第三章 混凝土结构的耐久性设计三

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》

（JTGD62—2004）

学习与应用讲评二零零四年第三章混凝土结构的耐久性设计

新颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》(JTGD62-2004)(以下简称《桥规

JTGD62》)在总则中增加了耐久性设计内容，提出了公路桥涵结构应根据所处的环境条件进行耐久性设计的概念。2004年5月出版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》(CCES01-2004)(以下简称《耐久性设计与施工指南CCES01》)进一步提出了混凝土结构及其构件的耐久性应根据不同的设计年限及相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行设计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构耐久性设计与施工的基本原则与要求。

长期以来，人们受混凝土是一种耐久性能良好的建筑料这一认识的影响，忽视了钢筋混凝土结构耐久性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后，并为此付出了巨大的代价。国内外大量调查分析发现，引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维修的各个环节。虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求，但是，这一宗旨并没有充分地体在具体设计条文中，致使在以往的乃至现在的工程设计中普遍存在重视强度设计而轻视耐久性设计的现象。我国1989年颁布的《混凝土结构设计规范》和1985年颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》涉及结构耐久性的内容很少，除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般规定之外，只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以控制。实践证明，裂缝控制对结构耐久性设计并不起决定性作用。新颁布的《桥规JTGD62》增加了耐久性设计内容，特别是《耐久性设计与施工指南CCES01》提出的混凝土结构应根据不同设计年限及相应的极限状态和不同的环境进行类别及其作用等级进行耐久性设计的概念。明确提出了环境作用下混凝土结构的耐久性设计与施工的基本原则与要求，是结构设计理念上的重大突破，是工程结构科学的重大技术进步，对提高设计质量具有指导意义。混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，产生碳化，冻融，锈蚀作用而影响结构的受力性能。并且结构在使用年限内还会受到各种机械物理损伤（腐损，撞击等）及冲刷、溶蚀、生物侵蚀的作用。混凝土结构的耐久性问题表现为：混凝土损伤（裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等）；钢筋的锈蚀，脆化、疲劳、应力腐蚀；以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面。从短期效果而言，这些问题影响结构的外观和使用功能；从长远看，则会降低结构安全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。

一、混凝土结构的耐久性影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂，主要取决于以下四个方面：（1）混凝土材料的自身特性；（2）混凝土结构的设计与施工质量；（3）混凝土结构所处的环境条件；（4）混凝土结构的使用条件和防护措施。

混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因。混凝土的材料组成，如水灰比、水泥品种和数量，骨料的种类与级配都直接影响混凝土结构的耐久性。混凝土的缺陷（例如裂缝，气泡，空穴等）都会造成水分和侵蚀性物质渗入混凝土内部，与混凝土发生物理化学作用，影响混凝土结构的耐久性。

混凝土结构所处的环境条件和防护措施，是影响混凝土结构耐久性的外因。外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素是对混凝土结构物理化学作用的结果。环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有：

（1）混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。(2)氯离子的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷的冬季向道路、桥面洒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。（3）碱骨料反应碱—骨料反应一般指水泥的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱—硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱—骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱—骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。

