孙巍
（华东建筑设计研究院有限公司，上海，200041）
【摘 要】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。针对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，本文就嘉华大桥（超大跨径预应力砼连续刚构桥）砼的耐久性设计作简要介绍。
【关键词】砼的耐久性；高性能混凝土
由于物理、化学作用，施工、环境因素的影响，混凝土是带裂缝工作的。当混凝土结构裂缝较大时，侵蚀性物质会通过裂缝渗入混凝土内部到达钢筋表面引起锈蚀。钢筋锈蚀养化后体积膨胀将混凝土保护层涨裂，反过来又加速钢筋锈蚀，最后导致保护层剥落。钢筋锈蚀后，钢筋的有效面积减小，强度降低导致结构承载力下降。另一方面锈蚀钢筋的抗滑移能力降低，有可能导致结构出现滑移破坏。由此可见随着时间的推移，混凝土结构可能出现承载力方面的问题，有时甚至会是脆性破坏。这就是混凝土耐久性问题的根源。
新颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)增加了耐久性设计内容，特别是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)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。
一、混凝土结构耐久性概述
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、磨损与溶蚀等)，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3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。
影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂，主要取决于以下4个方面：
（1）混凝土材料的自身特性。
（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。
环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有以下几个方面。
（1）混凝土的碳化
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，在水分和其他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。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，氯离子是一种极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土，到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋腐蚀。氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀是威胁混凝土结构耐久性的最主要和最普遍的病害。
（3）碱—集料反应
碱—集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—集料反应一旦发生，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—集料反应是混凝土结构的“癌症”。
（4）其他
混凝土的冻融破坏
化学侵蚀
混凝土的表现磨损
二、砼的耐久性设计的主要内容
综上所述，嘉华大桥在混凝土耐久性设计时，主要考虑以下几方面：
（一）耐久性混凝土的选用。
提出混凝土原材料选用（水泥品种与等级，掺和料种类，骨料品种与质量要求等）、混凝土配合比的主要参数（最大水胶比、最大水泥用量、最小胶凝材料用量等）要求，根据需要提出混凝土的碱含量等具体指标。使混凝土具有良好的抗侵入性、体积稳定性和抗裂性。
（二）与结构耐久性有关的结构构造措施与裂缝控制措施。
（三）为结构使用过程中的监测、维修或部件更换，设置必要的通道和空间。
为结构使用阶段的检测、维护、修复和部件更换准备好必要的条件。设置检测和维修用的通道。
（四）加强与施工耐久性有关的施工质量要求。
国内外经验表明，混凝土对环境作用的抗力不够只是一个方面，施工质量差则是混凝土结构耐久性不良的主要原因之一。挪威的工程经验表明，做好工程结构的施工，海洋严酷环境下的混凝土结构耐久性比陆上混凝土要好，其原因是增加了保护层厚度、应用了优质混凝土、具有良好的质量保证体系和严格的质量控制措施，从而保证了高性能混凝土的质量，得以建成高性能的混凝土结构。
