建筑工程混凝土结构耐久性设计探索

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摘要：现代科技的进步使建筑工程设计与施工技术不断发展，也使社会大众对建筑工程质量提出了较之以往更高的要求。混凝土结构耐久性作为影响工程质量的关键要素，受到广大工程技术人员的普遍关注。本文以安徽某工厂厂房为例，进一步分析影响混凝土结构耐久性的主要因素及其设计优化措施。

关键词：建筑工程；混凝土结构；耐久性

目前土木工程通常将混凝土作为常用建设材料，其物理化学性质的优劣将直接决定工程质量，继而影响工程效益的呈现。在工程实践中，应考虑如何保持混凝土建材在施工中的耐久性，并采取合理措施加以防范，值得广大工程技术人员深思。

1建筑工程混凝土结构耐久性设计研究目的

土木工程在应用混凝土材料时需要做好耐久性设计，确保施工时混凝土的有效性，避免影响工程质量。混凝土结构施工是有一定的科学原理的，比如在混凝土施工中如果搅拌不均匀、温度应力失衡等，都可能带来混凝土裂缝、腐蚀等问题，影响混凝土工程项目的硬度、强度和安全性，本文研究对象安徽某工厂厂房混凝土结构就出现了腐蚀、裂缝等情况（如图1、图2所示）。

2建筑工程混凝土结构耐久性设计研究方法

2.1研究对象厂房建筑相关资料

安徽某工厂厂房为四跨单层排架结构，厂房主体部分长为158m，宽度82m，中间两跨为高跨部分，两侧为低跨。同时每跨度之间有28榀屋架，为混凝土钢筋结构，高度3m。

2.2研究对象厂房建筑结构功能分析

2.2.1厂房设计构造①覆盖在钢筋上的混凝土防护层不满足要求厚度；②伸缩缝与沉降缝构造失调；③在开空洞环节未正确设置洞边缘的配筋；④建筑厂房基础建设于盐渍区域；⑤针对厂房混凝土结构的隔热层、防滑层等施工不合理。2.2.2厂房建筑材料质量①所应用水泥品种不合适，水泥中的含碱量过高；②应用细度过小的水泥，在加水拌合之后水化加速，其放热过程导致干燥效果加剧，使收缩增大，造成混凝土开裂；③应用含碱活性矿物骨料；④所选择骨料颗粒的级配不当；⑤对于外加剂的使用不合理，比如减水剂中含有过量的氯离子。2.2.3厂房建筑施工质量①水灰比过高，比如为了方便施工和运输过程，未按规定要求提高水灰比；②单方水泥用量过高，比如为了缩减工期、提升混凝土早强，以增加水泥用量，继而引发水化热过高，造成结构开裂；③拆模过早，比如为了追赶工期、加速模板周8转，继而提前拆模，造成混凝土结构承载力不足；④浇注、振捣或者养护不当；⑤施工组织不合理，导致不良施工缝的出现。2.2.4厂房建筑外界环境条件①气候多变，比如所处环境温度经常交替，干湿环境不稳定；②所处环境恶劣，比如工程周边区域二氧化碳、二氧化硫等气体浓度较大；③有害物侵入，比如碳酸盐、碱溶液侵入地基土等。2.2.5厂房建筑裂缝问题建筑工程施工环节经常会出现混凝土裂缝问题，此问题对施工有很大影响，容易造成工程质量受阻，并且在各大类型建筑工程中都会或多或少出现。混凝土作为一种基础建筑材料相较来说具有一定优势，但其结构稳定性较差，容易受到外界因素影响，从而出现裂缝。从工程实践来看，混凝土裂缝依严重程度会对总体工程产生相应影响，此类裂缝出现原因多是难以预料的，且出现裂缝部位和裂缝形态具有差异性。需要根据裂缝部位和类型来寻找成因，才能制定有效的处理方案。2.2.6厂房建筑养护问题建筑工程施工环节需要做好厂房养护工作。混凝土常会由于内外部温差影响而破坏结构稳定性，因此养护环节要做好混凝土散热工作，以此降低混凝土裂缝现象的出现。操作人员要在这个环节均匀振捣混凝土，将其热量散发出来，而通过这一步骤，还能够强化混凝土结构，提高施工性能，进而保证建筑建设质量。另外在完成这一工作后，后续还要实行混凝土保温、薄膜放置等工作流程。

