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摘要：随着社会经济的发展，大量的混凝土结构建筑得以兴建，与此同时也面临着混凝土的耐久性问题。本文首先解释了混凝土耐久性的定义，接着探讨了混凝土耐久性设计的基本原则，最后研究了混凝土结构的耐久性设计方法，供业内人士参考。
关键词：混凝土；结构；耐久性；设计方法
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：
混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式，由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，使混凝土结构不可避免地存在耐久性问题。自混凝土结构问世以来，大量的混凝土结构提前失效大多源于混凝土结构耐久性的不足。当前欧美等发达国家每年用于已有工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1／2以上。我国在役以混凝土为主体的结构在数量上居于绝对支配地位，混凝土结构耐久性问题更加突出，存在着“南锈北冻”的耐久性破坏特征。正因为混凝土结构耐久性问题的重要性，近年来世界各国都越来越重视研究混凝土结构的耐久性，众多的研究者从环境、材料、构件和结构等不同层面展开了研究，取得了系列研究成果,下面进行混凝土结构的耐久性设计方法的探讨。
1 混凝土耐久性含义
混凝土耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能小仅仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。混凝土耐久性主要包括以下几方面：
1.1 抗渗性：即指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝土受热或受冷时水的移动。
1.2 抗冻性：混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。
1.3 抗侵蚀性：混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。
2 混凝土耐久性设计的基本原则
在正常使用和维护条件下，应保证在设计年限内，无需大修即能保证其应有的可靠度及使用功能。首先要明确使用年限和环境类别，这是耐久性设计的前提。控制水灰比、混凝土强度等级、保护层厚度和保证水泥用量是保证混凝土密实性的重要措施，从根本上提高了混凝土抵抗碳化和有害介质入侵的性能。在满足坍落度的情况下，尽可能地降低水灰比，水泥用量过大和高强度等级混凝土会引起高水化热而导致裂缝，保护层过厚也会引起裂缝，这是需要注意的问题。混凝土中的氯离子会引起钢筋腐蚀；碱含量大会引起碱骨料反应，应尽量不使用含氯化物的外加剂，宜使用非碱活性骨料：应尽量选用强度等级较高的混凝土：在截面含钢量相同的情况下，尽量减小钢筋的直径，以增加结构的抗裂度；对重要部位的结构，应有足够的刚度，以保证其在正常使用极限状态下不产生裂缝或尽量减小最大裂缝宽度；对主要承受拉力的构件、有严格抗裂性要求的构件或承受多次重复荷载的构件，最好采用碎石混凝土，以增加骨料与水泥胶砂的结合面，增强内部密实度，减小孔隙率。
3 混凝土结构的耐久性设计方法
3.1 结构使用环境类别及环境作用效应
将结构的使用环境进行分类是进行混凝土结构耐久性设计的首要任务。结构的耐久性与所处的使用环境有直接关系, 不同的使用环境对结构的作用效应不同。不同的使用环境下, 结构的设计目标使用期应该不同。所以, 应合理的对结构使用环境进行分类, 并确定各种环境类别下的环境作用效应。
环境类别可以根据环境特点以及结构在环境作用下的破损特征进行分类。《大气条件下钢筋锈蚀规律的研究》一文中将混凝土结构的使用环境分为六大类:大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境、化学物质侵蚀的环境以及特殊环境。
对于环境作用效应, 目前研究较多并取得一些成果的主要是在一般大气环境下混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及混凝土的冻融破坏问题。其中包括混凝土的碳化机理、碳化规律、碳化深度的测定等, 钢筋的锈蚀的一般规律以及钢筋锈蚀量的预测模型、锈蚀率与截面损失的关系, 混凝土的冻融破坏机理及预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。
