環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)方法2004年2月,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的外加作用與極限狀態(tài),耐久性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài),鋼筋銹蝕預(yù)應(yīng)力鋼筋開始銹蝕普通鋼筋混凝土表面銹痕，順筋開裂（0.1mm,-,1mm）保護(hù)層剝落混凝土腐蝕輕微，不影響混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù),耐久性設(shè)計(jì)方法,傳統(tǒng)方法指數(shù)(評(píng)分)法因子法基于材料劣化模型的計(jì)算方法,傳統(tǒng)方法Deem-to-satisfyMethod針對(duì)不同環(huán)境類別和環(huán)境作用等級(jí)，對(duì)混凝土材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造規(guī)定不同要求。（回避使用壽命要求）混凝土原材料（水泥、摻合料、外加劑、）混凝土配合比（最大水膠比、最低膠凝材料用量）混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)，抗凍等級(jí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造（保護(hù)層最小厚度，）改進(jìn)趨向細(xì)化環(huán)境類別及其作用等級(jí)提出不同使用年限的不同要求,指數(shù)（評(píng)分）法IndexMethod日本土木工程學(xué)會(huì)1990年提出環(huán)境指數(shù)S耐久性指數(shù)RSS0SiS0正常環(huán)境指數(shù)（50年設(shè)計(jì)壽命取100）Si惡劣環(huán)境增量指數(shù)（凍融1040，鹽蝕1070）RR0+RiR0常數(shù)，取50Rii=18,共8類，包括32個(gè)因素，分別評(píng)分后相加(按95保證率考慮),因子法FactorMethodISO15686-1建筑物與設(shè)備使用年限規(guī)劃用于構(gòu)件耐久性使用年限評(píng)估te=tgABCDEFGA構(gòu)件質(zhì)量（水膠比、強(qiáng)度等級(jí)、含氣量）B設(shè)計(jì)水平（結(jié)構(gòu)構(gòu)造）C施工質(zhì)量D室內(nèi)環(huán)境E室外環(huán)境F使用狀態(tài)G維修保養(yǎng)水平,基于材料劣化模型的計(jì)算方法RILEM-130委員會(huì)報(bào)告混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)1996DuraCrete混凝土耐久性設(shè)計(jì)指南2000ACILife-365ComputerProgram2000日本土木學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)示方書2002,我我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)現(xiàn)狀,規(guī)范的耐久性設(shè)置水準(zhǔn)基本上停留在解放初或50年代國(guó)際水平由于水泥的早強(qiáng)成分和細(xì)度增加，施工進(jìn)度加快，混凝土耐久性的實(shí)際質(zhì)量下降環(huán)境條件惡化規(guī)范還阻礙粉煤灰等摻合料和引氣劑的使用,為改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來(lái)負(fù)面作用,國(guó)外對(duì)耐久性要求的不斷改進(jìn)鹽凍環(huán)境,加拿大安大略省公路橋面板耐久性要求,規(guī)范對(duì)耐久性的低標(biāo)準(zhǔn)要求,我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范（80年代頒布）與國(guó)外比較,大型工程城市地鐵主體結(jié)構(gòu)混凝土C20跨海大橋浪濺區(qū)混凝土C30，保護(hù)層34cm高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索、高強(qiáng)錨桿無(wú)雙重保護(hù)特大橋梁的公路橋面板底部保護(hù)層2cm,耐久性極限狀態(tài)一般由適用性（正常使用極限狀態(tài)）或可修復(fù)性控制少數(shù)可發(fā)生承載能力失效的極限狀態(tài)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋（索）的應(yīng)力腐蝕隱蔽部位鋼筋的銹斷,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南,中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CCES012004,混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的耐久性，應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計(jì)使用年限及其相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同環(