(4)冻融循环破坏渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。(5)钢筋锈蚀钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素。混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝，只有将覆盖钢筋表面的碱性钝化膜破坏，加之有水分和氧的侵入，才有可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，并都与最终的混凝土开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快。混凝土结构的耐久性将进一步恶化。在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋锈蚀危害最大，钢筋锈蚀与混凝土碳化有关，混凝土保护层碳化是钢筋锈蚀的前提，水分、氧气的存在是引起钢筋锈蚀的必要条件。因此，提高混凝土结构耐久性的根本途径是增强混凝土密实度，防止或控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。二、混凝土结构耐久性设计原则混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结构的使用环境，与结构设计、施工及养护管理密切相关。综合国内外研究成果和工程经验，一般是从以下三个方面解决混凝土桥梁结构的耐久性：（1）采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身抗破损能力；（2）加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条件；（3）改进桥梁结构设计，其中包括加大混凝土保护层厚度；加强构造钢筋，防止控制裂缝发展；采用具有防腐保护的钢筋（例如：体外预应力筋，无粘结预应力筋，环氧涂层钢筋等）。1.结构混凝土耐久性的基本要求提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比，水泥用量，强度等级均对耐久性有较大影响。新颁布的《桥规JTGD62》在总则中增加耐久性设计内容，明确规定了不同使用环境下，结构混凝土的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定。《桥规JTGD62》规定，公路桥涵应根据所处环境进行耐久性设计。结构混凝耐久性的基本要求应符表2-1的要求：表2-构1结构释混凝亮土耐涛久性债的基怪本要慈求环境类别环境条件最大水灰比最小水泥用量(kg/m3)最低混凝土强度等级最大氯离子含量（%）最大碱含量（kg/m3）Ⅰ温暖或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性的水或土接触的环境0.55275C250.303.0Ⅱ严寒地区的大气环境；使用除冰盐环境；滨海环境0.50300C300.153.0Ⅲ海水环境0.45300C350.103.0Ⅳ受侵蚀性物质影响的环境0.40325C350.103.0注：1、有精关规散范对拉海水陡环境彩结构益混凝绕土中钓最大析水灰扛比和喷最小己水泥旱用量吼有关电详细缸规定蒜时，奖可参糖照执魂行；2、表员中氯麻离子漂含量就系指会其与计水泥贸用量即的百虫分率潜；3、当墙有实宜际工辜程经喇验时泉，处勤于Ⅰ类环古境中钩结构成混凝麦土的糟最低站强度纽奉等级爱可比亩表中脑降低似一个合等级伞；4、预优应力锻混凝证土构漆件混稼凝土贷中的畅最大虽氯离枪子含握量为0.等06肉%，最栋小水梨泥用喂量为35溜0k罢g/火m3，最蹄低混芹凝土辨强度屿等级妻为C4请0，或浙按表尺中规抚定Ⅰ类环标境提此高三另个等掀级，浊其他习环境千类别愈提高祖二个混等级红。5、特徒大桥御和大疮桥混留凝土风中的拐最大院碱含巩量为1.福8k材g/蚂m3，当健处于Ⅲ、Ⅳ类或仿使用敏除冰唇盐和什滨海寸环境响时，结宜使赞用非板碱活先性骨针件。<桥规JT袋G.偿D坐62航>规定端，对钉水位杜变动来区有录抗冻友要求六的结四构混呆凝土萄，其毕抗冻原等级糊不应精低于法表2-秘2的规趴定。注：1、混筝凝土森抗冻宵性试姑验方荒法应爽符合雄现行仿标准<公路乐工程陡水泥伐混凝吼土试碍验规武程>J轿TJ技05快3的规骨定。2、墩爱、台另混凝冲土应聚选比绍表列倒值高烫一级息的抗编冻等竹级。《耐拢久性跃设计奋与施兆工指糕南CC妻ES析01辱》按结绪构设歪计使哀用年造限、大级别娇和环问境作伶用等洽级对拼配筋脉混凝兰土的冤最低震强度检等级增；最绢大水将灰比草和单蹲方混鹿凝土母胶凝掌材料责的最潜低用慨量作陆出了念限值醋规定稻(见顾表3啊)。桥梁所在地区海水环境淡水环境严重受冻地区（最冷月月平均气温低于－8℃）F350F250受冻地区（最冷月月平均气温在－4~－8℃之间）F300F200微冻地区（最冷月月平均气温在0~－4℃之间）F250F150表2-虹2水位颤变动责区混窗凝土束抗冻锣等级铁选用竹标准表3种砼茫最低添强度每等级盒、最辟大水旷胶比弹和胶智凝材策料最牢小用搞量(kg弓/m3)环境等级级别

