混凝土结构耐久性设计方法

石建光

厦门大学土木工程系 361005 E-mail: jgshi798@sohu.com

摘要：混凝土结构的耐久性涉及物理、化学、电化学以及物理化学等作用形式，涉及的因素有混凝土材料、钢筋性质和周围状态、混凝土施工使用过程和混凝土受力状态，是混凝土接触环境与这些因素中的一个或几个相互作用形成环境作用，造成混凝土的损坏。分析目前提出的耐久性设计方法和耐久性涉及的因素的特点，提出分阶段分层次设计方法是一个可行的途径。

关键词：混凝土结构，耐久性设计，分阶段分层次设计

1. 引言

从1880—10年第一批钢筋混凝土结构问世，距今近120多年的历史。随时间的推移，大量建造的钢筋混凝土结构在环境作用下的安全使用和耐久性问题就摆在了人们的面前。为20世纪是钢筋混凝土的时代而自豪的同时，不得不面对其过早损坏引发的资源浪费和环境污染问题。美国在对其国内的桥考察后发现，约三分之一即20万座桥存在缺陷，有四分之一以上的桥超过了50年的设计寿命，每年为桥梁锈蚀将花费83亿美元，英国损坏桥在英格兰和威尔士占10%，耗资达6.2亿镑，欧洲亚洲和澳大利亚也有类似问题。这不仅涉及基本建设工程长期安全、耐久的重大问题，还关系到资源、环境、国计民生等一系列重大经济社会问题。为此国内外都积极开展这一问题的研究，如美国的SHAP计划投入1．5亿美元，英国和日本组织了国家海洋混凝土项目，加拿大90年代投入2．4亿美元进行研究，我国也开展了攀登计划等。回顾过去，Mehta教授将这些问题归结为人口的增长、城市化和技术抉择这三个主要因素。在人口、环境、资源成为国际社会面临的主要问题的背景下，技术抉择更多地应与可持续发展相一致，从考虑造价、质量和工期，向考虑资源、排放物、生物多样性和环境质量方向发展。所以考察和研究耐久性设计的方法时，既要关注技术问题本身，也更要注意有利于可持续发展的实现。

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2. 混凝土的耐久性问题

混凝土耐久性是指环境作用下的性能。环境作用即混凝土接触环境，包括大气环境、水环境、土壤环境和工业特殊环境等，环境作用使混凝土损坏的原因可以分为： 1

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厦门大学科研基金资助

󰂾 物理作用：严寒侵蚀，骨料和水泥浆体间的热变形差，对收缩敏感的骨料，塑性或

收缩及微裂，火灾，对严寒敏感的骨料等；

󰂾 物理化学作用：钢筋腐蚀开裂，电解作用，碱骨料反应或冻融循环等；

󰂾 化学作用：软水，海水，氯离子，酸侵蚀，硫酸盐，骨料硫化物氧化，硅灰石膏，

碱硅石反应，碱碳酸盐反应等。

如果将混凝土接触环境作为损坏发生的外部因素，而混凝土作为损坏发生的内部因素，可将内部因素分为：混凝土材料，包括组成材料的性质，组成比例；钢筋性质和周围状态，特别是钢筋表面状况和保护层性质和状态；混凝土施工使用过程，包括浇捣、养护、维护等；混凝土受力状态，包括受力大小、性质和历史等。在实际工程中往往是混凝土接触环境与这些因素中的一个或几个相互作用形成环境作用，造成混凝土的损坏，如图1所示。

从设计的角度看，外因即混凝土接触环境，往往有不可选择性或控制性，而内因具有可选择性或控制性，所以耐久性设计可理解为通过控制内因即混凝土材料、钢筋性质和周围状态、混凝土施工使用过程、混凝土受力状态，以满足接触环境作用下耐久性的要求，如50年或100年等，其设计方法的选择应考虑环境作用的类型和方式，混凝土要满足的要求或损坏的标准为混凝土结构的适用性、安全性要求或标准。

图1 环境作用的构成

从公众利益和社会发展的角度，对耐久年限、适用和安全标准提出基本要求。因混凝土的历史仅120多年，不要希望建造500年或1000年的混凝土，更何况有些损坏无法避免，如钢筋腐蚀，只能说对于某种损坏可以防止或延缓。因混凝土损坏的原因也是不断发现和变化的

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混凝土材料 钢筋性质和周围状态 混凝土接触环境 混凝土受力状态 混凝土施工使用过程 ，而且环境作用也在变，如酸雨、土壤

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]等。

3. 各种耐久性设计方法

传统方法：针对不同类别的环境作用，通过混凝土材料控制和构造措施，满足耐久性和使用寿命要求。如控制混凝土材料组成、最大水胶比、最低胶凝材料用量、混凝土最低强度等级、保护层最小厚度等构造要求。如我国和Eurocode混凝土结构设计规范对环境作用下的耐久性设计就采用这种传统方法，将环境作用分类，每类提出不同使用年限的不同要求。