2.3建筑工程混凝土结构耐久性方案的提出

在混凝土结构施工中，应当深入了解混凝土施工的技术原理，制定适合建筑工程项目的施工方案，控制施工中的关键节点、温度应力等。比如要依据工程项目的硬度、强度等要求，确立水泥标号、水泥使用量等；为了控制水泥水化中的热量释放问题，可以用低热水泥进行施工。再如在混凝土浇筑过程中，应当尽量避免在炎炎夏日或过高温度下施工，以有效控制工程施工中的浇注温度。要想做好混凝土结构耐久性设计，首先需要明确耐久性设计的目标，同时结合工程所在地的环境勘测数据及施工条件，选择优质的材料进行混凝土结构完善，以便于一次性解决厂房建筑物的耐久度问题。

2.4建筑工程混凝土结构耐久性方案实施评价

混凝土结构受环境条件影响，会导致自身性能失常，如果长时间处于恶劣环境中，混凝土耐久性发生劣化。因此在设计耐久性的方案中，为控制下降性能，会将性能水平确定在一个界限，通过fDLS表示，如果下降的性能处在这一水平时，计算所得服役时间可以理解为此性能的应用期限，此界限范围表示为混凝土耐久性极限。具体设计时，使用年限控制就是基于耐久性极限这一条件来设计材料性能，确保混凝土结构劣化速率在预定使用年限范围内。也就是说在耐久性设计中，需要重点考虑的三大要素为使用年限的设计、受环境影响混凝土结构性能劣化以及耐久性极限。“结构耐久性”在相关标准中有被定义，即混凝土结构在考虑到环境影响以及日常使用养护的基础上，其结构、构件的适用性以及安全性能在规定使用年限中的持续有效性。是对上述三要素的覆盖。耐久性问题的产生原因是由于混凝土及其组成材料受环境作用而出现劣化。研究发现，结构劣化成因主要是混凝土孔隙结构在连通外界后，由于化学活性的作用，而使自身物质、能量与外界环境置换；混凝土钢材存从性质上看存在电化学活性，受外界条件作用而形成化学变化。分析缓凝土结构劣化中的环境影响因素，主要能产生作用的环境条件有：大气环境、腐蚀性介质、地下水环境。而所导致的混凝土结构劣化显现在混凝土材料上以及混凝土钢材劣化过程，前者包括反复冻融、腐蚀性介质而导致的性能影响，后者则是混凝土表面中性化或混凝土内部被氯离子入侵而腐蚀了钢筋结构。除此之外，特殊情况混凝土硬化后内部会发生反应，造成材料劣化，具体反应有硫酸盐和碱-骨料反应等，并且也将此当做耐久性问题。结合上述内容，有关标准有说明，将混凝土材料与结构从耐久性角度来分析，依据其构造肌理受环境类别影响而导致的不同结果进行了相应的划分，大体如下：①正常环境，混凝土钢筋受一般大气影响而出现腐蚀；②温度异常环境，混凝土反复受冻后融化而导致材料损伤；③④被一起归类为海洋氯化物、除冰盐以及掐他氯化物环境，此环境下混凝土内部结构受到氯离子侵蚀；⑤化学腐蚀环境，混凝土遭遇地下水、大气污染物侵蚀而劣化。因此，要想做好厂房混凝土结构耐久性设计，首先需要明确耐久性设计的目标。在混凝土材料中，不同材料的选择，要根据建筑工程设计标准，结合工程所在地的环境勘测数据及施工条件，选择优质的材料。水泥材料，水泥砂浆的强度关系到整个混凝土结构的耐久性。水泥砂浆质量越好，各项工程性能指标也越高。对水泥的选择要科学合理，降低水泥的干缩性、碱含量，提升水泥的抗冻性、耐腐蚀性，更好地确保混凝土耐久性。同时需要参照GB50010-2002《混凝土结构设计规范》要求，对混凝土结构耐久性设计，同时用浇筑试件的钢制模具如图3做混凝土抗裂实验去评定，要结合项目工程质量标准，做到充分研判，科学施工。影响耐久性的因素很多，在施工前，要做好项目勘测，明确混凝土抗冻、抗渗、抗化学腐蚀、耐磨等指标。结合项目设计等级，对混凝土材料进行科学配比。影响混凝土结构耐久性的另一个重要因素就是混凝土结构中钢筋结构的锈蚀现象，现阶段常用的防护钢筋锈蚀的方式为使用钢筋锈蚀阻锈剂。混凝土劣化具有多样性，设计不良、施工不当、材料应用失调等都会引发混凝土劣化，在工程实践中也会存在结构维护不良、所依据规范标准不合适等方面的原因。就微观层面来说，导致混凝土劣化最为主要的原因在于氯离子向混凝土中的渗入，继而引发钢筋锈蚀，导致混凝土结构被破坏。

