第三章 混凝土结构的耐久性设计

1、张树仁 哈尔滨工业大学 二零零四年 新颁布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范 (JTG D62-2004)(以下简称桥规 JTG D62)在总则中增 加了耐久性设计内容，提出了公路桥涵结构应根据所处的 环境条件进行耐久性设计的概念。2004年5月出版的中国 土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南 (CCES01-2004)(以下简称耐久性设计与施工指南 CCES01)进一步提出了混凝土结构及其构件的耐久性应 根据不同的设计年限及相应的极限状态和不同的环境类别 及其作用等级进行设计的概念，明确提出了环境作用下混 凝土结构耐久性设计与施工的基本原则与要求。 长期以来，人们受混凝土是

2、一种耐久性能良好的建筑料这 一认识的影响，忽视了钢筋混凝土结构耐久性问题，造成 了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后，并为此付出了 巨大的代价。国内外大量调查分析发现，引起混凝土结构 耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维修的各个环 节。虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土 结构的耐久性要求，但是，这一宗旨并没有充分地体在具 体设计条文中，致使在以往的乃至现在的工程设计中普遍 存在重视强度设计而轻视耐久性设计的现象。我国1989年 颁布的混凝土结构设计规范和1985年颁布的公路钢 筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范涉及结构耐久性 的内容很少，除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般

3、规定之外，只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以控制。 实践证明，裂缝控制对结构耐久性设计并不起决定性 作用。新颁布的桥规 JTG D62增加了耐久性设计 内容，特别是耐久性设计与施工指南CCES01提出 的混凝土结构应根据不同设计年限及相应的极限状态 和不同的环境进行类别及其作用等级进行耐久性设计 的概念。明确提出了环境作用下混凝土结构的耐久性 设计与施工的基本原则与要求，是结构设计理念上的 重大突破，是工程结构科学的重大技术进步，对提高 设计质量具有指导意义。 混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物 理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。由于混凝土的缺 陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴

4、等），环境中的水及侵 蚀性介质就可能渗入混凝土内部，产生碳化，冻融，锈蚀 作用而影响结构的受力性能。并且结构在使用年限内还会 受到各种机械物理损伤（腐损，撞击等）及冲刷、溶蚀、 生物侵蚀的作用。混凝土结构的耐久性问题表现为：混凝 土损伤（裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等）；钢筋的锈 蚀，脆化、疲劳、应力腐蚀；以及钢筋与混凝土之间粘结 锚固作用的削弱等三个方面。从短期效果而言，这些问题 影响结构的外观和使用功能；从长远看，则会降低结构安 全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。 一、混凝土结构的耐久性 影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂，主要取决于以下四 个方面： （1）混凝土材料的自身特性

5、； （2）混凝土结构的设计与施工质量； （3）混凝土结构所处的环境条件； （4）混凝土结构的使用条件和防护措施。 混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐 久性的内因。混凝土的材料组成，如水灰比、水泥品种和 数量，骨料的种类与级配都直接影响混凝土结构的耐久性。 混凝土的缺陷（例如裂缝，气泡，空穴等）都会造成水分 和侵蚀性物质渗入混凝土内部，与混凝土发生物理化学作 用，影响混凝土结构的耐久性。 混凝土结构所处的环境条件和防护措施，是影响混凝土结 构耐久性的外因。外界环境因素对混凝土结构的破坏是环 境因素是对混凝土结构物理化学作用的结果。环境因素引 起的混凝土结构损伤或破坏主要有： （

6、1）混凝土的碳化 混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的 二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况 下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免 遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实 质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏， 在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。 (2) 氯离子的侵蚀 氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混 凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷的冬季向 道路、桥面洒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。 氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方 面的，但最终表现为钢筋的锈蚀

7、。 （3）碱骨料反应 碱骨料反应一般指水泥的碱和骨料中的 活性硅发生反应，生成碱硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压 力，造成混凝土开裂。 碱骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破 坏发展更快，后果更为严重。碱骨料反应一旦发生，很难 加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有 时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。 (4) 冻融循环破坏 渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的 微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥 裂，强度降低。 (5) 钢筋锈蚀 钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因 素。混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝

8、， 只有将覆盖钢筋表面的碱性钝化膜破坏，加之有水分和氧的 侵入，才有可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀， 使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的 粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低， 变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐 蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。 值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有 水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的 破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，并都与最终的混凝土 开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快。 混凝土结构的耐久性将进一步恶化。在影响混凝土结构耐久 性的诸多

9、因素中，钢筋锈蚀危害最大，钢筋锈蚀与混凝土碳 化有关，混凝土保护层碳化是钢筋锈蚀的前提，水分、氧气 的存在是引起钢筋锈蚀的必要条件。因此，提高混凝土结构 耐久性的根本途径是增强混凝土密实度，防止或控制混凝土 开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由 于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。 二、混凝土结构耐久性设计原则 混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结 构的使用环境，与结构设计、施工及养护管理密切相关。综 合国内外研究成果和工程经验，一般是从以下三个方面解决 混凝土桥梁结构的耐久性： （1）采用高耐久性混凝土，增强混凝土的密实度，提高混 凝土自身抗破损能力； （