可以认为，影响混凝土耐久性的最重要因素是混凝土本身的质量。提高密实度而减少混凝土的渗透性可以减缓侵蚀性物质侵入混凝土内部的速度。因而，提高混凝土耐久性的根本途径是确保混凝土本身的密实性、钢筋的混凝土保护层厚度以及混凝土的养护方法（包括温度和湿度控制与养护期限）等质量控制与质量保证措施。
（五）结构使用阶段的定期维护与检测。
三、砼原材料和配合比
（一）配合比
高性能混凝土配合比设计与施工是本桥的关键。建设方高度重视，在各个环节上严格要求，把好质量关，确保了高性能混凝土施工获得成功。
高性能混凝土除满足高强度的要求外，尚需满足下列高性能的要求。
大桥主墩和主梁采用C55的高性能混凝土。为减小混凝土收缩，防止收缩裂缝，对梁部混凝土收缩率控制在2×10-4以下，微膨胀混凝土（补偿混凝土）膨胀率为2×10-4。
为保证泵送混凝土的可操作性，泵送砼的坍落度< 12～18cm。为控制混凝土坍落度损失，提高混凝土的致密性和抗渗性，其最大水胶比<0.4。另外，最小胶凝材料>350kg/m3，最大胶凝材料<500kg/m3。
同时，对高性能混凝土进行模拟现场环境条件下的梁段现场浇筑工艺试验，检验高性能混凝土的施工可操作性及实际性能指标，改进高性能混凝土级配设计与施工工艺等。
（二）水泥
为保证混凝土品质的稳定，全桥采用同一牌号的水泥，水泥品种为低碱硅酸盐水泥。
为了控制早期水化反应及砼早期强度的过快发展，控制水泥中C3A含量不超过8%，水泥细度（比表面积）不超过350ｍ２／ｋｇ，游离氧化钙不超过1.5％。
氯离子含量是影响混凝土耐久性的重要因素，其含量过高，导致钢筋锈蚀速度加快。因此，控制最大氯离子含量为0.06%。
（三）碱含量
碱－骨料反应，是骨料中的活性矿物与混凝土中的碱性细孔溶液之间的化学反应。由于这种反应，混凝土内部局部发生体积膨胀，使混凝土产生裂纹。严重时会造成混凝土的毁坏。
碱骨料反应必需的三个条件：
混凝土中碱含量超标
碱活性骨料
潮湿有水
防止碱－骨料反应主要方法是从材料角度入手。
使用非活性骨料
从碱活性考虑，骨料可分为四类：
Ⅰ）完全没有碱活性，检测膨胀0.02以下。
Ⅱ）存在潜在碱活性，检测膨胀0.02～0.06。
Ⅲ）有可能发生碱骨料反应，检测膨胀0.06～0.1。
Ⅳ）发生严重碱骨料反应，检测膨胀大于0.1。
因此骨料只能用第一、二类骨料，我国绝大多数地区骨料的检测膨胀在0.02左右。
使用低碱水泥
低碱水泥碱含量控制在0.6％左右。
掺入矿物掺和料
使用低碱水泥，同时控制胶凝水泥材料用量，并掺入矿物掺和料，砼总的含碱量一般能控制在1.8kg/m3。
严格控制早强剂的使用
早强剂对碱含量影响很大，用好早强剂并提高养护措施，以保证混凝土的早期强度。
提高混凝土的密实性
提高混凝土的密实性，可减小水气的渗入。
配方实例（C55）
由于大桥采用低碱水泥，砼总的含碱量（包括所有原材料）控制在1.8kg/m3以内, 同时使用非碱活性集料，有效地避免了碱－骨料反应的问题。
（四）掺和料和外加剂
为保证混凝土高品质，大桥所采用的矿物掺和料品质稳定、来料均匀、来源稳定、牌号统一，均有相应的检验证明和生产厂家出具的产品检验合格证书。
另外，大桥所采用的混凝土掺加剂是经过有关部门检验并附有检验合格证明的产品，其质量应符合现行《混凝土外加剂》（GB8076）的规定，添加外加剂均通过砼配合比试验确定。以保证混凝土具有良好的抗离析性能，保持其均匀性。
（五）骨料
采用的骨料质地均匀坚固，粒形和级配良好、吸水率低、空隙率小。
同时，粗骨料抗压强度应大于砼强度的2倍，压碎性指标<7%，空隙率<40%，最大粒径<2.5cm，含泥量低于0.5%，针状、片状颗粒含量<5%。
另外，细骨料含泥量低于1％。均采用粗砂或中粗砂（如简阳砂等）。
（六）保护层垫块
混凝土保护层垫块的强度、密实度和耐久性均高于构件本体混凝土。绑扎垫块的铁丝头按标准操作，有效避免保护层垫块成为钢筋腐蚀通道。垫块数量均保证所有钢筋的保护层均满足设计要求。
四、结构构造
（1）箱梁表面设置可靠的防水层。
（2）适当加密箱梁钢筋间距，采用100×100mm的钢筋间距，防止表面裂缝的产生。
（3）三向预应力均采用塑料波纹管和真空压浆技术，增加管道的密封性和水泥浆密实性，保证预应力束防护的可靠。
（4）设置体外预应力，应对不可预见的主梁下挠。
论文作者:孙巍
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/13
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