料膜或外罩覆盖层等措施，防止混凝土表面的水分蒸发。对于一般环境下和无盐的冻融环境，混凝土（大掺量矿物掺和料混凝土除外）湿养护的期限至少应不小于3天，且养护结束时混凝土达到的最低强度与28天强度的比值应不低于40。 2.5 钢筋的混凝土保护层厚度 在我国的混凝土结构设计规范中，钢筋的混凝土保护层最小厚度一般均对纵向受力钢筋（主筋）而言。从耐久性的角度看，最外层的箍筋或分布筋应该最早受到侵蚀，箍筋的锈蚀可引起沿箍筋的环向开裂，而墙、板中分布筋的锈蚀除引起开裂外，还会发生保护层的成片剥落。既然耐久性设计主要以适用性作为使用寿命终结的极限状态，所以对保护层最小厚度的要求应同时适用于分布筋和箍筋，原有的欧洲模式规范和新的欧洲规范都是这样做的。 我国规范也没有很好考虑保护层厚度的施工偏差对钢筋锈蚀的重大影响。以建工系统的施工规范为例，其中规定混凝土保护层厚度的允许偏差为梁、柱5mm，板、墙、壳3mm，实际上根本难以做到，所以在施工质量验收规范中又将保护层的允许偏差放宽到梁柱+10、 -7 mm，板墙+8、-5 mm。这些允许偏差对构件的强度或承载力来说影响轻微，但对耐久性却会造成致命伤害。如果板中钢筋的保护层厚度为20mm，则-5mm的允许偏差可使这一钢筋开始发生锈蚀的年限缩短45%，对于耐久性设计来说显然不能接受。所以用于结构计算和标注于施工图上的保护层厚度必须考虑施工允许偏差，在欧洲模式规范和欧洲新的规范中都明确规定这一厚度应是保护层最小厚度（minimum cover）与保护层施工允差之和，称为保护层名义厚度（nominal cover）。有的国家规范规定的保护层厚度中则已包含了施工允差的影响。保护层的施工允差，一般都取正负偏差相等（），欧洲规范规定的保护层允差对梁板为515mm，一般取10mm，美国和加拿大规范规定的保护层允差对梁柱一般为12mm。国内有的工程为了保证结构耐久性，专门要求施工单位保证保护层厚度的施工允差为10和0mm，如果构件的截面高度不是很大，这种做法反过来会影响到构件的承载力，是不宜采用的。表5 混凝土保护层1最小厚度2cmin （mm）环境作用等级ABC3DEF板、墙等面形构件设计使用年限30年151525354045设计使用年限50年152030404550设计使用年限100年203040455055梁、柱等条形构件3设计使用年限30年202530404550设计使用年限 50年253035455055设计使用年限100年303545505560 注：1、表中根据耐久性需要的混凝土保护层最小厚度，其混凝土的强度等级与水胶比需符合表3的要求，胶凝材料的品种和用量需在限定的范围内。如实际采用的混凝土水胶比低于表3中的最大水胶比一个级差，且水胶比不大于0.45，或实际采用的混凝土强度等级高于表4.0.2中的10MPa以上，则保护层的最小厚度可比上表中的数值适当减小，但两者的差值一般不宜超过5mm。 2、表中的保护层最小厚度值如小于所保护钢筋的直径，则取cmin与钢筋直径相同。 3、对于一般冻融（无盐）环境下的引气混凝土，混凝土保护层的最小厚度可按表2的环境作用等级降低一级后按上表选用。 4、直接接触土体浇筑的混凝土保护层厚度应不小于70mm。 5、处于流动水中或同时受水中泥砂冲刷侵蚀的构件保护层厚度应适量增加1020 mm。对于风砂等特殊磨蚀环境下的构件保护层厚度应通过专门研究确定。 所以指南中规定，混凝土结构设计时用于构件强度计算和标注于施工图上的钢筋（包括主筋、箍筋和分布筋）保护层厚度应为名义厚度c，不应小于表5中的保护层最小厚度cmin与保护层厚度施工允差之和，即：c cmin + 式中的施工允差，对现浇混凝土构件一般可取10mm（构件较薄时可稍低），对工厂生产的预制构件可取05mm，视钢筋施工的定位工艺和质量保证的可靠程度而定，必要时应取更大的数值。对于具有防腐连续密封护套（或防腐连续密封孔道管）的后张预应力钢筋，保护层最小厚度cmin可取与普通钢筋的相同，对于先张预应力筋和护套（或孔道管）不具密封功能的后张预应力钢筋，保护层最小厚度cmin应比表中数值增加10mm。 