第三章 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計.

1、張樹仁 哈爾濱工業(yè)大學(xué)二零零四年 新頒布的公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范(JTG D62-2004)(以下簡稱橋規(guī) JTG D62)在總則中增加了耐久性設(shè)計內(nèi)容，提出了公路橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所處的環(huán)境條件進行耐久性設(shè)計的概念。2004年5月出版的中國土木工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南(CCES01-2004)(以下簡稱耐久性設(shè)計與施工指南CCES01)進一步提出了混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的耐久性應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計年限及相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境類別及其作用等級進行設(shè)計的概念，明確提出了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工的基本原則與要求。 長期以來，人們受混凝土是一種耐久性能良好的建

2、筑料這一認識的影響，忽視了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，造成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的相對滯后，并為此付出了巨大的代價。國內(nèi)外大量調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及維修的各個環(huán)節(jié)。雖然在許多國家的設(shè)計規(guī)范中都明確規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求，但是，這一宗旨并沒有充分地體在具體設(shè)計條文中，致使在以往的乃至現(xiàn)在的工程設(shè)計中普遍存在重視強度設(shè)計而輕視耐久性設(shè)計的現(xiàn)象。我國1989年頒布的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和1985年頒布的公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范涉及結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)容很少，除了一些保證結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施的一般規(guī)定之外，只對影響混凝土耐久性的裂縫寬度加以

3、控制。 實踐證明，裂縫控制對結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計并不起決定性作用。新頒布的橋規(guī) JTG D62增加了耐久性設(shè)計內(nèi)容，特別是耐久性設(shè)計與施工指南CCES01提出的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計年限及相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境進行類別及其作用等級進行耐久性設(shè)計的概念。明確提出了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計與施工的基本原則與要求，是結(jié)構(gòu)設(shè)計理念上的重大突破，是工程結(jié)構(gòu)科學(xué)的重大技術(shù)進步，對提高設(shè)計質(zhì)量具有指導(dǎo)意義?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生碳化，凍融，

4、銹蝕作用而影響結(jié)構(gòu)的受力性能。并且結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)還會受到各種機械物理損傷（腐損，撞擊等）及沖刷、溶蝕、生物侵蝕的作用?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性問題表現(xiàn)為：混凝土損傷（裂縫、破碎、酥裂、磨損、溶蝕等）；鋼筋的銹蝕，脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕；以及鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱等三個方面。從短期效果而言，這些問題影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用功能；從長遠看，則會降低結(jié)構(gòu)安全度，成為發(fā)生事故的隱患，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。 一、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素十分復(fù)雜，主要取決于以下四個方面：（1）混凝土材料的自身特性；（2）混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量；（3）混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件；（4）混凝土結(jié)構(gòu)的使用

5、條件和防護措施。 混凝土材料的自身特性和結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量是決定其耐久性的內(nèi)因?；炷恋牟牧辖M成，如水灰比、水泥品種和數(shù)量，骨料的種類與級配都直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷恋娜毕荩ɡ缌芽p，氣泡，空穴等）都會造成水分和侵蝕性物質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，與混凝土發(fā)生物理化學(xué)作用，影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。 混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件和防護措施，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的外因。外界環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是環(huán)境因素是對混凝土結(jié)構(gòu)物理化學(xué)作用的結(jié)果。環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞主要有： （1）混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進混凝土中的二氧化碳和其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。一般

6、情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護作用。碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化，使混凝土的堿性降低，鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。 (2) 氯離子的侵蝕氯離子對混凝土的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯離子的主要來源，北方寒冷的冬季向道路、橋面灑鹽化雪除冰都有可能使氯離子滲入混凝土中。氯離子對混凝土的侵蝕屬于化學(xué)侵蝕，對結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的銹蝕。（3）堿骨料反應(yīng) 堿骨料反應(yīng)一般指水泥的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)，生成堿硅酸鹽凝膠，并吸水產(chǎn)生膨脹壓力，造成混凝土開裂。堿骨料反應(yīng)