3建筑工程混凝土结构耐久性设计具体实施方案

3.1明确设计目标

①根据设计三要素对混凝土耐久性极限以及结构强度进行确定，基于强度以及极限值要求来选择组成混凝土的基础材料。②了解实际混凝土施工环境，例如施工场地的气候变化预测、雨水酸碱度、地下水酸碱盐度等指标，调查后根据所得数据来对混凝土配比等进行调整。③如果混凝土需要在较低温度条件下进行使用，例如在海拔高地区建造公路，要分析历往此区域冻融平均年数，在科学合理的引进引气剂，为混凝土耐久性提供保障。④如果施工场地的环境条件存在较大化学腐蚀现象，比如雨水酸碱度较低或地下水含盐量较高等，要在具体应用时，先针对混凝土钢筋结构做好抗腐蚀做事，像是在其表层涂环氧涂层。⑤如果周围环境变化幅度大，基于环境的不同有针对性的调整与优化耐久性方案设计。⑥通过对钢筋结构进行排水设计，来强化混凝土耐久性。

3.2结合现场，提升混凝土质量标准

对于厂房建筑集料，着重关注集料的碱活性、耐腐蚀性和吸水性。对集料的级配进行合理设计，测量集料中各成分的含量，提升集料的和易性。需要强调的是，针对集料级配比例，要控制整体酸碱性，避免因环境pH值而影响混凝土的结构耐久性。针对外加剂的处理，通过调控外加剂，来改善混凝土的性能。如适当增加减水剂，以改善混凝土的强度和密实度，为耐久性提供保障；通过适当增加引气剂，以降低混凝土内部的气孔数量，增强耐冻性；通过适当增加膨胀剂，以减少混凝土的收缩率，提升抗渗性；通过适当增加缓凝剂，以降低混凝土的极限温升，减少因温度降低而导致的混凝土裂缝问题。混凝土矿物掺合料，如硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英砂等，主要用于改善混凝土的结构耐久性，适当增加掺合料，可以增强混凝土的密实度和强度。

3.3做好周密勘测，科学组织施工

通常，对各类外加剂的使用，氯离子含量要低于0.02%；对高效减水剂的使用，以减水剂干重为基准，硫酸钠在其干重的20%以内。混凝土在进行浇筑前，需要先检查钢筋、保护层垫块等，确保保护层厚度达标。如果浇筑的为大面积混凝土，还要科学设计施工缝位置，避免冷缝。在混凝土浇筑后，要做好科学养护，严禁过早拆除支撑。对冬季等恶劣天气，要对整个施工项目做好防潮、防冻处理。充分考虑建筑工程周边环境要素，做好建筑物防水、排水工作。