以前主要研究的是某一种环境腐蚀因素单独对结构的作用效应, 但是结构在实际使用过程中, 可能受到几种环境腐蚀因素的联合作用。例如, 混凝土结构在使用过程中发生了混凝土碳化, 同时又有碱骨料反应, 甚至还存在氯离子的侵蚀。几种环境腐蚀因素的联合作用效应应该比单独作用时大一些。对于几种腐蚀环境因素对结构的联合作用效应,例如, 结构在混凝土碳化、冻融循环以及钢筋锈蚀的联合作用下, 混凝土的碳化規律、钢筋锈蚀的一般规律, 可以通过总结前人的研究成果和试验研究来得到。
结构的使用环境类别确定后, 可总结得出该环境类别存在的环境腐蚀因素,然后计算出此环境类别的环境作用效应。环境作用效应是时间的函数, 在建筑物使用过程中随时间发生变化, 一般随着时间的增长而增长。
3.2 结构的设计目标使用期
确定结构的设计目标使用期是进行混凝土结构耐久性设计的前提依据。结构的设计目标使用期就是在预定的使用环境下, 在正常的维护条件下, 人们期待结构保持其使用功能应该达到的使用年限。结构的设计目标使用期在设计前确定,一般为50年, 重要的为100年, 但特别重要或受侵蚀特别严重应另外设定。例如, 重要的基础设施工程如桥梁、隧道、地铁、港口, 设计目标使用期可以定为100年或者更长一些, 重要的、有历史意义的、纪念性的建筑可以定为150年, 一般使用环境下的工业建筑和民用住宅为50年, 使用环境恶劣的, 如有酸雨、氯离子等有害化学物质侵蚀或者受海水侵蚀的工业建筑, 可定为30年。总之, 结构的耐久性设计应该有最低设计目标使用期的要求。
3.3 结构的耐久性极限状态
和对混凝土结构进行承载能力极限状态计算以及正常使用极限状态验算一样, 我们也可以定义混凝土结构耐久性极限状态, 进而对结构耐久性极限状态进行验算。结构的耐久性极限状态就是指: 当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后而不能满足结构规定的耐久性功能要求时, 此特定状态称为耐久性极限状态。一般认为, 当结构不能正常使用或者外观出现不可接受的破损时均可以作为结构耐久性极限状态的标志。
目前对混凝土结构耐久性极限状态的规定还没有形成统一的观点。可以根据使用环境的特点, 分别确定每一种环境类别下的耐久性极限状态。如同结构的正常使用极限状态包括挠度、裂缝和应力等限值一样, 结构的耐久性极限状态应该包括对各种环境腐蚀因素作用效应的限值。例如, 在一般大气环境下, 混凝土结构的耐久性极限状态可定为混凝土的碳化深度和钢筋的锈蚀量。
3.4 构造措施
构造措施是混凝土结构耐久性设计里面很重要的一个环节。以往的研究主要是集中在这一方面, 也取得了比较成熟的结果。笔者认为, 耐久性构造措施应该包括三个方面的内容: 设计、施工以及使用阶段。同时, 应该针对结构所处使用环境及结构设计目标使用期的不同, 采取有针对性的耐久性构造措施。例如, 在钢筋锈蚀严重的地区, 可采用在钢筋表面涂刷环氧类材料或者用纤维增强塑料筋代替钢筋。此外, 结构在使用期间的检测与维护是不容忽视的, 因为没有任何建筑物在环境的侵蚀下能保持完好无损。对于重要的公共基础设施工程以及生命线工程, 必须强制进行定期的检测与维修。
4 结语
我国目前已处于土建工程新建和维修并存的时期，面临的耐久性问题是发达国家20、30年前曾经遇到过的问题，发达国家为此已经付出了巨大代价。为了避免重蹈覆辙，对混凝土结构耐久性进行深入系统的研究，解决混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测中的关键问题，完善混凝土结构耐久性设计、区别结构使用环境类别及环境作用效应、评估混凝土结构预测方法是我国科研工作者的迫切任务。
参考文献：
[1] 陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法[期刊论文]-建筑技术 2003(05).
[2] 黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[期刊论文]-混凝土 2003(07).
[3] 冯乃谦.高性能混凝土 1996.
[4] 杨秀德,王道敏.试论混凝土耐久性的影响因素及控制措施[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版）2011(15).
