吳小立(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032)

自 20 世紀(jì) 50 年代以來，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題逐漸得到廣泛關(guān)注，而且耐久性病害亦日益增多。大量混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性損傷及耐久性能退化，進而影響結(jié)構(gòu)安全與正常使用?，F(xiàn)有研究對環(huán)境介質(zhì)的侵蝕機理、銹蝕混凝土構(gòu)件的受力性能、結(jié)構(gòu)的時變可靠度等方面有了清晰認(rèn)識，并開發(fā)出鋼筋銹蝕監(jiān)測和檢測技術(shù)，結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計與維護也逐漸成為共識[1-2]。為更好地達(dá)到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中定期耐久性檢測和評估也就顯得尤為重要。

1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及其機理概要

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性指在環(huán)境作用和正常維護、使用條件下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在設(shè)計使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力[3]?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性損傷主要包括混凝土腐蝕及損傷、鋼筋銹蝕及銹脹開裂[1]，典型混凝土耐久性損傷如圖 1所示。

圖 1 典型混凝土耐久性損傷

混凝土腐蝕及損傷包括由凍融循環(huán)或除冰鹽引致的損傷和剝落、堿-集料反應(yīng)的膨脹開裂、化學(xué)腐蝕剝落、環(huán)境水對混凝土的溶蝕以及其他沖刷和磨損等[3]。鋼筋銹蝕及銹脹開裂主要由混凝土碳化中性化引致潮濕環(huán)境下的鋼筋銹蝕及氯離子或硫酸根離子侵蝕導(dǎo)致。鋼筋銹蝕及銹脹開裂是混凝土構(gòu)件承載力衰退和結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，也是混凝土結(jié)構(gòu)最普遍、危害最大的耐久性問題之一[2]。

相比各類耐久性病害，混凝土結(jié)構(gòu)遭受侵蝕環(huán)境主要有一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境和化學(xué)腐蝕環(huán)境等幾類。

（1）在一般大氣環(huán)境中，混凝土碳化進而引致鋼筋銹蝕為主要耐久性病害?；炷撂蓟旧聿o太多危害，甚至可提高混凝土強度，但其將導(dǎo)致混凝土中性化和堿度降低，造成鋼筋脫鈍，在充足氧和水條件下鋼筋銹蝕，并隨時間推移致混凝土銹脹開裂。

（2）凍融環(huán)境可進一步分為一般凍融環(huán)境、寒冷地區(qū)海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境 3 類，后兩種存在凍融循環(huán)與氯離子侵蝕的耦合作用。凍融循環(huán)造成混凝土破壞主要為物理作用過程，是混凝土受到溶液相變引起的體積膨脹壓及溶液固、液、氣三相共存平衡關(guān)系引起的蒸汽壓和滲透壓等反復(fù)應(yīng)力作用導(dǎo)致內(nèi)部損傷積累破壞的過程。

（3）氯化物環(huán)境包括海洋氯化物環(huán)境和除冰鹽等其他氯化物環(huán)境。氯離子通過滲入或摻入存在混凝土中，到達(dá)鋼筋表面后迅速破壞鈍化膜形成腐蝕電池。通過催化作用、去極化作用和導(dǎo)電作用，使混凝土中鋼筋電化學(xué)反應(yīng)加快，而且混凝土中氯離子濃度越高鋼筋銹蝕危險性越大。

（4）化學(xué)腐蝕環(huán)境中主要發(fā)生硫酸根的化學(xué)腐蝕和鹽結(jié)晶腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕產(chǎn)生的鈣礬石、石膏或碳硫硅鈣石膨脹以及鹽結(jié)晶鹽析過程中晶體的增長膨脹對混凝土內(nèi)部形成膨脹壓力，導(dǎo)致混凝土表層剝落和內(nèi)部損傷。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測

2.1 耐久性檢測項目

為確?；炷辆哂凶銐蚰途眯阅埽枰M行良好的耐久性設(shè)計及必要的耐久性檢測。耐久性設(shè)計主要采用經(jīng)驗方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限和所處環(huán)境規(guī)定混凝土材料基本性能要求（如水灰比、強度等級、氯離子擴散系數(shù)、集料活性、含氣量和氣泡間距及抗凍和抗?jié)B指標(biāo)等）、鋼筋最小保護層厚度、裂縫寬度控制以及特殊耐久性措施和必要檢測維護制度等[3]。耐久性檢測則根據(jù)耐久性各類侵蝕的機理和特點，對混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境和性能劣化情況進行調(diào)查和檢測。耐久性檢測項目主要包括周邊環(huán)境調(diào)查、混凝土構(gòu)件幾何尺寸、混凝土保護層厚度、外觀缺陷與損傷、混凝土抗壓強度、鋼筋銹蝕狀況、構(gòu)件開裂狀況、碳化深度、混凝土滲透性、混凝土中氯離子濃度分布、混凝土中硫酸根離子濃度分布及混凝土含水率等。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測項目詳細(xì)分類情況見表 1。

表 1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測項目分類[4]

2.2 耐久性檢測特性梳理

耐久性檢測與一般工程檢測存在較大差異。實際檢測中需要注意其固有特點和差別。

（1）耐久性檢測位置一般選擇在主要構(gòu)件或主要受力部位、鋼筋可能銹蝕部位、混凝土銹脹開裂部位以及布置混凝土碳化測區(qū)的部位?；炷帘Ｗo層厚度和碳化深度的測點宜布置在同一測區(qū)。