设计中要同时规定保护层厚度的施工合格验收标准，指南要求对同一构件测得的钢筋保护层厚度，如有95%或以上的测量数据大于或等于保护层最小厚度cmin（表5）则认为合格；否则可增加同样数量的测点，按两次检测的全部数据进行统计，如仍不能有95%及以上的测点厚度大于或等于cmin，则认为不合格。要达到这样的验收标准，名义厚度中的施工允差就不能太小。即使是10mm的施工允差，对于国内一般工地来说也不是容易做到的，必须采取专门的质量控制和保证制度才成，因为与10mm允差相应的均方差仅为6mm。仅对环境长期干燥或永久浸没于无侵蚀性静止水中的构件，可在设计中取用较小的值，并在设计文件中降低对保护层厚度施工合格验收的标准。 3、需完善的若干方面 3.1混凝土技术规范的编制我国有混凝土结构的设计与施工规范，也有水泥、砂石、掺和料等混凝土原材料的标准和混凝土配合比设计标准，但却没有一本完整的混凝土技术标准，可以说是我国混凝土技术落后于国际水准的标志之一。为了提高混凝土结构的耐久性质量，在大力推广商品混凝土的今天，更需要有这样一本标准。现有的商品混凝土只能提供强度等级和坍落度两个技术指标，不能满足不同环境条件和不同用途的需要。比如一般环境下的混凝土水胶比通常较高，需要限制粉煤灰等矿料在胶凝材料中的最大用量以防止钢筋过早发生碳化引起的锈蚀，而氯盐环境下的低水胶比混凝土则相反，这两种混凝土对原材料引入的氯离子量限值也不同。在严重环境作用下，混凝土骨料最大粒径与保护层厚度的比值应不大于1/2，而一般环境下则可以是2/3甚至3/4。这些要求如果都需结构工程师提出是比较困难的，以往也缺乏这种传统，所以结构工程师只能提出使用的环境条件和用途，应该由混凝土供应商按照混凝土技术规范的规定提供不同环境类别所需的混凝土。当然，大型工程的混凝土技术条件宜由结构工程师会同材料工程师共同设计制订。我们现在就缺少这么一本规范，在混凝土结构耐久性设计与施工指南中，不得不越俎代庖，而且提出的混凝土技术条件也不够完整。作为欧洲混凝土技术标准EN206-1的英国补充标准BS8500中，提出了五种类型混凝土的技术标准或技术条件，分别是指定型混凝土、设计型混凝土、处方型混凝土、标准处方型混凝土，专利型混凝土，结构工程师可以根据结构的不同用途（如房屋上部结构、基础、路面）以及是否有冻融或氯盐的侵蚀作用等不同环境条件选用；欧洲混凝土规范则宏观地将混凝土划分为设计型和处方型两种。 3.2 制定混凝土耐久性参数与环境作用因素的统一测试方法和标准水、土中的环境作用因素如硫酸根离子和氯离子以及混凝土中的氯离子测定方法在我国比较混乱，需要明确和统一测试标准。一些资料中提出的数据也往往不标明测试方法。由于国内缺乏测试方法的研究，常引用不同国家的方法，测得的数据可能会有较大的差别。以土中硫酸盐为例，有的用酸溶法测得的是总的硫酸根离子，从硫酸盐对混凝土的侵蚀角度看，取用水溶值比较合理。可是同样是水溶值，按照我国国标GB7871-87森林土壤水溶性盐分析的方法，用的是1：5的土水比例萃取，土的试样通过2mm筛，加水后只振荡3分钟；而英国标准BS 1377-3土木工程用土的化学与电化学试验则规定用1：2的土水比例萃取，土的试样要粉碎至通过0.425mm筛，加水后需振荡16小时；加拿大标准A23.2-04混凝土用试验方法标准中的土中水溶硫酸盐和总硫酸盐测试方法（A23.2-3B）,则规定水溶法试验时的土水比例与总硫酸盐量（酸溶值）成正比，取为总硫酸盐量（%）的9倍，试样通过0.325mm筛，加水后振荡6小时。不同的测试方法所适用的浓度范围有可能不同，有必要对不同方法进行对比。在可能条件下，我国混凝土用的测试方法宜尽可能与国际通用的标准取齐。 冻融环境下混凝土的抗冻性能现在常用抗冻等级表示，但国内不同行业所取用的标准也不一样，比如同样是F300，水运和港工标准指的是300次快速冻融后的动弹模降到初始值的75%，而水工、公路和工民建标准则为300次快速冻融后的动弹模降到初始值的60%，二者的抗冻性能显然有别。