10、2）加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的环境作用条 件； （3）改进桥梁结构设计，其中包括加大混凝土保护层厚度 ；加强构造钢筋，防止控制裂缝发展；采用具有防腐保护的 钢筋（例如：体外预应力筋，无粘结预应力筋，环氧涂层钢 筋等）。 1. 结构混凝土耐久性的基本要求 提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前 提和基础。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成， 其中水灰比，水泥用量，强度等级均对耐久性有较大影响。 新颁布的桥规JTG D62在总则中增加耐久性设计内容， 明确规定了不同使用环境下，结构混凝土的基本要求，对影 响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等 级、最大氯离子

11、含量和碱含量做出了限制规定。 桥规JTG D62规定，公路桥涵应根据所处环境进行耐久 性设计。结构混凝耐久性的基本要求应符表2-1的要求： 表表2-12-1 结构混凝土耐久性的基本要求 环境 类别 环境条件 最大水 灰比 最小水泥用 量(kg/m3) 最低混凝 土强度等 级 最大氯离 子含量（%） 最大碱含 量（kg/m3） 温暖或寒冷地区的 大气环境；与无侵 蚀性的水或土接触 的环境 0.55275C250.303.0 严寒地区的大气环 境；使用除冰盐环 境；滨海环境 0.50300C300.153.0 海水环境 0.45300C350.103.0 受侵蚀性物质影响 的环境 0.40325C

12、350.103.0 注：1、有关规范对海水环境结构混凝土中最大水灰比和最小 水泥用量有关详细规定时，可参照执行； 2、表中氯离子含量系指其与水泥用量的百分率； 3、当有实际工程经验时，处于类环境中结构混凝土的最 低强度等级可比表中降低一个等级； 4、预应力混凝土构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%， 最小水泥用量为350kg/m3，最低混凝土强度等级为C40，或 按表中规定类环境提高三个等级，其他环境类别提高二个 等级。 5、特大桥和大桥混凝土中的最大碱含量为1.8kg/m3，当处 于、类或使用除冰盐和滨海环境时，宜使用非碱活性骨 件。 规定，对水位变动区有抗冻要求的结 构混凝土，其抗冻等

13、级不应低于表2-2的规定。 注：1、混凝土抗冻性试验方法应符合现行标准JTJ053的规定。 2、墩、台混凝土应选比表列值高一级的抗冻等级。 耐久性设计与施工指南CCES01按结构设计使用年限、级 别和环境作用等级对配筋混凝土的最低强度等级；最大水灰 比和单方混凝土胶凝材料的最低用量作出了限值规定(见表 3)。 桥梁所在地区海水环境淡水环境 严重受冻地区（最冷月月平均气温低于 8） F350F250 受冻地区（最冷月月平均气温在48 之间） F300F200 微冻地区（最冷月月平均气温在04之 间） F250F150 表2-2 水位变动区混凝土抗冻等级选用标准 表表3 3 砼最低强度等级、最大水

14、胶比和胶凝材料最小用量砼最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料最小用量( (kg/mkg/m3 3) ) 环境等 级级别 设计使用年 限 一级 100年 二级 50年 三级 30年 侵蚀程度 A可忽略 C30,0.55, 280 C25,0.60, 260 C25,0.65, 240 B轻度 C35,0.50, 300 C30,0.55, 280 C30,0.60, 260 C中度 C40,0.45, 320 C35,0.50, 300 C35,0.50, 300 D严重 C40,0.40, 340 C40,0.45, 320 C40,0.45, 320 E非常严 重 C45,0.36, 360

15、C40,0.40, 340 C40,0.40, 340 F极端严 重 C45,0.32, 380 C40,0.36, 360 C40,0.35, 360 注：1、水胶比：混凝土配制时的用水量与胶凝材料（水泥 加矿物掺和料）总量之比。在耐久混凝土的配合比中，常 以胶凝材料用量的概念取代传统的水泥用量，并以水胶比 取代传统的水灰比作为判断混凝土密实性或耐久性的一个 宏观指标。 2、桥梁结构处于露天环境，非寒冷地区环境作用等级 一般取B级，寒冷及严寒地区一般取D级或C级，除冰盐、 冻融环境一般取D级或E级，近海或海洋环境一般取D或F级。 应该指出，表2或表3中给出的影响结构混凝土耐久性的各 项限值规

