第6节 混凝土结构的耐久性
2.6.1 耐久性的概念
耐久性是指结构在预定设计工作寿命期内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固，而满足正常使用和安全功能要求的能力。（抵抗物理和化学作用）
◆混凝土结构应能在自然和人为环境的化学和物理作用下，满足在规定的设计工作寿命内不出现无法接受的承载力减小、使用功能降低和不能接受的外观破损等的耐久性要求。
◆对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年。随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。

2.6.2 影响材料耐久性的因素
内部因素： 混凝土强度、渗透性、 保护层厚度；水泥品种、 标号和用量、 外加剂等；
外部因素： 环境温度、 湿度、 CO₂含量、 侵蚀性介质等。
1. 材料的质量（主要是混凝土的质量）
钢砼材料的耐久性，主要取决于砼材料的耐久性。
（1）水灰比：水灰比越大，影响越大。当水灰比≤0.55时，影响明显减小。
（2）水泥品种、标号和用量：水泥用量太少，耐久性影响大。过低，耐久性影响大。密实性差，耐久性影响大。
2. 钢筋的锈蚀
钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。主要由于混凝土的碳化和氯离子引起的锈蚀作用产生的。钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生空隙。
（1）混凝土的碳化
（2）氯离子引起的的锈蚀
（1）混凝土的碳化
◆概念：混凝土中碱性物质（C_a(OH)₂）使混凝土内的钢筋表面形成氧化膜，它能有效地保护钢筋，防止钢筋锈蚀。 大气中的二氧化碳（CO₂）与混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土的Ph值降低。其他物质，如SO₂、H₂S，也能与混凝土中的碱性物质发生类似的反应，使混凝土的Ph值降低，这就是混凝土的碳化。
◆当混凝土保护层被碳化到钢筋表面时，将破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋的锈蚀。此外，碳化还会加剧混凝土的收缩，可导致混凝土的开裂。因此，混凝土的碳化是混凝土结构耐久性的重要问题。
◆混凝土的碳化从构件表面开始向内发展，到保护层完全碳化，所需要的时间与外界条件、混凝土保护层厚度、混凝土密实性以及覆盖层情况等因素有关。
◆影响混凝土碳化速度的主要因素：
①材料因素
◆水泥品种和用量决定了单位体积中可碳化物质（C_aO）的含量，水泥的用量越多，会提高混凝土的抗碳化性能。
◆在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土孔隙中游离水蒸发后混凝土的孔隙率也越大，密实性就越差，CO₂的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。
②施工养护质量的影响
◆混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性，因而对碳化有较大影响。
◆养护方法与龄期对水泥的水化程度也有影响，也会影响混凝土的碳化。所以保证混凝土施工质量对提高混凝土的抗碳化性能十分重要。
③外部环境的影响
◆ 碳化速度主要取决于空气中的CO₂浓度和向混凝土中的扩散速度。空气中的CO₂浓度大，混凝土内外CO₂浓度梯度也愈大，因而CO₂向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。
◆ 空气湿度和温度对碳化反应速度有较大影响。因为碳化反应要产生水份向外扩散，湿度越大，水份扩散越慢。当空气相对湿度大于80%，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。 在极干燥环境下，空气中的CO₂无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。 试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为50%~75%时，混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且CO₂向混凝土内的扩散速度也越快。
④覆盖层

不同饰面材料的碳化深度比
◆当混凝土未碳化时，钢筋表面有一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀的电化学过程。 当混凝土被碳化，钝化膜被破坏，有水份和氧气时，就会发生锈蚀的电化学反应。
◆ 钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加2~6倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。
◆ 氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能。 当构件使用环境很干燥（湿度<40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。
◆ 裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。但近年的研究发现，锈蚀程度与荷载产生的横向裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。 这是由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。 裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。
◆防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。除此之外，也可采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。
◆钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程如下，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。
（2）氯离子引起的锈蚀
◆钢筋表面的混凝土孔隙溶液中氯离子浓度超过某一定值或不良环境中氯离子逐渐扩散和渗透进入混凝土内部时，能破坏钢筋表面的氧化膜，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。