在指南编制中，统一用抗冻耐久性指数DF值表示以免混淆。含气量是混凝土抗冻性能的重要指标之一，当前国内市场的引气剂质量参差不齐，有的只适用于泵送而无助于抗冻，所以引气混凝土必须同时通过抗冻等级（抗冻耐久性指数）或气泡间隔系数的测定。在实验室条件下测定新拌混凝土含气量或制作引气混凝土试件时，都应该通过振动台上振动密实而不能仅用插棒捣实。 不同设计使用年限下对混凝土抗冻等级或DF值的要求，是冻融环境下有待进一步论证的问题之一。指南认同这样的观点，即冻融破坏主要是一种“事件”，不完全象钢筋锈蚀那样是一种持续不断发展的劣化结果，在混凝土的使用年限与所需的抗冻等级之间更不可能存在线性比例关系；如果在一定的年限内没有冻蚀，则在更长的年限内也就不会冻蚀或者仅需稍许增加一些抗冻能力就可满足要求，所以100年和50年设计使用年限的混凝土，所要求的抗冻性能可以仅有很小差别。 有的与使用寿命有关的环境作用参数和材料耐久性参数的确定方法应该与所用的计算模型有关。比如现在常用Fick第二定律的误差函数解析解公式来预测氯盐环境下钢筋开始发生锈蚀的年限，则其中的扩散系数D只能用表观扩散系数Da ，后者需根据现场实测混凝土构件不同深度上的氯离子浓度分布，用这一公式进行曲线拟合、回归得出；这里不能直接取用根据实验室快速试验方法获得的瞬态扩散系数Dp。上述公式中的混凝土表面氯离子浓度，也必须用同样的拟合、回归方法求得的表观值Csa，而不能用实测的表层氯离子浓度，因为后者受外部因素和碳化的影响，往往远离Fick公式的规律。正因为Da是用公式拟合回归得出的，所以尽管Da随混凝土暴露于氯盐环境的年限增长而降低，但并不违反这一解析解得以成立的前提，即暴露时期内的扩散系数D为定值。相反，如以扩散系数随时间变化为前提导出另一种解析解，其中的扩散系数就不能仍然引用Da。 3.3 关于混凝土的耐久性质量指标 混凝土的耐久性质量可用两种方式表达：一种是宏观地用混凝土的最大水胶比、最低强度等级和限定范围的原材料综合在一起加以控制；另一种是用定量的耐久性参数如扩散系数、抗冻等级、含气量、抗渗标号等表达。前者通用于各种场合，后者则需作专门测试，通常用于较重要的工程和严重冻融环境下的工程。 迄今为止，在国内外混凝土结构的设计规范中，对于结构混凝土的耐久性质量要求，用的都是传统的宏观控制方法。有的学者强调“强度”和“耐久性”属于两种不同的概念，认为在耐久性质量指标中不能有“强度”出现。但是，如果用相同原材料配制混凝土，强度高的也愈密实，所以不能说强度与耐久性无关；其次，混凝土抗冻蚀、抗盐结晶破坏、抗锈蚀涨裂的能力更与其强度直接相关。现代混凝土的矿料掺量较大，水化速度慢，为了保证混凝土耐久性所需的早期养护期限，通过强度发展的测试也能间接判断混凝土的成熟度，所以将强度作为混凝土耐久性综合指标之一应该是适宜和需要的，何况强度在各种场合下均须测试，数据本来是现成的。此外，为进行结构的承载力设计，也必须从耐久性要求出发对混凝土提出一个最低强度等级的要求。现在有的工程做完了承载力设计计算，出了施工图，最后才发现计算所用的混凝土强度等级，远低于与耐久性所需水胶比相应的混凝土强度。 也有学者认为应该用拌合水用量取代水胶比作为耐久性质量指标。从理论上讲，通过拌合水用量的限制既可控制最大水胶比，又能控制浆体的最大用量，可奏一箭双雕之效。但拌合水用量又受骨料粒形、骨料级配、减水剂质量等众多因素影响，要在通用标准中提出一个可与环境作用等级挂钩的拌合水最大用量指标，至少还缺乏实践经验的积累。 现有的混凝土耐久性参数，只能反映耐久性能的相对比较。有的参数如抗渗标号基本上没有什么用处。对于氯盐环境下的混凝土，扩散系数是一个重要参数。氯离子在混凝土中的扩散系数有许多种，建议首选28天龄期混凝土用快速电迁移方法测定的的氯离子扩散系数DRCM，DRCM既能用于早期的混凝土施工质量控制，又能结合表观扩散系数随暴露年限的衰减规律进行使用年限的预测，而且测试方法并不复杂。对于一般环境下碳化引起的钢筋锈蚀，通过混凝土水胶比、强度等级和矿料用量的限制，已足能控制所需的混凝土耐久性质量，看来没有必要再