[5] 彭先齐.浅析影响混凝土耐久性的主要原因及提高混凝土耐久性所采取的措施[期刊论文]-科技资讯2009(18).
关键词：混凝土；结构；耐久性；设计方法
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：
混凝土结构是目前使用最为广泛的结构形式，由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点，使混凝土结构不可避免地存在耐久性问题。自混凝土结构问世以来，大量的混凝土结构提前失效大多源于混凝土结构耐久性的不足。当前欧美等发达国家每年用于已有工程的维修费用都已占到当年土建费用总支出的1／2以上。我国在役以混凝土为主体的结构在数量上居于绝对支配地位，混凝土结构耐久性问题更加突出，存在着“南锈北冻”的耐久性破坏特征。正因为混凝土结构耐久性问题的重要性，近年来世界各国都越来越重视研究混凝土结构的耐久性，众多的研究者从环境、材料、构件和结构等不同层面展开了研究，取得了系列研究成果,下面进行混凝土结构的耐久性设计方法的探讨。
1 混凝土耐久性含义
混凝土耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能小仅仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。混凝土耐久性主要包括以下几方面：
1.1 抗渗性：即指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝土受热或受冷时水的移动。
1.2 抗冻性：混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。
1.3 抗侵蚀性：混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。
2 混凝土耐久性设计的基本原则
在正常使用和维护条件下，应保证在设计年限内，无需大修即能保证其应有的可靠度及使用功能。首先要明确使用年限和环境类别，这是耐久性设计的前提。控制水灰比、混凝土强度等级、保护层厚度和保证水泥用量是保证混凝土密实性的重要措施，从根本上提高了混凝土抵抗碳化和有害介质入侵的性能。在满足坍落度的情况下，尽可能地降低水灰比，水泥用量过大和高强度等级混凝土会引起高水化热而导致裂缝，保护层过厚也会引起裂缝，这是需要注意的问题。混凝土中的氯离子会引起钢筋腐蚀；碱含量大会引起碱骨料反应，应尽量不使用含氯化物的外加剂，宜使用非碱活性骨料：应尽量选用强度等级较高的混凝土：在截面含钢量相同的情况下，尽量减小钢筋的直径，以增加结构的抗裂度；对重要部位的结构，应有足够的刚度，以保证其在正常使用极限状态下不产生裂缝或尽量减小最大裂缝宽度；对主要承受拉力的构件、有严格抗裂性要求的构件或承受多次重复荷载的构件，最好采用碎石混凝土，以增加骨料与水泥胶砂的结合面，增强内部密实度，减小孔隙率。
3 混凝土结构的耐久性设计方法
3.1 结构使用环境类别及环境作用效应
将结构的使用环境进行分类是进行混凝土结构耐久性设计的首要任务。结构的耐久性与所处的使用环境有直接关系, 不同的使用环境对结构的作用效应不同。不同的使用环境下, 结构的设计目标使用期应该不同。所以, 应合理的对结构使用环境进行分类, 并确定各种环境类别下的环境作用效应。
环境类别可以根据环境特点以及结构在环境作用下的破损特征进行分类。《大气条件下钢筋锈蚀规律的研究》一文中将混凝土结构的使用环境分为六大类:大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境、化学物质侵蚀的环境以及特殊环境。
对于环境作用效应, 目前研究较多并取得一些成果的主要是在一般大气环境下混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及混凝土的冻融破坏问题。其中包括混凝土的碳化机理、碳化规律、碳化深度的测定等, 钢筋的锈蚀的一般规律以及钢筋锈蚀量的预测模型、锈蚀率与截面损失的关系, 混凝土的冻融破坏机理及预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。