3.4混凝土保护层厚度

混凝土具有高碱度特性，会使钢筋表面形成一层钝化膜，从而对钢筋形成保护作用。混凝土保护层能够起到阻止外界氧气、水分以及腐蚀介质渗入的作用，而所起到的保护效果跟混凝土保护层厚度、密实程度等相关。因此，适当增加混凝土保护层厚度属于在建筑工程中提升混凝土结构耐久性、促进结构使用寿命延长的关键举措。在工程结构设计实践中，对于混凝土保护层最小厚度值的确定，应该具体考虑下述几点：①为了避免箍筋先锈蚀，保护层厚度应该从箍筋的外表面开始计算；②保护层最小厚度设计除了要充分考量外部环境因素之外，还应具体依据设计使用年限进行确定；③要将国家相关规定标准中设置的保护层最小厚度理解成标定值，并将工程设计图纸中标明的厚度值计入到施工允许公差值之内；④不管在任何工况之下，保护层的最小厚度都不应该低于15mm，并保证保护层厚度大于钢筋直径；⑤要关注预应力钢筋腐蚀作用所具备的危害性，采用先张法时保护层厚度不应该低于20mm，采用后张法时保护层厚度不应该低于管道直径。通常情况下，针对预应力混凝土构件，其保护层厚度应该比普通混凝土构件大5-10mm，而封闭锚具处于干湿交替环境之下的保护层厚度不应该低于50mm；⑥直接浇注于土壤中的结构（比如柱基础等）、设置于海水环境中的预应力混凝土，其保护层最小厚度不应该低于75mm；⑦对于轻骨料混凝土，其保护层厚度要适当增加5-10mm；⑧倘若混凝土结构表面存在粉饰覆盖层，对其保护层最小厚度的设计可以降一级，亦或是以减小5mm计算。

3.5混凝土材料及其配合比

①原材料基本要求。在对混凝土进行耐久性结构设计时，要合理选择与配置各种混凝土原料，确保得到更加密实的混凝土结构，针对混凝土自身具有的抗裂性、抗冻性以及抗渗性等性能要进一步对其强化。通常判断混凝土耐久性程度可以通过向混凝土中掺入水、二氧化碳或相应化学介质，通过观察渗透度就可分析其结构的耐久性高低。为了获得理想的抗渗性能，必须科学选择水泥品种，采用充足的水泥用量同时应尽量降低水灰自由配比，同时合理选择骨料及其级配；②应用具有良好性能的外加剂。在混凝土中适当添加一些外加剂，比如阻锈剂、减水剂、养护剂以及引气剂等，能够起到改善与提升混凝土结构整体耐久性效果的作用。在选用外加剂时，要明确生产厂家所推荐的掺入量，同时关注其化学成分、减水率、含碱量、含氯离子量以及使用方法等，各项技术性能要充分符合国家及行业相关标准要求；③限制氯盐含量。当存在氯离子时，即便是高碱度混凝土钢筋，也会被腐蚀。氯离子侵入混凝土的途径一般有两种。其一为“混合掺入”，比如掺拌含有氯盐的外加剂、含氯盐的水、在含盐环境当中进行混凝土拌制等；其二为“渗入”，环境当中的氯盐经过混凝土宏观及微观上的缺陷，逐步渗入到混凝土当中达到钢筋表面。其中，前者一般属于施工管理中的问题，表面看比较好解决，但是在工程实践中时有发生。而后者则属于一种综合性技术问题，跟混凝土本质、密实性、混凝土层厚度以及工程建设质量等多种因素直接相关。混凝土内部属于高碱环境，氯离子渗入混凝土内并抵达钢筋表面，需要达到一定浓度才会使钢筋发生锈蚀。具体来说，在工程实践中，对于预应力混凝土，应该将其氯离子重量控制于水泥重量的0.06%以内，而普通混凝土的氯离子总量不应该超过水泥重量的0.1%。

4结论

综上所述，混凝土结构耐久性是影响建筑工程建设质量的关键要素，必须从工程设计管理和技术应用等方面加大投入，合理优化混凝土结构的耐久性效果，促进工程整体建设质量的提升，在为社会提供更为优质工程产品的同时，获得更好的工程效益。

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作者：汪晨 单位：安徽实华工程技术股份有限公司