（2）房屋使用功能或環(huán)境（包括結(jié)構(gòu)整體和局部環(huán)境）發(fā)生顯著改變時，結(jié)構(gòu)所受荷載以及環(huán)境侵蝕作用均將發(fā)生顯著改變，因而在耐久性檢測時需要特別關(guān)注涉及腐蝕性物質(zhì)和潮濕環(huán)境的使用功能改變情況。

（3）不同侵蝕環(huán)境存在不同耐久性問題，因而耐久性檢測應(yīng)做必要區(qū)分?；炷羷兾g應(yīng)區(qū)分凍融破壞、硫酸根侵蝕損傷和堿-集料反應(yīng)破壞。鋼筋銹蝕問題應(yīng)判斷銹蝕原因是一般碳化、氯離子侵蝕、硫酸根離子侵蝕，而氯離子侵蝕尚應(yīng)區(qū)分滲入型和內(nèi)摻型。

（4）碳化能改變混凝土表面硬度，是回彈檢測混凝土強度的重要參數(shù)。同時碳化是一般大氣環(huán)境中混凝土中性化、鋼筋脫鈍銹蝕的重要因素。兩者對碳化深度有不同的影響范圍限定，影響回彈強度范圍為 0～6 mm，而耐久性中碳化深度影響限值則為保護層厚度(或碳化殘量深度)。

（5）混凝土保護層一方面為鋼筋提供握裹力，另一方面為鋼筋提供耐久性保護。因而與承載力計算時看重縱筋（主受力筋）保護層厚度不同，耐久性檢測則需關(guān)注箍筋（或最外層受力筋）的保護層厚度。

（6）鋼筋銹蝕在耐久性中危害性最大，特別是保護層開裂后，鋼筋銹蝕速率將顯著加快，因而現(xiàn)場檢測時應(yīng)特別關(guān)注鋼筋銹蝕程度以及引致銹蝕可能原因。一般大氣濕度在45%～80% 時，銹蝕較容易發(fā)生。但干濕交替或環(huán)境中有微量腐蝕介質(zhì)時，會加快鋼筋銹蝕；因而檢測時應(yīng)加強環(huán)境中干濕交替和腐蝕性情況調(diào)查。

3 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估

3.1 耐久性等級評估

現(xiàn)有耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)件耐久性等級根據(jù)耐久性裕度系數(shù)或耐久性損傷狀態(tài)評定[3]。裕度系數(shù)以結(jié)構(gòu)剩余使用年限與目標(biāo)使用年限比值，或者某項性能指標(biāo)臨界值與評定值比值確定。當(dāng)裕度系數(shù) ＞ 1.8，評為 a 級；＞ 1.0 且 ＜ 1.8 時評為 b 級；≤ 1.0 時評為 c 級。耐久性損傷狀況達(dá)到保護層脫落、表面外觀損傷已造成混凝土構(gòu)件不滿足相應(yīng)的使用功能時，則直接評為 c 級。一般大氣環(huán)境根據(jù)構(gòu)件重要性和構(gòu)件類型以鋼筋開始銹蝕、保護層銹脹開裂（裂縫寬 0.1 mm）或保護層銹脹裂縫寬度達(dá)到限值（裂縫寬 3.0 mm）的耐久年限計算裕度系數(shù)。氯鹽侵蝕環(huán)境以鋼筋開始銹蝕或保護層銹脹開裂的耐久年限計算裕度系數(shù)。凍融循環(huán)環(huán)境和硫酸鹽侵蝕環(huán)境主要以混凝土損傷極限評定耐久性。主要混凝土耐久性評定概況見表 2。

表 2 混凝土耐久性評定概況

3.2 耐久性對承載力劣化影響評估

當(dāng)耐久性損傷較嚴(yán)重時會影響混凝土構(gòu)件的承載力和剛度，甚至?xí)?dǎo)致構(gòu)件失效。耐久性損傷對承載力影響主要體現(xiàn)在材料力學(xué)性能的劣化、構(gòu)件截面尺寸和鋼筋截面面積的減小以及鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的退化。因而，構(gòu)件承載力和剛度計算時，構(gòu)件截面尺寸采用損傷后的實際截面尺寸，混凝土強度取實測強度推定値。鋼筋截面面積采用銹蝕后實際截面面積，屈服強度則根據(jù)銹蝕截面損失率（不超過12%）考慮折減。同時，當(dāng)鋼筋銹蝕嚴(yán)重時，鋼筋與混凝土之間黏結(jié)性能退化，相對滑移增加，鋼筋應(yīng)變沿梁趨于均勻而存在應(yīng)變滯后現(xiàn)象，鋼筋不容易達(dá)到屈服造成界限相對受壓區(qū)高度變化，形成“黏結(jié)失效超筋梁”，最終構(gòu)件承載力和剛度均下降。

3.3 耐久性損傷處理建議

耐久性問題處理包括對混凝土損傷和鋼筋銹蝕的相關(guān)處理。混凝土損傷處理主要是將已碳化、已腐蝕的混凝土清理干凈，并噴涂灌漿料和修補砂漿修復(fù)。銹蝕鋼筋則應(yīng)進行除銹處理、涂刷鋼筋阻銹劑，并采用電化學(xué)保護，包括陰極保護、電化學(xué)脫鹽和再堿化等。當(dāng)對承載力影響較大時，尚應(yīng)涂刷界面劑、粘貼碳纖維布等進行加固處理。

4 結(jié) 語

目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出，相關(guān)檢測和鑒定技術(shù)也日漸成熟，并已有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。因此，在房屋檢測中加強耐久性檢測評估將有利于混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測評估實踐及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，耐久性主要損傷類別、損傷機理以及耐久性檢測評估工程實踐等得以初步探討，以期可供后續(xù)工程實踐參考。