huán)境類別及其環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)使用年限有一定的保證率或安全儲(chǔ)備極限狀態(tài)與環(huán)境類別及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)環(huán)境類別分7類環(huán)境作用等級(jí)分6級(jí)，AF,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限,設(shè)計(jì)人員用以作為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)依據(jù)的目標(biāo)使用年限設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)由業(yè)主或用戶與設(shè)計(jì)人共同確定，并滿足有關(guān)法規(guī)的最低要求設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為確定可變荷載(使用荷載、風(fēng)雪荷載)及與時(shí)間有關(guān)的材料強(qiáng)度而選用的時(shí)間參數(shù)使用年限結(jié)構(gòu)建造完成后，在預(yù)定的使用與維護(hù)和修理?xiàng)l件下，能夠滿足原定性能要求的年限設(shè)計(jì)使用年限具有足夠安全儲(chǔ)備或保證率,設(shè)計(jì)使用年限的安全儲(chǔ)備或保證率可以用壽命安全系數(shù)或失效概率表示定值法設(shè)計(jì)壽命安全系數(shù)憑工程經(jīng)驗(yàn)和必要分析綜合給定，考慮工程重要性，耐久性失效后果的嚴(yán)重性，修理的可行性與修理費(fèi)用，環(huán)境作用、耐久性抗力和計(jì)算方法本身的不確定性與不確知性概率分析方法壽命安全系數(shù)為均值使用年限與設(shè)計(jì)使用年限的比值，與設(shè)定的保證率或失效概率有關(guān)若假定使用年限按對(duì)數(shù)正態(tài)分布，變異系數(shù)為0.5。對(duì)于適用性極限狀態(tài)，如失效概率5，K在2.4左右,環(huán)境類別,1一般環(huán)境（無(wú)凍融，鹽、酸等作用）室內(nèi)干燥環(huán)境A非干濕交替的室內(nèi)潮濕環(huán)境或露天環(huán)境，長(zhǎng)期濕潤(rùn)環(huán)境B干濕交替環(huán)境C2一般凍融環(huán)境(無(wú)鹽、酸等作用)微凍地區(qū)，混凝土中度飽水B微凍地區(qū)，混凝土高度飽水C嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土中度飽水C嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，混凝土高度飽水D,環(huán)境類別,3近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境水下區(qū)D大氣區(qū)輕度鹽霧區(qū)D離平均水位15m以上的海上大氣區(qū)，離漲潮岸線50m外至200m內(nèi)的陸上室外環(huán)境重度鹽霧區(qū)E離平均水位上方15m以內(nèi)的海上大氣區(qū)，離漲潮岸線50m內(nèi)的陸上室外環(huán)境水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，非炎熱地區(qū)E水位變化區(qū)和浪濺區(qū)，南方炎熱地區(qū)F,環(huán)境類別,4除冰鹽凍融環(huán)境混凝土中度飽水E混凝土高度飽水F5鹽堿結(jié)晶環(huán)境輕度鹽堿結(jié)晶E重度鹽類結(jié)晶F6大氣污染環(huán)境汽車或機(jī)車廢氣C酸雨D（pH小于4時(shí)按E級(jí)）鹽堿地區(qū)含鹽大氣和雨水D，E，C,環(huán)境類別,7土中及地表、地下水中的化學(xué)腐蝕環(huán)境(海水環(huán)境除外),環(huán)境類別選定一種最主要的環(huán)境類別進(jìn)行設(shè)計(jì)多種環(huán)境作用影響荷載對(duì)環(huán)境作用影響,耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容,按環(huán)境類別，環(huán)境作用等級(jí)，設(shè)計(jì)年限確定：混凝土材料結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制施工要求使用階段檢測(cè)和維修要求防腐蝕附加措施,耐久性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)鋼筋銹蝕預(yù)應(yīng)力鋼筋開始銹蝕普通鋼筋順筋開裂（0.1mm）混凝土腐蝕輕微，不影響混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù),海洋環(huán)境下的重要工程，要求委托二個(gè)或二個(gè)以上的專業(yè)機(jī)構(gòu)，分別進(jìn)行使用壽命計(jì)算,混凝土材料選擇1)選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量水泥2)選用堅(jiān)固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級(jí)配及粒形3)礦物摻和料作為一般情況下的必需組份4)將適量引