设计使用年限一级100年二级50年三级30年侵蚀程度A可忽略C30,0.55,280C25,0.60,260C25,0.65,240B轻度C35,0.50,300C30,0.55,280C30,0.60,260C中度C40,0.45,320C35,0.50,300C35,0.50,300D严重C40,0.40,340C40,0.45,320C40,0.45,320E非常严重C45,0.36,360C40,0.40,340C40,0.40,340F极端严重C45,0.32,380C40,0.36,360C40,0.35,360注：任1、始水胶练比：岗混凝占土配奋制时搂的用哪水量往与胶决凝材驴料（抹水泥竞加矿暑物掺许和料但）总酱量之线比。滥在耐截久混河凝土厚的配夕合比扣中，坚常以搅胶凝奏材料纠用量缠的概红念取纤代传晚统的狸水泥序用量鼓，并阳以水恩胶比崭取代四传统口的水川灰比浪作为餐判断吹混凝昏土密花实性宽或耐遭久性供的一乎个宏辜观指摧标。蹈。2、夜桥梁摧结构逮处于宿露天培环境愁，非玻寒冷急地区植环境攻作用岭等级咬一般绑取B级，披寒冷从及严索寒地煤区一讨般取D级或C级，葱除冰靠盐、冬冻融幼环境枣一般瓶取D级或E级，可近海陕或海松洋环乌境一阵般取D或F级。应该什指出炭，表垒2或萝表3侮中给王出的微影响披结构盈混凝罪土耐像久性刮的各符项限俱值规每定中蝴，控辣制混摊凝土毫的最押大水寨灰比档(或间水胶卖比)霜和最冰小水苏泥(情或胶津凝材戏料)宅用量搏是十殊分重棉要的落。水雀灰比谣(或指水胶节比)桐和水窝泥(僚或胶祥凝材狭料)竞用量墙不仅萌影响驳混凝林土的天强度观，而扎且是症影响矿混凝阴土耐相久性羽的主扮要因眯素。势为了裂防止尘钢筋确腐蚀畅以及萄提高内混凝搅土的疑抗冻慌性，姥混凝边土应选尽可硬能地岂密实贵，使门其具慕有良援好的戚抗渗东透性贱能。为此们，除袜了选古择级监配良们好的夹集料滴和精猎心施磨工保凭证混旁凝土夸充分春捣实遗和水亿泥充烛分水袖化外阿，水拉灰比纷是影种响混嫌凝土州密实茂性的商最重紧要的识条件用。为疏了保晃证混教凝土房诚有足量够的鬼耐久筹性，她控制签最低菜水泥戚用量界也很胃重要芬的，情因为丹单位表水泥孔用量检较高宋的混忌凝土泛，混链凝土地拌合刮物比喂较均鼻匀，问可减咱少混旋凝土墓捣实秒中出富现的屡局部锦缺陷爬。混基凝土芳抗冻枕融的膏能力摘与其锋含气绵量有蹄密切啊关系疏，因湿此，希有抗件冻要灰求的弓结构理混凝溪土应小掺入辈适量给的引掌气剂络。2．牲加大葡钢筋怕的混胸凝土滥保护工层厚宫度混凝套土碳街化是竟钢筋舟锈蚀吸的前估提。队就一槽般情疾况而堆言，符只有妇保护态层混韵凝土页碳化慌，钢杨筋表互层钝葡化膜准破坏铲，钢淋筋才蒜有可传能锈软蚀。兆因此经，加忆大钢序筋的申混凝酷土保艳护层办厚度租，是惩保护锐钢筋向免于滑锈蚀享，提绩高混送凝土棕结构脾耐久走性的怖最重轧要的都措施抱之一西。《桥童规JT肿G铲D6电2》给出乎的钢所筋最块小混号凝土唇保护稀层厚海度列异于表炭4。序号构件类型环境条件ⅠⅡⅢ、Ⅳ1基础、桩基承台（1）基坑底面有垫层或侧面有模板（受力钢筋）（2）基坑底面无垫层或侧面无模板4060507560852墩台身、挡土结构、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）3040453人行道构件、栏杆（受力主筋）2025304箍筋2025305缘石、中央分隔带、护拦等行车道构件3040456收缩、温度、分布、防裂等表层钢筋152025表4普通嫁钢筋婆和预甩应力梨直线言钢筋扩最小国混凝纤土保饿护层缘瑞厚度（mm移）注：犹1.府对侄于环蚁氧树影脂涂赚层钢旷筋，言可按颈环境披类别付Ⅰ取舍用；2.稻保护饿层厚喊度大峡于5剧0mm时，竞亦在萍保护虎层内足设置励钢筋妨网。《耐烛久性纸设计放与施镰工CC煌ES含01闷》规定鼓，钢善筋的捏混凝钉土保冲护层咽厚度C一般田应不漫小于穗表给值出的购最小伤保护福层厚铃度与塔保护译层厚敞度施腔工负邪允差球△之农和，撑即C≥垒Cmi配n+△灭，式中沟的施巧工负效允差田△对型现浇肃混凝躬土构避件可膊取5汤~1膀0mm晃，对工犹厂生勾产的仍预制忘构件密可取肯0~龙5mm禽，视钢技筋施元工定统位工铜艺和恒质量叫保证稿的可音靠程踪蝶度而封定，较必要易时可浮取更办高的夹数值表5日混善凝土意保护撞层最吗小厚伏度（mm山）环境作用等级ABCDEF板、墙等面形构件使用年限30年151525354550使用年限50年152030405055使用年限100年203040455560梁、柱等条件构件使用年限30年202530405055使用年限50年253035455560使用年限100年3035455060653．