3. 碱—集料反应（A.A.R）
（1）碱集料反应概念：
混凝土集料中某些活性矿物与其所含的碱性溶液（氢氧化钠、钾）产生化学反应称碱集料反应。它可使混凝土剥落、开裂、强度降低，甚至导致破坏。混凝土中的碱主要来源于水泥和外加剂，因而可采用低碱水泥。
（2）碱集料反应的过程：
◆碱—氧化硅反应：混凝土孔隙中的碱溶液与活性二氧化硅反应，产生的碱-硅酸盐凝胶，凝胶吸水后产生膨胀，体积可增大3~4倍，使混凝土剥落、开裂、强度降低，甚至破坏。
◆碱—碳酸盐反应：混凝土孔隙中的碱溶液与活性矿物岩反应，其生成物体积不膨胀，但活性碳酸盐晶体包裹着粘土，晶体破坏后粘土吸水膨胀使混凝土破坏。
（3）引起碱集料反应有三个条件
◆混凝土凝胶中碱性物质 ◆骨料中有活性物质 ◆水分
4．混凝土的抗渗及抗冻性
（1）混凝土的抗渗性
提高砼抗渗性的措施：
◆改善砼的配合比，减少水含量；
◆在砼拌和料中掺加适量掺合料，增加密实度；
◆掺加适量引气剂，减少孔道贯通；
◆掺加某些外加剂，减少水含量；
◆加强养护，避免施工干湿交替。
（2）混凝土的抗冻性
◆砼的冻结破坏产生原因：混凝土水化结硬后，浇筑混凝土时的多余的水份滞留在混凝土毛细孔中。低温时水份因结冰产生体积膨胀，引起混凝土内部结构破坏。周围未冻结的细孔隙中的水向大孔隙方向转移并随后冻结，增加了冻结破坏力。反复冻融多次，就会使混凝土的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。
◆提高砼抗冻性能力的措施：
◆主要措施是降低水灰比，减少混凝土中多余的水份；
◆冬季施工时，应加强养护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等；
◆粗骨料应选择质量密实，粒径较小的材料，严格控制含泥量；
◆水泥应采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。
5．除冰盐对混凝土的破坏
◆冬季在砼路面上撒盐（N_aCl或C_aCl₂），此时砼处在盐溶液环境中，由于吸水、失水引起溶液的变化，使砼膨胀，开裂造成钢筋的锈蚀；
◆防止除冰盐对砼破坏的主要措施；
◆水泥应采用硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥；
◆掺加引气剂，含量宜适当增大；
◆提高砼强度等级，增加砼保护层厚度，防止钢筋锈蚀。
6．侵蚀性介质的腐蚀
（1）硫酸盐腐蚀：
硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐浓度（以SO2含量表示）达到2‰时，就会产生严重腐蚀。
（2）酸腐蚀：
混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。
（3）海水腐蚀：
在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常受到海水的侵蚀。海水中的N_aCl、M_gCl₂、M_gSO₄、K₂SO₄等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受干湿物理作用，也有利于Cl-和SO₄的渗入，极易造成钢筋锈蚀。
2.6.3 《规范》对混凝土耐久性要求的规定
1. 使用环境的分类
◆混凝土结构的耐久性与结构工作的环境有密切关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中的使用寿命短。
◆对于不同环境，可以采取不同措施来保证结构使用寿命。如在恶劣环境，一味增加混凝土保护层是不经济的，效果也不一定好。可在构件表面采用防护涂层。

环境类别		说 明
一		室内正常环境；无侵蚀性介质、高温高湿影响、不与土壤直接接触
二	a	室内潮湿环境；露天环境；与无侵蚀性水及土壤直接接触的环境
	b	寒冷及严寒地区的露天环境；与无侵蚀性水及土壤直接接触的环境
三		使用除冰盐环境；寒冷地区的水位变动区；滨海地区室外环境；
四		海洋环境（海水潮汐区；浪溅区；海水下环境）
五		受人为和自然的化学侵蚀性物质影响的环境

2．保证耐久性的措施
（1）最小保护层厚度：
◆ 为保证耐久性和钢筋的粘结力，对一、二、三类环境一般建筑结构（设计工作寿命50年），《规范》规定了最小混凝土保护层厚度。
◆ 对四、五类环境种的建筑结构，应按专门规定考虑。
（2）混凝土的要求：
◆ 耐久性的另一个重要方面是混凝土密实性，因为密实性好对延缓混凝土的碳化和钢筋锈蚀有很大作用。
◆ 提高混凝土密实性主要是减小水灰比和保证水泥用量。
◆ 若混凝土中氯离子含量过大，则会对钢筋锈蚀有恶劣影响。
◆ 控制含碱量。

环境类别		水灰比不大于	水泥用量不少于（Kg/m3）	混凝土强度 等级不小于	氯离子含量 不大于	最大碱含量 （Kg/m3）
一		0.65	225	C20	1.00%	不限制
二	a	0.60	250	C25	0.30%	3.0
	b	0.55	275	C30	0.20%	3.0
三		0.50	300	C30	0.10%	3.0

注：1、氯离子含量按水泥总重量的百分率计算；
2、预应力构件的混凝土中的氯离子含量不得超过0.06%；最小水泥用量300Kg/m3；最低混凝土强度提高两个等级；
3、素混凝土构件最小水泥用量不小于表中数值减25kg/m3；
4、当混凝土中加入掺合料时，可酌情降低水泥用量；
5、当有工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度可降低一个等级；
6、当使用非碱活性骨料时，不对含碱量作限制；
（3）裂缝控制：
裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是使钢筋开始锈蚀的主要条件。为保证混凝土结构的耐久性，必须对裂缝进行控制。《规范》根据结构构件所处环境类别，钢筋种类对腐蚀的敏感性，以及荷载作用时间，将裂缝控制分为三个等级：
一级：严格要求不出现裂缝的构件。按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；
二级：一般要求不出现裂缝的构件。按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应大于混凝土抗拉强度标准值；而按荷载准永久组合计算时，构件受拉边缘混凝土不宜出现拉应力，有可靠经验时可适当放松；
三级：允许出现裂缝的构件。按荷载标准组合并考虑长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足表中规定的限值。

环境类别	钢筋混凝土结构		预应力混凝土结构
一	裂缝控制等级	最大裂缝宽度限制	裂缝控制等级	最大裂缝宽度限制
二	三	0.3	三	0.2
三	三	0.2	二	——
四	三	0.2	一	——

（4）其他措施
◆ 对于结构中使用环境较差的构件，宜设计成可更换或易更换的构件。
◆ 对于暴露在侵蚀性环境中的结构和构件，宜采用带肋环氧涂层钢筋，预应力钢筋应有防护措施。
◆ 采用有利提高耐久性的高强混凝土。