氣作為常規(guī)手段5)采用偏低的用水量6)限制單方混凝土中膠凝材料最低和最高用量7)盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量強(qiáng)度與耐久性的矛盾粉煤灰引氣劑低水膠比與抗裂性的矛盾,構(gòu)造措施和裂縫寬度限制1)隔絕或減輕環(huán)境對(duì)混凝土的作用結(jié)構(gòu)形狀，防、排水，2)混凝土裂縫控制3)鋼筋的混凝土保護(hù)層混凝土表面裂縫寬度限制與保護(hù)層厚度的矛盾,鋼筋保護(hù)層,普通鋼筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保護(hù)層厚度ccmin+預(yù)應(yīng)力筋的混凝土保護(hù)層厚度:無(wú)密封護(hù)套的比普通鋼筋大10mm環(huán)境作用等級(jí)為C或C級(jí)以上（對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋為B或B級(jí)以上），應(yīng)采用有防腐連續(xù)密封護(hù)套的預(yù)應(yīng)力鋼筋。,施工要求與施工質(zhì)量驗(yàn)收必須將施工質(zhì)量保證作為耐久性設(shè)計(jì)中特殊重要的內(nèi)容表層混凝土質(zhì)量混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量保護(hù)層厚度的施工允許誤差質(zhì)量檢驗(yàn)保護(hù)層厚度，含氣量，表層混凝土滲透性（現(xiàn)場(chǎng)回彈、抗拔、抗?jié)B）,鋼筋位置的誤差，5mm的施工誤差，可使20mm保護(hù)層厚度的墻、板鋼筋開始銹蝕的年限縮短近一半養(yǎng)護(hù)不良影響更大DuraCrete指南中，7天的養(yǎng)護(hù)系數(shù)為1天的2倍（氯離子作用）和4倍（碳化作用）可使工作壽命從50年分別降到約25年和12.5年,施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的頭等重要性,使用期內(nèi)的維修和定期檢測(cè)使用年限與使用階段維修緊密聯(lián)系環(huán)境嚴(yán)重作用下的結(jié)構(gòu)物必須定期檢測(cè)設(shè)計(jì)文件中必須向業(yè)主與運(yùn)營(yíng)單位提出使用過(guò)程中的定期檢測(cè)和維修要求,防腐蝕附加措施環(huán)氧涂層鋼筋混凝土表面防腐涂層、面層鋼筋阻銹劑陰極保護(hù),不同環(huán)境類別下的耐久性設(shè)計(jì),碳化引起銹蝕對(duì)付碳化銹蝕不應(yīng)成為一個(gè)問題關(guān)鍵在于規(guī)范要提高標(biāo)準(zhǔn)，尤其干濕交替和炎熱環(huán)境下的要求表面裂縫寬度的限制也不應(yīng)成為問題橫向裂縫能使裂縫截面處的普通鋼筋提前發(fā)生局部銹蝕，但通常不會(huì)向周邊和深部發(fā)展，只當(dāng)保護(hù)層被碳化后，才能在鋼筋表面發(fā)展全面穩(wěn)定的銹蝕混凝土規(guī)范的裂縫寬度限制不適用于較厚的保護(hù)層預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕則不同,碳化銹蝕,GB500102002規(guī)范中，要求100年設(shè)計(jì)壽命的保護(hù)層厚度為50年的1.4倍（即ta），這個(gè)規(guī)定值得探討碳化的深度到一定數(shù)值后有可能停止事實(shí)上，只有不會(huì)發(fā)生銹蝕的干燥環(huán)境，碳化速度才與時(shí)間t的0.5次方成正比。潮濕環(huán)境（RH=81%）下與t的0.4次方成正比，長(zhǎng)期濕潤(rùn)下（高濕度又經(jīng)常受雨淋）甚至與t的0.1次方成正比。,凍融環(huán)境,必須引氣(B級(jí)可不引氣，但需提高一級(jí)選擇混凝土)低水膠比的混凝土，不大于0.5，氯鹽環(huán)境下不大于0.4新混凝土延遲受凍；加大構(gòu)件厚度；避免混凝土受濕混凝土抗凍性能指標(biāo)用耐久性指數(shù)DF表示100年與50年使用年限，在抗凍要求上的差別不明顯（Fagerlund，黃士元，Hobbs）一般凍融環(huán)境下，環(huán)境作用按降低一個(gè)等級(jí)選用保護(hù)層厚度,氯鹽引起銹蝕氯鹽引起的鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重水下區(qū)混凝土缺氧，腐蝕速度極慢危險(xiǎn)的是干濕交替區(qū)氯鹽輕度腐蝕下，采用水膠比不高于0.4（或最多不超過(guò)0.45）的礦物摻和料混凝土與適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度，一般能解決問題干濕交替、使用壽命又長(zhǎng)的重要工程部位，可能需要防腐蝕附加措施氯鹽環(huán)境下的裂縫寬度限制，不同標(biāo)準(zhǔn)差別較大,氯鹽引起銹蝕,據(jù)DuraCrete的研究，氯離子侵入混凝土100年或50年后，濃度達(dá)到臨界值處的深度，即所需保護(hù)層厚度為：對(duì)于低水膠比的大摻量礦物摻和料混凝土，x約與t的0.150.20次方成正比，并與大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水下區(qū)等不同環(huán)境條件有關(guān)。