16、定中，控制混凝土的最大水灰比(或水胶比)和最 小水泥(或胶凝材料)用量是十分重要的。水灰比(或水胶 比)和水泥(或胶凝材料)用量不仅影响混凝土的强度，而 且是影响混凝土耐久性的主要因素。为了防止钢筋腐蚀以 及提高混凝土的抗冻性，混凝土应尽可能地密实，使其具 有良好的抗渗透性能。 为此，除了选择级配良好的集料和精心施工保证混凝土充 分捣实和水泥充分水化外，水灰比是影响混凝土密实性的 最重要的条件。为了保证混凝土有足够的耐久性，控制最 低水泥用量也很重要的，因为单位水泥用量较高的混凝土， 混凝土拌合物比较均匀，可减少混凝土捣实中出现的局部 缺陷。混凝土抗冻融的能力与其含气量有密切关系，因此， 有抗

17、冻要求的结构混凝土应掺入适量的引气剂。 2加大钢筋的混凝土保护层厚度 混凝土碳化是钢筋锈蚀的前提。就一般情况而言，只有保 护层混凝土碳化，钢筋表层钝化膜破坏，钢筋才有可能锈 蚀。因此，加大钢筋的混凝土保护层厚度，是保护钢筋免 于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。 桥规JTG D62给出的钢筋最小混凝土保护层厚度列于表4。 序 号 构 件 类 型 环境条件 、 1 基础、桩基承台（1）基坑底面有垫层或侧面有模 板 （受力钢筋） （2）基坑底面无垫层或侧面无模板 40 60 50 75 60 85 2 墩台身、挡土结构、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建 筑（受力主筋） 304045 3人行道

18、构件、栏杆（受力主筋）202530 4箍筋202530 5缘石、中央分隔带、护拦等行车道构件304045 6收缩、温度、分布、防裂等表层钢筋152025 注：1. 对于环氧树脂涂层钢筋，可按环境类别取用； 2.保护层厚度大于50mm时，亦在保护层内设置钢筋网。 耐久性设计与施工CCES01规定，钢筋的混凝土保护 层厚度C一般应不小于表给出的最小保护层厚度与保护 层厚度施工负允差之和，即CCmin+，式中的施工 负允差对现浇混凝土构件可取510mm，对工厂生产 的预制构件可取05mm，视钢筋施工定位工艺和质量保 证的可靠程度而定，必要时可取更高的数值 环境作用等级 ABCDEF 板、墙等 面形构

19、件 使用年限 30年 151525354550 使用年限 50年 152030405055 使用年限 100年 203040455560 梁、柱等 条件构件 使用年限 30年 202530405055 使用年限 50年 253035455560 使用年限 100年 303545506065 3加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝 混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中 出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。反过来， 裂缝的存在会增加混凝土渗透性，提拱了使侵蚀破坏作用 逐步升级，混凝土耐久性不断下降的渠道。当混凝土开裂 后，侵蚀速度将加大加快，形成导致混凝土结构耐久性的 进一步退

20、化的恶性循环。因此，防止和控制混凝土的裂缝， 对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的。控制混凝土的 裂缝，除按规范要求，控制正常使用极限状态的工作裂缝 以外，更重要的是要采取构造措施，控制混凝土施工及使 用过程大量出现的非工作裂缝。 桥规JTG D62突出强调了加强水平防缩钢筋和箍筋在控 制裂缝中的作用，提高了水平防收缩钢筋的配筋率和箍筋 间距的限制。 桥规JTG D62规定， T形、I形截面梁或箱形截面梁的腹 板两侧，应设置直径68mm的纵向钢筋(一般称水平防收缩 钢筋)，每腹板内钢筋截面面积宜为（0.0010.002）bh， 其中b为腹板宽度，h为梁的高度，其间距在受拉区不大于 腹板宽度，且

21、不大于200mm，在受压区不应大于300mm。在 支点附近剪力较大区段和预应力混凝土梁的锚固区段，腹 板两侧纵向钢筋截面面积应予增加，纵向钢筋的间距宜为 100150mm。 桥规JTG D62规定，箍筋宜采用直径不小于8mm的变形钢 筋，且不小于1/4主筋直径的箍筋。其间距应符合下列规 定：箍筋间距不应大于梁高的1/2，且不大于400mm；当所 箍钢筋为按受力需要的纵向受压钢筋时，不应大于所箍钢 筋直径的15倍，且不应大于400mm。在钢筋绑扎搭接接头 范围内的箍筋间距，当绑扎搭接钢筋受拉时，不应大于主 钢筋直径的5倍，且不大于100mm；当搭接钢筋受压时，不 应大于主钢筋直径的10倍，且不大于200mm。在支座中心 向跨径方向长度相当于不小于一倍梁高范围内，箍筋间距 不宜大于100mm。 桥规JTG D62规定，预应力混凝土T形梁，I形截面梁 和箱形截面梁腹板内应分别设置直径不小于10mm和 12mm的箍筋，且应采用带肋钢筋，间距不应大于250mm； 自支座中心起长度不小于一倍梁高的范围内，应采用 闭合式箍筋，间距不应大于140mm。在T形、I形截面梁 的下部的马蹄内，应另设直径不小于8mm的闭合式箍筋， 间距不应大于200mm。