混凝土结构的耐久性环境区划和设计方法研究

2015-03-22赵朋龙张红宇

黑龙江水利科技 2015年1期

赵朋龙，张红宇

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，沈阳11000)

0 前言

混凝土结构成为主要的建筑结构以来，不断优化混凝土的使用技术，起初人们只看到了混凝土抗压稳固等特点，而忽视了混凝土结构的耐久性问题。在混凝土的使用过程中，人们也渐渐开始意识到混凝土在使用中结构的耐久性对工程的影响，尤其是钢筋混凝土［1］。

现如今，混凝土的使用过程中，耐久性问题也成为工程学术主要关注的问题。对于混凝土结构耐久性的研究，要从材料碳化、氯离子侵蚀、冻融问题、碱反应还有物理环境作用等多方面入手，包括钢筋混凝土中钢材锈蚀力学特征、钢筋与混凝土连接性能及承载力计算等等。研究方法有简单项目到复杂复合项目，尽可能拟合实际混凝土使用过程中结构耐久性规律，更好的让混凝土材料在建筑工程中发挥作用［2］。

1 混凝土结构耐久性的区域差异及自然环境差异

混凝土结构在建筑使用过程中，基本都是长时间暴露在所在环境中，面临着各种暴露条件，而混凝土结构在使用中的结构耐久性又与所处的环境有着最为直接的关系。

在复杂的外界环境变化中，一种或者多种自然因素，混凝土材料受到相应的环境影响，材料的物理和化学性质有可能发展一些衰退或者弱化，譬如混凝土中性开裂［3］。

因为混凝土结构使用条件多种多样，混凝土结构根据环境因素产生的变化也就各有不同，如因为空气化学组成或者气候，混凝土可能产生碳化、化学侵蚀等现象。受地理和自然环境特点的影响，混凝土结构耐久性存在着明显的区域特征。不同的地区有着不同的自然影响因素，导致混凝土结构因为不同异化机理而产生不同的耐久劣化问题，而且混凝土结构耐久劣化程度也与所处环境有着明显的关系［4］。

1.1 耐久性劣化机理与地区差异

我国幅员辽阔，有着多种多样的气候环境，就温度和湿度来看，北方气候趋于寒冷，南部气候潮湿，且受海洋气候的影响。

因此混凝土结构在北方环境中往往会出现因为冻融二产生结构体损伤;南部地区空气湿度大，受到海洋对空气组成的影响，混凝土容易出现离子化学锈蚀;而在中部地区，气候相对温和，但也受到一部分海洋的影响，所以在这些地区冻融和侵蚀都应当受到关注。

在北部环海地区，冬季常使用除冰盐对路面进行处理，此时还要注意盐蚀对混凝土结构耐久度的影响。大体上看，我国主要呈现出“北冻南锈”的趋势，这也是最直观的耐久性与空间分布的关系［5－6］。

1.2 相同劣化机理在不同环境下的差异

不同地区对混凝土结构耐久性劣化有着不同的影响，而相同的劣化机制在不同的地区也有着不同的影响程度。比如混凝土结构的碳化问题，就标准使用环境对未来耐久年限进行预测，发现各个地区存在较大差异。

从整体数据来看，北方气候较为寒冷的地区，如哈尔滨和乌鲁木齐等，耐久年限预测可以达到120 a左右，而中部地区如北京和上海等，耐久年限预测只有100 a，南方如广州，耐久年限预测则不到80 a。

2 基于自然区划的研究

受到地域及地区分布差异的影响，自然环境存在着显著的区域性差异，这些差异在生产建设中都会产生一定的作用。

区划简单来说就是划分区域，在国家或地区的区域范围内，根据地域差异性将整体区域细化成不同区划，根据不同的差异参考，可以分成经济区划、自然区划、地理区划和综合区划等［7］。

2.1 第一类自然区划

第一类自然区划是指完全按照自然环境因素进行划分的区域，只关注本身的自然特征和固有规律。具有代表性的自然区划有综合自然区划，地形地貌区划、土壤区划、水文区划、植被区划等。这些区划最主要的特点就是关注自然本身的固有属性，如地形，水质等等。