7、引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果更為嚴(yán)重。堿骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，所以有時也稱堿骨料反應(yīng)是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。 (4) 凍融循環(huán)破壞滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強度降低。(5) 鋼筋銹蝕鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的重要因素?；炷林袖摻罡g的首要條件是混凝土的碳化和脫鈍，只有將覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜破壞，加之有水分和氧的侵入，才有可能引起鋼筋的腐蝕。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的縱向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘

8、結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減少，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。值得注意的是，幾乎所有侵蝕混凝土和鋼筋的作用都需要有水作介質(zhì)。另一方面，幾乎所有的侵蝕作用對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞都與侵蝕作用引起的混凝土膨脹，并都與最終的混凝土開裂有關(guān)。而且當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，腐蝕速度將大大加快?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性將進一步惡化。在影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的諸多因素中，鋼筋銹蝕危害最大，鋼筋銹蝕與混凝土碳化有關(guān)，混凝土保護層碳化是鋼筋銹蝕的前提，水分、氧氣的存在是引起鋼筋銹蝕的必要條件。因此，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的根本途徑是增強混凝土密實度，

9、防止或控制混凝土開裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保護層的厚度，防止由于混凝土保護層碳化引起鋼筋鈍化膜的破壞。二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計原則混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性取決于混凝土材料的自身特性和結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境，與結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及養(yǎng)護管理密切相關(guān)。綜合國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗，一般是從以下三個方面解決混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性：（1）采用高耐久性混凝土，增強混凝土的密實度，提高混凝土自身抗破損能力；（2）加強橋面排水和防水層設(shè)計，改善橋梁的環(huán)境作用條件；（3）改進橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括加大混凝土保護層厚度；加強構(gòu)造鋼筋，防止控制裂縫發(fā)展；采用具有防腐保護的鋼筋（例如：體外預(yù)應(yīng)力筋，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，環(huán)氧涂層鋼

10、筋等）。1. 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求 提高混凝土自身的耐久性是解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的前提和基礎(chǔ)?；炷恋哪途眯灾饕Q于混凝土的材料組成，其中水灰比，水泥用量，強度等級均對耐久性有較大影響。新頒布的橋規(guī)JTG D62在總則中增加耐久性設(shè)計內(nèi)容，明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下，結(jié)構(gòu)混凝土的基本要求，對影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級、最大氯離子含量和堿含量做出了限制規(guī)定。橋規(guī)JTG D62規(guī)定，公路橋涵應(yīng)根據(jù)所處環(huán)境進行耐久性設(shè)計。結(jié)構(gòu)混凝耐久性的基本要求應(yīng)符表2-1的要求：表表2-12-1 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求環(huán)境類別環(huán)境條件最大水灰比最小水泥用量(kg/m3)最低

11、混凝土強度等級最大氯離子含量（%）最大堿含量（kg/m3）溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境；與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境0.55275C250.303.0嚴(yán)寒地區(qū)的大氣環(huán)境；使用除冰鹽環(huán)境；濱海環(huán)境0.50300C300.153.0海水環(huán)境0.45300C350.103.0受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境0.40325C350.103.0注：1、有關(guān)規(guī)范對海水環(huán)境結(jié)構(gòu)混凝土中最大水灰比和最小水泥用量有關(guān)詳細規(guī)定時，可參照執(zhí)行；2、表中氯離子含量系指其與水泥用量的百分率；3、當(dāng)有實際工程經(jīng)驗時，處于類環(huán)境中結(jié)構(gòu)混凝土的最低強度等級可比表中降低一個等級；4、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%，最小

12、水泥用量為350kg/m3，最低混凝土強度等級為C40，或按表中規(guī)定類環(huán)境提高三個等級，其他環(huán)境類別提高二個等級。5、特大橋和大橋混凝土中的最大堿含量為1.8kg/m3，當(dāng)處于、類或使用除冰鹽和濱海環(huán)境時，宜使用非堿活性骨件。 規(guī)定，對水位變動區(qū)有抗凍要求的結(jié)構(gòu)混凝土，其抗凍等級不應(yīng)低于表2-2的規(guī)定。注：1、混凝土抗凍性試驗方法應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JTJ053的規(guī)定。2、墩、臺混凝土應(yīng)選比表列值高一級的抗凍等級。耐久性設(shè)計與施工指南CCES01按結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限、級別和環(huán)境作用等級對配筋混凝土的最低強度等級；最大水灰比和單方混凝土膠凝材料的最低用量作出了限值規(guī)定(見表3)。橋梁所在地區(qū)海水環(huán)境淡水