100年與50年的差別不到15對(duì)于不加礦物摻和料混凝土的普通混凝土，100年需比50年增加30,氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定,推薦快速氯離子電遷移測(cè)定方法方法瑞典唐路平（CTH法），北歐NT標(biāo)準(zhǔn)，德國(guó)ibac-test方法，DuraCrete標(biāo)準(zhǔn)，瑞士SIA標(biāo)準(zhǔn),重要結(jié)構(gòu)物，采用多道防腐措施并定期檢測(cè)丹麥GreatBeltLink，100年，隧道預(yù)制混凝土管片保護(hù)層35mm，水膠比低于0.35，摻粉煤灰和硅灰，多道防腐措施在襯砌與土體之間沿環(huán)向灌漿，增加覆蓋保護(hù)層厚度環(huán)氧涂膜鋼筋陰極保護(hù)作為最終手段使用年限長(zhǎng)、且有條件修理，采取定期修理并定期檢測(cè)荷蘭Delta防浪堤，200年，閘門支承配筋混凝土構(gòu)件浪濺區(qū)預(yù)期壽命（按鋼筋銹蝕損失0.2mm估計(jì)）8090年,我國(guó)基于材料性能劣化模型的使用年限分析,氯離子引起鋼筋銹蝕通常用Fick第二定律描述：c為氯離子濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)若D為常數(shù)，且邊界條件：表面氯離子濃度cs為定值可得解析解：,到90年代初，認(rèn)識(shí)到擴(kuò)散系數(shù)D隨時(shí)間、離混凝土表面距離、氯離子濃度等因素變化，還與溫度、pH值等多種因素有關(guān)原先按D為常值的預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)份保守Fick第二定律被認(rèn)為誤用了25年,擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間衰減的規(guī)律尚未完全明了氯離子在傳輸過(guò)程中與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合早期混凝土密實(shí)性隨水化程度不斷完善而提高擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù),D0為t=t0(開始暴露于氯鹽環(huán)境)時(shí)測(cè)得的擴(kuò)散系數(shù)值Poulsen建議，高性能混凝土與等效水灰比W/C有關(guān)Bamforth指出，主要與膠凝材料種類有關(guān)DuraCrete指南采用與膠凝材料種類和環(huán)境條件有關(guān)kc養(yǎng)護(hù)系數(shù)，考慮養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)短ke環(huán)境系數(shù)，考慮海洋不同環(huán)境（水下區(qū)、大氣區(qū)、浪濺區(qū)等）與不同膠凝材料的影響,值對(duì)混凝土抗氯離子能力有著十分巨大的影響指數(shù)變化規(guī)律只是根據(jù)短期測(cè)試數(shù)據(jù)得出，外推預(yù)測(cè)必須小心,氯離子臨界濃度DuraCrete取與水膠比有關(guān)，表中數(shù)據(jù)代表均值,氯離子表面濃度隨環(huán)境條件而變處于海水中混凝土，表面濃度一般與海水中氯鹽濃度接近Bamforth建議用于設(shè)計(jì)的表面濃度cs（按混凝土重計(jì)算）括號(hào)內(nèi)為每方混凝土膠凝材料為400kg時(shí)，按膠凝材料重表示的cs值,DuraCrete提出表面氯離子濃度與混凝土水膠比和膠凝材料種類有關(guān)水膠比0.4、30%粉煤灰和70%硅酸鹽水泥配比的混凝土，在水下區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)分別約為膠凝材料重的4.2%，3.1%和1.3%DuraCrete數(shù)據(jù)為平均值，具體設(shè)計(jì)時(shí)，要在平均值上乘、除分項(xiàng)系數(shù),碳化Duracrete指南提出的模型：各種碳化模型的普遍缺點(diǎn)是不能考慮干濕交替的影響,耐久性計(jì)算模型用于預(yù)測(cè)未來(lái)，無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證氯離子入侵海洋工程混凝土，基本以Fick定律為計(jì)算模型19701990視擴(kuò)散系數(shù)D和表面濃度cs為常值90年代，擴(kuò)散系數(shù)引入了隨時(shí)間變化的指數(shù)表達(dá)式，仍用解析解90年代，采用數(shù)值解，發(fā)展多種計(jì)算程序，可考慮氯離子結(jié)合以及表面濃度變化Fick定律的擴(kuò)散機(jī)理不能描述：水中混凝土的表層氯離子還可以通過(guò)對(duì)流、滲透的機(jī)理傳輸大氣或干濕交替混凝土表面氯離子依靠混凝土孔隙毛細(xì)吸力機(jī)理傳輸,劣化計(jì)算模型分析不確定性,瑞典Nilson的試驗(yàn)針對(duì)一種水膠比0.4、摻有硅灰的混凝土，處于海洋浪濺區(qū)和水下區(qū),定量計(jì)算方法的困惑,Poulson的諾模圖當(dāng)W/C=0.39,cs=0.7%,cc=0.1%,a=60mm得工作壽命施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的頭等重要性90年如cc=0.09%,其它不變,則壽命變?yōu)?0年如W/C=0.40,其它不變,則壽命變?yōu)?3年如W/C=0.41,其它不變,則壽命變?yōu)?4年DuraCrete的計(jì)算結(jié)果也有類似情況突出突出反