指数（评分）法：环境指数小于等于耐久性指数，影响耐久性的因素分为8类，共包括32个因素，分别评分后相加。日本土木学会耐久性设计建议-1990中采用了这种方法。

因子法：芬兰按照ISO/DIS15656用因子法进行混凝土外墙板使用年限的设计方法。 ISO/DIS15686《建筑物的使用年限计划》的一般原则中，定义某一构件的设计使用年限tg为业主或业主与设计人共同决定的年限，而构件的估算使用年限te用因子法确定，也是将各个因素采用系数的办法修正考虑。如构件质量（水胶比、强度等级、含气量），设计水平（结构构造），施工质量，室内环境，室外环境，使用状态，维修保养水平等，系数相乘。 通过材料设计满足耐久性要求的方法

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：用盐冻剥落量、评定混凝土抗冻性的ＤＦ值、氯

离子扩散深度和钢筋锈蚀率等四个耐久性参数进行耐久性设计优化混凝土。三峡工程混凝土配合比设计从传统的按强度设计转变为按耐久性设计，通过掺用优质外加剂和掺和料，降低了混凝土绝热温升，提高了混凝土的抗冻、抗裂和碳化性能，并采取了原材料碱含量和混凝土总碱量等碱骨料反应预防措施，从而确保三峡工程混凝土的耐久性。桥梁所处的环境一般比较恶劣，各国工程经验证明，桥梁损坏是比较严重的，其修复要耗费大量资金，往往大于新建桥梁时适当提高有关技术要求所增加的费用。从材料选择、集料碱活性、外加剂与耐久性、大体积混凝土防止开裂、密集钢筋部位应用高流动性混凝土或自密实混凝土以及桥面混凝土等从耐久性及影响耐久性的施工性能等方面加以校核，以保证桥梁在使用环境下安全地工作100年。

可靠度方法

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：钢筋混凝土结构的耐久性不足将会引起结构性能的劣化，从而使结构

的可靠度降低。给出耐久性失效概率的分析方法，运用现阶段研究成果解决混凝土结构耐久性设计问题。DuraCete混凝土耐久性设计指南就提出了可靠度设计方法。

系统工程方法

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：从方角度，指出用系统论方法研究混凝土耐久性有利于从性能-

结构-过程-环境的全局出发,揭示混凝土性能的演变规律。

全寿命分析方法

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：以“全寿命”为出发点,为保证规定的工程使用年限,采用技术、经

济等合理的防护措施, 贯彻实施全寿命经济分析法。

使用年限设计方法

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：从影响混凝土耐久性的抗渗、抗冻、抗碳化及氯离子渗透等性能

入手，通过理论分析和实验观测，与时间建立联系，以期探讨出按使用年限来设计混凝土。 材料设计与可靠度结合的方法

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：Mahta教授提出混凝土综合破坏模型，将普通设计与耐久

性设计相融合的思想。耐久性设计包括确定目标服务寿命和设计服务寿命，环境作用分析，劣化机理的确定，依据劣化机理确定耐久性模型，耐久性参数包括混凝土劣化与钢筋锈蚀深

度、混凝土保护层厚度、配筋直径等。考虑因素如混凝土强度、渗透性、水泥品种、养护方法、配筋类型、结构尺寸等。普通的力学设计：用普通的力学设计结构尺寸——静态、疲劳、动态。确定结构初步的尺寸、配筋量和部位、混凝土强度等。最终设计可以采用分别设计法：普通的力学设计与耐久性设计的集合，或结合设计法：考虑到耐久性参数，重新从力学角度确定结构尺寸，检查结果及可能的反馈。

劣化模型方法：依据结构的工作环境、设计使用寿命、耐久性极限状态和抵抗环境作用的能力进行混凝土结构耐久性设计的方法

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。如RIREM130－CSL委员会提出的《混凝土结构

耐久性设计》报告中也采用了该种方法。

比较各种耐久性设计方法，主要是处理耐久年限、环境作用和安全及使用设计方法三者间的关系（图2）。因安全及使用设计方法采用了可靠度设计法，所以在耐久性设计中也有采用可靠度设计方法的。

图2 设计方法处理的关系

安全及使用设计中对荷载和材料性能都按照50年或100年内的出现概率或变化考虑，所以将耐久性按50年或100年设计，则环境作用比较容易与荷载作用一起考虑。对安全中的强度设计和使用中的变形和裂缝设计中加入环境作用的影响，满足安全及使用要求的同时，耐久性也满足了要求。这就将耐久年限和环境作用融入安全及使用设计中，不单独进行耐久性设计。但这要求将环境作用中的各个因素对强度、变形、裂缝的影响按照设计年限定量表示，这对物理作用比较容易，而对化学、物理化学或电化学作用还很困难。

按耐久年限对环境作用进行耐久性设计是普遍的方法。但要将环境作用中各个因素的影响，通过相加或相乘的方式进行考虑，对化学或电化学作用很难符合，所以指数法和因子法的适应面受到。