13、環(huán)境嚴(yán)重受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫低于8）F350F250受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在48之間）F300F200微凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在04之間）F250F150表2-2 水位變動區(qū)混凝土抗凍等級選用標(biāo)準(zhǔn) 表表3 3 砼最低強度等級、最大水膠比和膠凝材料最小用量砼最低強度等級、最大水膠比和膠凝材料最小用量( (kg/mkg/m3 3) ) 環(huán)境等級級別 設(shè)計使用年限一級100年二級50年三級30年侵蝕程度A可忽略C30,0.55,280C25,0.60,260C25,0.65,240B輕度C35,0.50,300C30,0.55,280C30,0.60,260C中度C40,0.45,320

14、C35,0.50,300C35,0.50,300D嚴(yán)重C40,0.40,340C40,0.45,320C40,0.45,320E非常嚴(yán)重C45,0.36,360C40,0.40,340C40,0.40,340F極端嚴(yán)重C45,0.32,380C40,0.36,360C40,0.35,360注：1、水膠比：混凝土配制時的用水量與膠凝材料（水泥加礦物摻和料）總量之比。在耐久混凝土的配合比中，常以膠凝材料用量的概念取代傳統(tǒng)的水泥用量，并以水膠比取代傳統(tǒng)的水灰比作為判斷混凝土密實性或耐久性的一個宏觀指標(biāo)。 2、橋梁結(jié)構(gòu)處于露天環(huán)境，非寒冷地區(qū)環(huán)境作用等級一般取B級，寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)一般取D級或C級，除冰

15、鹽、凍融環(huán)境一般取D級或E級，近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境一般取D或F級。 應(yīng)該指出，表2或表3中給出的影響結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的各項限值規(guī)定中，控制混凝土的最大水灰比(或水膠比)和最小水泥(或膠凝材料)用量是十分重要的。水灰比(或水膠比)和水泥(或膠凝材料)用量不僅影響混凝土的強度，而且是影響混凝土耐久性的主要因素。為了防止鋼筋腐蝕以及提高混凝土的抗凍性，混凝土應(yīng)盡可能地密實，使其具有良好的抗?jié)B透性能。 為此，除了選擇級配良好的集料和精心施工保證混凝土充分搗實和水泥充分水化外，水灰比是影響混凝土密實性的最重要的條件。為了保證混凝土有足夠的耐久性，控制最低水泥用量也很重要的，因為單位水泥用量較高的混凝土，混凝土

16、拌合物比較均勻，可減少混凝土搗實中出現(xiàn)的局部缺陷?；炷量箖鋈诘哪芰εc其含氣量有密切關(guān)系，因此，有抗凍要求的結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)摻入適量的引氣劑。 2加大鋼筋的混凝土保護層厚度 混凝土碳化是鋼筋銹蝕的前提。就一般情況而言，只有保護層混凝土碳化，鋼筋表層鈍化膜破壞，鋼筋才有可能銹蝕。因此，加大鋼筋的混凝土保護層厚度，是保護鋼筋免于銹蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最重要的措施之一。橋規(guī)JTG D62給出的鋼筋最小混凝土保護層厚度列于表4。序號構(gòu) 件 類 型環(huán)境條件、1基礎(chǔ)、樁基承臺（1）基坑底面有墊層或側(cè)面有模板 （受力鋼筋） （2）基坑底面無墊層或側(cè)面無模板4060507560852墩臺身、擋土結(jié)構(gòu)、涵洞、

