钢筋混凝土的耐久性设计和氯离子的腐蚀

　　近年来，在工程施工中，针对某些工程构造物的混凝土表面出现了脱落露筋现象，人们对钢筋混凝土的耐久性越来越引起了重视，下面就钢筋混凝土的耐久性设计和氯离子的腐蚀做一些探讨。
　　钢筋锈蚀是一个电化学过程。当钢筋局部表面cl-聚集达一定浓度时，钝化膜破坏，该部位作为阳极引发锈蚀：Fe→Fe2++2e-。其它部位为阴极，发生的反应：O2+2H2O+4e-→4OH-。通常采取阻止锈蚀的补救办法有：将结构与腐蚀环境隔离，如表面涂料或薄膜，聚合物混凝土罩面，乳液改性混凝土等，局部更新，如敲掉破坏部分的混凝土，对锈蚀钢筋进行处理并补以新的混凝土；电化学方法的阴极保护，以及聚合物灌注等。目前，又有应用电化学原理将cl-释放到混凝土外部与罩面结合的方法，等等。但是，所有这些都是不得已的办法，它们不仅费时费事，而且有时难于实施和奏效，且费用高昂。近几年，一些学者提出了结构耐久性设计方法，建设部也将混凝土结构耐久性及耐久性设计列为科技攻关项目。可见，结构的耐久性设计已引起人们的重视。
　　一、耐久性设计思路
　　通常，钢筋混凝土结构随使用时间的延长而逐渐破坏。这一过程如图所示。从图可看出，结构物的耐久性与设计时一定的可靠度取值有关，受环境条件、荷载条件、所用材料、施工及维护质量等困素的影响。如曲线①、②和③，以曲线①设计为准，曲线②的耐久性较好，曲线③的较差。有人从提高可靠度指标出发，建议结构耐久性设计简单地引入耐久性设计系数η，使规范中的公式S≤R变为S≤ηR，其中S为内力设计值部分，R为结构构件强度设计值部分。
　　
　　从图中还可看出，结构物的耐久性受修复与否及修复时间影响。如对曲线①的设计，不进行修复时，一定性能要求下的使用寿命为OB；而对一定的修复条件（如材料、工艺），在B点时修复（曲线④）使用寿命可以延长BA；在C点时修复（曲线⑤），寿命可延长BD。可见BD＞BA有，且使用期CA段内较在B点时进行修复大为提高。因此，可以预计：若在O点时进行修复，即在结构物设计时充分考虑可靠度取值与环境、荷载、材料、施工及维护等因素，将结构物建设与修复合二为一，实现耐久性设计，则无论对延长结构物使用寿命，还是提高使用期内性能，都将是最经济和有效的。
　　二、cl-腐蚀过程
　　1.潜伏阶段：cl-腐穿透混凝土保护层聚集于钢筋表面。该阶段主要由混凝土中原始的cl-含量及cl-在混凝土中的扩散速度决定。当混凝土原材料中（如海砂）含cl-很高时，则无此阶段。
　　2.发生发展阶段：钢筋开始锈蚀，且由于锈蚀产物聚集及膨胀，使混凝土保护层开裂。主要影响因素：溶解的氧、水分和混凝土电阻。
　　3.加速阶段：沿钢筋方向出现裂缝（纵向裂缝），腐蚀速度加快，伴有混凝土保护层鼓起及脱落。主要影响因素与发生发展阶段基本相同，但也受荷载作用影响，如在高应力重复加载下极限强度和延性降低。
　　4.破坏阶段：钢筋继续锈蚀，断面减小及强度降低显著，以至结构破坏。主要影响因素基本与加速阶段相同。
　　在这些阶段中，最关键的因素是cl-和O2量。前者决定钢筋锈蚀开始，后者决定锈蚀速度。在许多确定cl-腐蚀的钢筋混凝土使用寿命方法中，较合理的方法是：以第一条纵向裂缝出现的时间为准，即以前两阶段（潜伏阶段和发生发展阶段）时间之和作为结构物的使用寿命。因为通常发生发展阶段（由O2扩散决定）比潜伏阶段（由cl-扩散决定）短得多，实际结构物的使用寿命主要取决于潜伏阶段时间，即取决于钢筋表面的cl-聚集速度。
　　三、耐久性设计方法
　　本耐久性设计方法主要考虑cl-腐蚀，并偏于安全地着眼于cl-腐蚀过程的潜伏阶段来提高结构物的使用寿命。
　　根据Fick第二定律，有如下关系式：
　　
　　其中：x—由表面进入混凝土中的深度；t—暴露时间；De—cl-浓度在混凝土中的有效扩散系数；Ci——混凝土内部原始cl-浓度；Cs—混凝土暴露表面的cl-浓度；C（x，t）—时间t深度x处的cl-浓度；erf——高斯误差函数。
　　（1）式中，若取x为混凝土的保护层厚度，则C（x，t）为钢筋表面的cl-浓度；当C（x，t）达到引发钢筋锈蚀的临界浓度时，由前述分析可知，t为结构物的cl-腐蚀使用寿命。根据该公式，对一定的结构物使用寿命t，可得许多cl-腐蚀的耐久性设计方法（如表）。
　　四、结束语
　　cl-引起的大量结构物过早破坏，已使越来越多的人们认识到耐久性设计的重要。但由于耐久性设计涉及诸多耐久影响因素、破坏机理，以及方法选择等方面的内容，通常比常规设计复杂，而且一次性设计与施工的造价较高。这是当前耐久性设计实施的难点所在，而建立简单而合理的耐久性设计方法和增强总体经济观念是解决该问题的急需。