亲加强楼构造拍配筋魂，防隆止和畅控制碗混凝狱土裂贷缝混凝罩土结毒构的魔任何醒损伤奖与破鸭坏，皆一般绒都是婚首先段在混轧凝土槽中出费现裂迈缝，念裂缝升是反邻映混筑凝土包结构锹病害朗的晴偷雨表宰。反端过来哥，裂掏缝的爪存在皇会增盐加混估凝土叉渗透扶性，友提拱衣了使螺侵蚀东破坏促作用突逐步炊升级钩，混裁凝土退耐久惠性不耕断下陵降的领渠道堆。当塞混凝琴土开嘉裂后事，侵钥蚀速扁度将黑加大急加快份，形裁成导刊致混肿凝土善结构勇耐久熟性的繁进一盾步退贵化的赖恶性蜻循环供。因网此，纲防止觉和控欲制混治凝土乘的裂朱缝，台对提豪高混主凝土皂结构蓬的耐才久性邪是十庸分重悄要的模。控浇制混朗凝土把的裂袍缝，然除按忌规范珍要求乓，控捆制正鲜常使锁用极绘限状灿态的失工作锅裂缝幅以外玩，更窑重要栋的是例要采称取构占造措膏施，消控制废混凝芳土施陶工及跌使用送过程蛮大量该出现杜的非茂工作核裂缝骡。《桥丢规JT喷G烦D6陡2》突出士强调烫了加息强水茂平防流缩钢夜筋和府箍筋命在控仪制裂赶缝中森的作洲用，吗提高普了水明平防赔收缩龄钢筋迅的配哭筋率此和箍包筋间纱距的求限制所。《桥隐规JT真G别D6运2》规定尸，T形、I形截露面梁戴或箱漠形截岂面梁尝的腹宜板两遮侧，伤应设竿置直黄径6跌~8mm的纵匪向钢振筋(洽一般渠称水核平防鸦收缩乓钢筋求)，句每腹望板内灯钢筋赖截面锤面积胃宜为织（0迹.0姜01词~0直.0反02辉）bh，其中b为腹尊板宽会度，h为梁聚的高分度，赏其间长距在镜受拉箩区不茧大于册腹板易宽度脖，且备不大慨于2驼00mm送，在受遍压区拒不应知大于庸30智0mm故。在支焦点附痕近剪另力较膀大区哈段和酬预应骗力混舒凝土解梁的糖锚固雷区段肤，腹乖板两论侧纵膨向钢扛筋截炎面面立积应坛予增杜加，延纵向岗钢筋锤的间屯距宜幼为1短00～15寸0mm顷。《桥规JT葱G虑D6扑2》规定溪，箍厕筋宜过采用纪直径握不小住于8mm的变餐形钢顽筋，雹且不栏小于载1/宰4主而筋直标径的家箍筋蕉。其菜间距起应符愉合下累列规敲定：翠箍筋哈间距州不应棉大于扑梁高币的1语/2踩，且厘不大垫于4魔00mm注；当所她箍钢役筋为职按受肿力需枣要的侍纵向牺受压全钢筋秒时，岁不应虚大于焦所箍蜡钢筋四直径叉的1京5倍辟，且泪不应拔大于格40撕0mm阁。在钢创筋绑烈扎搭肆接接咬头范枕围内单的箍衫筋间授距，榆当绑侍扎搭摊接钢渣筋受怒拉时该，不学应大慨于主互钢筋观直径渡的5垂倍，弟且不急大于瞒10误0mm程；当搭遵接钢霞筋受岁压时关，不截应大盆于主虫钢筋读直径叫的1板0倍蚀，且年不大湖于2课00mm矩。在支颤座中物心向寸跨径裁方向午长度持相当脆于不珍小于磨一倍隶梁高银范围德内，趁箍筋传间距带不宜射大于朗10自0mm稀。《桥补规JT窃G暮D6汪2》规定冷，预台应力走混凝持土T形梁赏，I形截筋面梁施和箱话形截涝面梁层腹板越内应仔分别摇设置滤直径喷不小呢于1飞0mm和1哭2mm的箍轿筋，技且应它采用雷带肋市钢筋趁，间聚距不温应大慕于2勺50mm茂；自支陪座中完心起歉长度两不小辆于一普倍梁秆高的湖范围员内，秒应采悠用闭烈合式夸箍筋粮，间普距不脾应大玩于1帝40mm帖。在T形、I形截慌面梁迟的下颤部的芽马蹄熔内，蝇应另柳设直赵径不槐小于涝8mm的闭艺合式狱箍筋猴，间靠距不很应大妇于2袜00mm魄。《桥规JT暴G蛙D6位2》规定址上述毕的上错述指腥标，伞都比宗老桥技规有燃所提楚高。燥腹板疼内由处水平差防收蚀缩钢键筋和打箍筋印构成价的钢腊筋网浇，是警防止再和控钉制收餐缩裂肚缝的逐重要贡构造谈措施似。4．汪提高箩后张屯法预表应力兄钢筋辅管道胃压浆品质量献的措运施后张责法预促应力耀钢筋招管道贡压浆南质量政是影瓦响预珍应力元混凝挺土梁甲耐久郑性的赴关键盟之一笨。《桥捡规JT爱G岗D6夏2》规定南，预穴应力己钢筋遵管道箱压浆抬所用射水泥惯浆的驻抗压腿强度似不应宪低于酿30MP局a，其水也灰比擦为0桶.4佣--意0.蚊5，砌为减累少收剥缩，脂可通游过试隔验掺壳入适钞量膨浆胀剂祥。《耐头久性找设计凑与施番工CC茧ES精01叉》认为短，预灾应力尝筋的归锈蚀裙会