17、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）3040453人行道構(gòu)件、欄桿（受力主筋）2025304箍筋2025305緣石、中央分隔帶、護攔等行車道構(gòu)件3040456收縮、溫度、分布、防裂等表層鋼筋152025 注：1. 對于環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，可按環(huán)境類別取用； 2.保護層厚度大于50mm時，亦在保護層內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)。耐久性設(shè)計與施工CCES01規(guī)定，鋼筋的混凝土保護層厚度C一般應(yīng)不小于表給出的最小保護層厚度與保護層厚度施工負允差之和，即CCmin+，式中的施工負允差對現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件可取510mm，對工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件可取05mm，視鋼筋施工定位工藝和質(zhì)量保證的可靠程度而定，必要時可取更高的數(shù)值環(huán)境作用等

18、級ABCDEF板、墻等面形構(gòu)件使用年限30年151525354550使用年限50年152030405055使用年限100年203040455560梁、柱等條件構(gòu)件使用年限30年202530405055使用年限50年253035455560使用年限100年303545506065 3加強構(gòu)造配筋，防止和控制混凝土裂縫 混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表。反過來，裂縫的存在會增加混凝土滲透性，提拱了使侵蝕破壞作用逐步升級，混凝土耐久性不斷下降的渠道。當(dāng)混凝土開裂后，侵蝕速度將加大加快，形成導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的進一步退化的惡性循環(huán)。因此，防

19、止和控制混凝土的裂縫，對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是十分重要的?？刂苹炷恋牧芽p，除按規(guī)范要求，控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構(gòu)造措施，控制混凝土施工及使用過程大量出現(xiàn)的非工作裂縫。橋規(guī)JTG D62突出強調(diào)了加強水平防縮鋼筋和箍筋在控制裂縫中的作用，提高了水平防收縮鋼筋的配筋率和箍筋間距的限制。 橋規(guī)JTG D62規(guī)定， T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹板兩側(cè)，應(yīng)設(shè)置直徑68mm的縱向鋼筋(一般稱水平防收縮鋼筋)，每腹板內(nèi)鋼筋截面面積宜為（0.0010.002）bh，其中b為腹板寬度，h為梁的高度，其間距在受拉區(qū)不大于腹板寬度，且不大于200mm，在受壓區(qū)不應(yīng)大于300mm

20、。在支點附近剪力較大區(qū)段和預(yù)應(yīng)力混凝土梁的錨固區(qū)段，腹板兩側(cè)縱向鋼筋截面面積應(yīng)予增加，縱向鋼筋的間距宜為100150mm。橋規(guī)JTG D62規(guī)定，箍筋宜采用直徑不小于8mm的變形鋼筋，且不小于1/4主筋直徑的箍筋。其間距應(yīng)符合下列規(guī)定：箍筋間距不應(yīng)大于梁高的1/2，且不大于400mm；當(dāng)所箍鋼筋為按受力需要的縱向受壓鋼筋時，不應(yīng)大于所箍鋼筋直徑的15倍，且不應(yīng)大于400mm。在鋼筋綁扎搭接接頭范圍內(nèi)的箍筋間距，當(dāng)綁扎搭接鋼筋受拉時，不應(yīng)大于主鋼筋直徑的5倍，且不大于100mm；當(dāng)搭接鋼筋受壓時，不應(yīng)大于主鋼筋直徑的10倍，且不大于200mm。在支座中心向跨徑方向長度相當(dāng)于不小于一倍梁高范圍內(nèi)，箍筋間距不宜大于100mm。橋規(guī)JTG D62規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，I形截面梁和箱形截面梁腹板內(nèi)應(yīng)分別設(shè)置直徑不小于10mm和12mm的箍筋，且應(yīng)采用帶肋鋼筋，間距不應(yīng)大于250mm；自支座中心起長度不小于一倍梁高的范圍內(nèi)，應(yīng)采用閉合式箍筋，間距不應(yīng)大于140mm。在T形、I形截面梁的下部的馬蹄內(nèi)，應(yīng)另設(shè)直徑不小于8mm的閉合式箍筋，間距不應(yīng)大于200mm。橋規(guī)JTG D62規(guī)定上述