以前主要研究的是某一种环境腐蚀因素单独对结构的作用效应, 但是结构在实际使用过程中, 可能受到几种环境腐蚀因素的联合作用。例如, 混凝土结构在使用过程中发生了混凝土碳化, 同时又有碱骨料反应, 甚至还存在氯离子的侵蚀。几种环境腐蚀因素的联合作用效应应该比单独作用时大一些。对于几种腐蚀环境因素对结构的联合作用效应,例如, 结构在混凝土碳化、冻融循环以及钢筋锈蚀的联合作用下, 混凝土的碳化規律、钢筋锈蚀的一般规律, 可以通过总结前人的研究成果和试验研究来得到。
结构的使用环境类别确定后, 可总结得出该环境类别存在的环境腐蚀因素,然后计算出此环境类别的环境作用效应。环境作用效应是时间的函数, 在建筑物使用过程中随时间发生变化, 一般随着时间的增长而增长。
3.2 结构的设计目标使用期
确定结构的设计目标使用期是进行混凝土结构耐久性设计的前提依据。结构的设计目标使用期就是在预定的使用环境下, 在正常的维护条件下, 人们期待结构保持其使用功能应该达到的使用年限。结构的设计目标使用期在设计前确定,一般为50年, 重要的为100年, 但特别重要或受侵蚀特别严重应另外设定。例如, 重要的基础设施工程如桥梁、隧道、地铁、港口, 设计目标使用期可以定为100年或者更长一些, 重要的、有历史意义的、纪念性的建筑可以定为150年, 一般使用环境下的工业建筑和民用住宅为50年, 使用环境恶劣的, 如有酸雨、氯离子等有害化学物质侵蚀或者受海水侵蚀的工业建筑, 可定为30年。总之, 结构的耐久性设计应该有最低设计目标使用期的要求。
3.3 结构的耐久性极限状态
和对混凝土结构进行承载能力极限状态计算以及正常使用极限状态验算一样, 我们也可以定义混凝土结构耐久性极限状态, 进而对结构耐久性极限状态进行验算。结构的耐久性极限状态就是指: 当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后而不能满足结构规定的耐久性功能要求时, 此特定状态称为耐久性极限状态。一般认为, 当结构不能正常使用或者外观出现不可接受的破损时均可以作为结构耐久性极限状态的标志。
目前对混凝土结构耐久性极限状态的规定还没有形成统一的观点。可以根据使用环境的特点, 分别确定每一种环境类别下的耐久性极限状态。如同结构的正常使用极限状态包括挠度、裂缝和应力等限值一样, 结构的耐久性极限状态应该包括对各种环境腐蚀因素作用效应的限值。例如, 在一般大气环境下, 混凝土结构的耐久性极限状态可定为混凝土的碳化深度和钢筋的锈蚀量。
3.4 构造措施
构造措施是混凝土结构耐久性设计里面很重要的一个环节。以往的研究主要是集中在这一方面, 也取得了比较成熟的结果。笔者认为, 耐久性构造措施应该包括三个方面的内容: 设计、施工以及使用阶段。同时, 应该针对结构所处使用环境及结构设计目标使用期的不同, 采取有针对性的耐久性构造措施。例如, 在钢筋锈蚀严重的地区, 可采用在钢筋表面涂刷环氧类材料或者用纤维增强塑料筋代替钢筋。此外, 结构在使用期间的检测与维护是不容忽视的, 因为没有任何建筑物在环境的侵蚀下能保持完好无损。对于重要的公共基础设施工程以及生命线工程, 必须强制进行定期的检测与维修。
4 结语
我国目前已处于土建工程新建和维修并存的时期，面临的耐久性问题是发达国家20、30年前曾经遇到过的问题，发达国家为此已经付出了巨大代价。为了避免重蹈覆辙，对混凝土结构耐久性进行深入系统的研究，解决混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测中的关键问题，完善混凝土结构耐久性设计、区别结构使用环境类别及环境作用效应、评估混凝土结构预测方法是我国科研工作者的迫切任务。
参考文献：
[1] 陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法[期刊论文]-建筑技术 2003(05).
[2] 黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[期刊论文]-混凝土 2003(07).
[3] 冯乃谦.高性能混凝土 1996.
[4] 杨秀德,王道敏.试论混凝土耐久性的影响因素及控制措施[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版）2011(15).
[5] 彭先齐.浅析影响混凝土耐久性的主要原因及提高混凝土耐久性所采取的措施[期刊论文]-科技资讯2009(18).