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 01－2004，2005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：

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GB 50012 2002中的环境等级与1990