而要按使用年限或劣化过程或可靠度方法进行耐久性设计，这对个别环境因素比较容易办到，目前许多因素还无法定量设计，也只能是范围很窄的方法。

耐久年限 环境作用 安全及使用设计针对环境作用中混凝土材料、钢筋性质和周围状态、混凝土施工使用过程、混凝土受力状态等内在因素，以及这些因素在结构整个使用过程中的出现时间或形成过程，耐久性设计应鉴戒系统设计的思想

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，按信息、过程、不确定这三个参量进行设计。信息反应了规范要求、

环境等，过程反应了材料、构件选择等，不确定反应了各个量的不准确、出现的概率和选择时的或然性等。

结合设计过程，分层次设计概念是比较现实和有利于发展的途径。即第1层次：控制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度（如强度等级、水胶比、胶凝材用量）（原材料选择 矿物掺和料、引气剂等）；第2层次： 进一步控制混凝土材料的耐久性指标，如抗冻等级，扩散系数、渗透系数。第3层次：通过理论或经验的计算模型进行使用年限预测。普同工程按第一层次设计。比较重要的结构，可同时提出第二层次要求，作为双层控制。严重腐蚀性环境的重要结构，按第三层次验算。

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4. 耐久性设计的思路和方法

耐久性设计的目的是要满足一定的使用年限要求，而其判断的标准应是使用功能和安全是否满足要求。但耐久性设计中的环境作用比使用和安全设计中的其他作用与材料的更多方面密切相关，如果都以材料的力学性能进行计算和评价，有些则很难与其作用的机理直接联系。面对耐久性问题更多的是需要设计者在计算分析之外关于材料、化学、电化学、物理等方面的知识，有了更多的选择可能。所以耐久性设计的方法应该提供设计者广泛的选择机会，以便更多的考虑公众、社会利益，贯彻可持续发展的要求。

为此采用分阶段分层次设计方法是一个可行的途径。在初步设计阶段主要进行材料设计；在技术设计阶段主要进行耐久性指标和计算分析指标的设计；在施工图设计阶段主要进行施工质量的控制与保证、构造措施与裂缝控制、定期维修与检测等设计内容。分层次主要考虑设计对象的重要性和环境作用的大小，重要工程在环境作用比较大的情况下，要进行三个阶段设计，一般工程在环境作用比较小的情况下，可仅进行一个阶段设计，其他情况可以参照进行。

材料设计中可以吸取现代计算机、机械、医学等设计或处理方法，采取分功能或分类处理的方法。

耐久性指标和计算分析指标的设计可以将耐久性设计分析的专家知识与经验组织起来，形成具有一定规模的知识库，在大量试验的基础上形成数据库，将设计与分析计算方法形成具有一定功能的计算模块，形成耐久性设计与分析软件或系统计。

施工图设计可以按不同耐久性损坏原因，提供选择措施的方法造做法，来满足施工要求。

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，实现耐久性计算机辅助设

，形成耐久性设计的构

5. 总结

耐久性设计涉及材料、化学、电化学及物理化学等多学科的内容，很难采用单一的力学方法完成设计。而且有些损坏是可以延迟修复的，有些因修复性很差是应该避免的，所以不同因素应区别对待。有些容易计算，如碳化深度，有些是很难计算的，如钢筋锈蚀，其机理和环境不同，锈蚀方式相差很大。总结目前有关耐久性设计方法，提出按照设计的不同阶段和建筑物重要性及环境条件的不同，采用分阶段分层次的耐久性设计是一个可行的途径。为此应开展以下方面的工作：

按照环境作用的不同，应建立如酸雨、大气、海洋等地区环境分布图，以满足耐久性设计需要；

从公众和社会利益及可持续发展角度，对各个设计阶段的内容或指标提出基本要求，分层次给出可供选择的标准；

由于满足耐久性要求措施的多样性和因素组合的不确定性，以设计指南或工法的方式分别给出可供选择的措施；

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Durability Design Method of Concrete Structure

SHI Jian-guang

Department of Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China

Abstract

The durability problem of concrete structures relates to the action form of physics, chemistry, electrochemistry or physics-chemistry. The involved factors are concrete material, the character and around condition of reinforcement, the construction and utilizing process of concrete, the stress state of concrete. It is the reciprocity result of one or many factors acting with the contact circumstance. And this reciprocity results in the concrete damage. Analyzing the proposed durability design method at present and the character of the related factors, the phase-level design method is one feasible approach to solve durability problem of concrete.

Keywords：concrete structure; durability design; the phase-level design

作者简历：石建光、清华大学土木工程系硕士毕业、厦门大学土木工程系教授、主要从事钢筋混凝土结构分析研究、先后完成“钢筋混凝土框架极限分析及塑性设计方法研究”、“钢筋混凝土双向板满足使用要求的设计方法研究”、“有支撑钢筋混凝土结构性能研究”、“组合结构动力性能研究”等项目。先后完成论文20多篇、主持科研项目9项、获得科研奖励4项。