混凝土耐久性指标

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 标准标准 混凝土结构耐久性设计与施工指南混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES CCES 0101 20042004 20052005 年修订版年修订版 中有关耐久中有关耐久 性设计部分的基本考虑以及需要进一步完善的内容 性设计部分的基本考虑以及需要进一步完善的内容 1 1 混凝土结构的耐久性现状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 75 100 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 3 1 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 60 70mm 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 2 混凝土结构耐久性设计与施工指南混凝土结构耐久性设计与施工指南 简介简介 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 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 D60 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 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 D60 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 表表 1 环境类别环境类别 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 1 2 2 3 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 表表 2 环境作用等级环境作用等级 环境类别环境条件 1 作用 等级 示例 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 一般环境 无冻融 盐 酸等作用 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 无氯盐 3 C 微冻地区 4 混凝土高度饱水 5 有氯盐 3 D 微冻地区水位变动区的构件 频繁 受雨淋的构件水平表面 无氯盐 3 C严寒和寒冷地区 4 混凝土中度饱水 5 有氯盐 3 D 严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向 表面 无氯盐 3 D 冻融环境 严寒和寒冷地区 4 混凝土高度饱水 5 有氯盐 3 E 水位变动区的构件 频繁受雨淋的 构件水平表面 水下区 D7 长期浸没于海水中的柱墩 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 大 气 区 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 非干湿交替 D7桩 近海或海 洋环境 6 土 中 区 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 7 1 I B 非干湿交替的 室内潮湿环境和露天 环境 PO PI PII SP FP CP 保护层最小厚度 25mm 或 W B 0 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 PII W B 0 4 时 f 0 3 s 0 5 1 W B 0 5 时 f 0 2 s 0 3 1 W B 0 55 时 f 0 15 s 0 25 1 II C II D 一般冻融 无盐 PO PI PII II II D II E 盐冻 PO PI PII f 0 3 s 0 4 1 一般冻融下如不引气 矿物 掺和料量不超过 20 IIIIII D II E III F PO PI PII IVIV C IV D IV EPO PI PII 用量不小于 4 f 0 25 s 0 4 1 用量不大于 f 0 5 s 0 8 1 当 0 5 W B 0 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 V1V1 C V1 D V1 E PI PII PO SR HSR 当 0 5 W B 0 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 F PI 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 6 15 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 S F 总量的比值 计算水胶比 W B 的胶凝材料总量为 B C S F SF 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 2 0 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 5 15mm 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 表表 5 混凝土保护层混凝土保护层 1最小厚度 最小厚度 2cmin mm 环境作用等级ABC3DEF 设计使用年限 30 年151525354045 设计使用年限 50 年152030404550 板 墙等 面形构件 设计使用年限 100 年203040455055 梁 柱等设计使用年限 30 年202530404550 设计使用年限 50 年253035455055条形构件 3 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 10 20 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 0 5mm 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 看来没有必要再在工程设计或施工中引入二氧化碳在混凝土中的扩散系数或标准 试验下的碳化速率等这样的指标 而且碳化速度快的环境 不一定就是碳化引起钢筋锈蚀 最为严重的环境 3 4 预应力体系的耐久性要求 我国现有工程中对预应力体系的保护措施在比较严重的环境作用下明显不足 预应力 筋易发生应力腐蚀 锈蚀进程又难以发现 破坏呈脆性 需要格外重视 在干湿交替的一 般环境和氯离子环境下 应该强调采取多重防护措施 如对后张预应力钢绞线 除灌浆保 护外 必须采用连续密封的高密度塑料孔道管 并根据环境的严重程度 再采用环氧涂层 绞线或在浆体材料中加入阻锈剂 预应力体系的施工必须由具有专门资质的专职企业完成 而不能交给一般的施工单位 在施工质量难以确保的情况下 对于严重环境作用下的重要 预应力结构 特别是设计使用年限需要长到百年的 采用能定期检测并更换的无粘结预应 力体系 看来要比有粘结的更为可靠 对于预应力混凝土的耐久性 需要专门编制一份专 门的文件供设计和施工单位使用 3 5 加强专业之间和各地之间的联系与合作 我国在混凝土结构工程的标准编制和研究上 缺乏不同专业之间的相互配合 在结构 施工和材料专业之间甚少联系 混凝土结构的耐久性问题更需要材料 施工和结构联合起 来解决 以海砂应用为例 最近建设部发文重申 从材料角度提出海砂的氯离子含量不超 过 0 06 干砂重的要求 但 0 06 本是有些国家对各种粗 细骨料的共同规定 如果混凝土 的其他材料只含有轻微的氯离子 则 0 06 干砂重的氯离子量相当于每方混凝土中约含 0 5kg m3 或相当于胶凝材料重的 0 12 尚低于一般设计规范中规定的 0 3 干燥环境中 和 0 15 潮湿环境中 而有的规范更允许干燥环境中可为 1 但对国内许多工程来说 混凝土的设计强度等级很低 水胶比偏高 保护层又薄 那么即使低于 0 06 干砂重的氯 离子量在混凝土迅