自然区划还会根据地理空间的分布，是区域内规划具有最相似的自然特点，方便针对某一自然因素进行分析［8］。

2.2 第二类自然区划

该类区划在关注自然因素的同时，将重点更多的放在与自然相关的生产建设活动上，按照该区域生产建设的实际需要，从自然环境因素中选择可供分类的指标进行区分。

代表性区划有建筑与气候区划、农业与气候区划、公路与自然区划、冻土区划等。这些区划主要是根据所在地区自然环境特点，结合生产需求和建设需求，以相互关系为中心建立起来的。这类区划针对生产建设活动，联系自然环境特点，满足人类活动的实际需求，能够为发展规划和充分利用自然资源提供良好的支持［9］。

3 环境因素与混凝土耐久预测研究

环境对混凝土的影响机理上文也有提到，多是碳化、物理侵蚀、化学侵蚀等，碱化反应和生物侵蚀研究的较少，在环境影响因素中关系较为具体，混凝土混合水中碱环境、混凝土接触突然环境等与混凝土结构耐久有着更加直接的关系，所以该类影响更倾向于具体实地研究［10］。

3.1 混凝土碳化预测研究

一般来说，对于过程的预测可以利用已有的定律进行主要分析，在根据实际情况进行必要的修正，可以有较为准确的预测结果。

假设CO2在混凝土中的扩散遵循菲克第一定律，以CO2浓度线性变化分布为主，通过特殊的测量手段可以发现模型中混凝土结构的碳化程度与CO2的扩散时间是成正比的。因为混凝土在使用中抗压能力是主要的性能指标，测试数据也比较容易获得，所以在原有模型的基础上增加了混凝土结构抗压测试的新模型更具有说服力［11］。

在分别建立了暴露条件和非暴露条件下的实验，考虑部分不确定因素，提出了混凝土结构的碳化程度与CO2扩散浓度、所处环境温度和相对湿度都有着一定的关系。

综上所述，在研究混凝土结构碳化的过程中，对于环境因素的分析多集中在环境温度、相对湿度和CO2浓度等几个方面，这与前文提到的环境区划匹配相对应。就碳化程度一个方面来说，其他环境因素，如风力影响、日照影响等就需要结合实际需要进行考察，这些因素的考量也更适合在主要因素区划内部进行针对性修正。

3.2 化学侵蚀预测研究

菲克第二定律概括的表述了氯离子在混凝土材料中的扩散规律，该定律也是现行主要的氯离子侵蚀处理方法的参考。其中提到的氯离子扩散因子、混凝土结构表面离子浓度和使用时间系数，是主要的规律参数，针对这些参数的研究能够对混凝土结构侵蚀模型做出更好的分析总结［12］。

混凝土结构中的氯离子浓度因子与使用时间系数成幂函数关系，在加入了环境温度的影响，还要将氯离子浓度渗透程度与表面氯离子浓度指数考虑进来。

混凝土的使用龄期在混凝土模型研究中也有着重要的作用，其系数的确定与混凝土材料组成有关，也与水的比例、环境温湿度有关。直接关系表现为，龄期衰减系数与衰减速度成正比。也就是说龄期系数随着混凝土水比例的增加而降低，水胶比＞0.5 的则呈相反的变化规律。

综上所述，氯离子对于钢筋混凝土结构的侵蚀作用主要参考菲克第二定律，通过有限数学统计对模型进行修复，并增加混凝土结构表面氯离子随时间变化关系。在考虑自然环境因素时，对于混凝土所处水环境及离子扩散的研究更为重要，并且环境氯离子和温湿度条件也是裂化现象主要参考。

4 混凝土结构耐久性区划设计需要注意的问题

不同的区域有着不同的环境特征，而区划的设计与规划最重要的就是要找到共同特点，将区域通过共同特征进行整合，在通过差异进行区分，这样形成的区划则更有利于环境特征的分析和决策。

4.1 水平区域差异的考量

地理环境气候的影响，主要表现在地理区域的水平差异上，因为这种差异，使环境中的混凝土结构耐久性劣化也跟着产生不同的表现特征。

在区域环境的条件下，混凝土结构耐久性主要表现在不同地区的不同环境特点，导致了不同的结构劣化机理;同时也表现在相同耐久性劣化机理在不同环境特点下的程度差异。

所以在设计规划混凝土结构耐久度环境区划时，可以就这些规律进行考量。第一可以将不同环境作用下混凝土结构耐久性劣化机理进行对比研究，具有相似劣化机理的可以划分为统一区划;第二可以针对某一地区具有相同的混凝土结构耐久性劣化机理，从大的环境区域中对比分析不同区域环境对劣化程度的影响，以此来确定环境作用区划。