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【摘要】混凝土是多组份、多孔和多相的结构工程主要材料，与环境作用，使得耐久性对工程的使用年限、使用功能有着深刻的影响，结合自己多年的设计经验和理解，对结构混凝土耐久性设计谈以下几点体会。
【关键词】劣化；耐久性；渗透性；碳化；碱骨料反应；冻融循环；钢筋保护层
1、耐久性设计的理由
混凝土的耐久性是在外部和内部不利因素的长期作用下，保持其原有设计性能和使用功能的性质，在各种多样性的使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力。结构的设计使用年限通过安全性、适用性和耐久性来实现。而耐久性是实现预期使用年限中适用性和安全性的基础。因混凝土耐久性不足而引起结构性能劣化，造成各种损失、降低建筑物的使用寿命，混凝土劣化是内外因素及相互作用的结果，主要表现为：
混凝土中的气体、液体和离子在渗透、扩散和迁移中使得渗透性对结构性能有本质的影响；多孔-裂缝-缺陷间有着复杂的联系，是水灰比、水泥用量、掺合料、骨料、外加剂与成型工艺、养护条件综合作用的结果。环境的物理化学作用对混凝土有劣化作用，如材料与环境的磨损、冲蚀、荷载、温度作用外，土壤和地下水中存在的硫酸盐等腐蚀性介质导致混凝土膨胀和开裂，增大了渗透性，加速了混凝土的劣化。空气中二氧化碳气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低即混凝土碳化，又称作中性化，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护，促成钢筋开始生锈。严重的锈蚀膨胀使钢筋与混凝土黏结衰减失效、随着混凝土保护层开裂甚至脱落，钢筋的锈蚀加剧，进一步促使混凝土的劣化。北方严寒地区混凝土中结冰的水会体积膨胀而过冷的水会发生迁移，产生的压力会引起混凝土开裂和剥落，而温度回升后冰随着融化更多的水被吸入裂缝中，这种冻融与渗透性加速了混凝土劣化，而除冰盐在北方地区的使用带来对混凝土耐久性的降低。混凝土骨料中的活性矿物成分（活性二氧化硅）与碱性氢氧化物在潮湿环境下发生化学反应生成膨胀性碱硅胶，即碱骨料反应引起混凝土强度和弹性模量损失，其膨胀和开裂形成裂纹和裂缝或宏观错位。而水气引入的过量氯离子会引起结构中钢筋严重锈蚀。环境温度和湿度变化，导致混凝土湿胀干缩、热胀冷缩，引起混凝土中各组成材料因弹性模量不一致而涨缩不一致，产生微裂纹。所以，要防止混凝土碳化、限制碱含量、控制水胶比和混凝土中氯离子含量、控制温湿度、选择合适的骨料及级配、在规范基础上选择最外层钢筋的混凝土保护层厚度是结构耐久性设计中的重要内容。
2、耐久性设计的原则
结构设计规范中的要求是基于公共安全和社会需要的最低限度要求。工程都有各自的特点和环境及施工方式，所以有时仅仅满足规范的某些最低要求往往不能保证具体设计对象的耐久性从而保证设计使用年限。不同技術标准规范对同一问题规定不同，这时就需要设计人员运用力学、物理化学知识具体问题具体分析，有针对性、有理有据采取措施。工程技术人员的专业分析判断能力往往比规范的规定更可靠。水泥用量要适当，主要控制水胶比、采用最佳矿物掺合料的参量和比例，掺减水剂和引气剂，骨料的粒径不宜过大，粗骨料一般不超过30mm为宜，而混凝土施工或与预制构件制作中要加强养护来控制温度、塑性和干缩等裂缝的产生和发展，从而制作成低孔隙、界面结合良好和少裂缝混凝土，达到耐久性目的。为了避免混凝土碳化的影响需要使钢筋有足够的混凝土保护层厚度，避免钢筋因碳化锈蚀而影响钢筋混凝土的性能。
北方地区为了抗冻融，要对地下水文地质情况做到心里有数，因混凝土孔隙水受冻结冰、遇热融化的反复等交替的累计效应，会引起混凝土破坏，除了上面提到的因素外吸水饱和度和环境状况在这种破坏中具有更加特殊的作用。降低水灰比、掺硅灰等抗冻性高的掺合料、用坚固的吸水率低的优质骨料及合理的骨料级配，在必要时用减水剂、引气剂等来减缓冰冻压力。盐溶液、干湿、冻融循环等各种因素的交互作用则将是更加不利的情况。因碱骨料反应发生往往在潮湿环境中，所以限制混凝土中碱含量，尤其是在地下工程、路桥工程、潮湿环境中根据情况不同程度的严格限制，这是防止碱骨料反应的重要措施；此外矿物掺合料、掺入引气剂等也可有效的减轻碱骨料反应。耐久性和结构承载力设计有时对混凝土最低强度有不同要求，这就要同时考虑二者中要求偏高的要求，有些地下工程往往是耐久性起控制作用，同时应注意混凝土强度与钢筋级别的匹配，从现行规范看，基础及地下工程不能使用HPB300级钢筋，而应使用比此级别高的钢筋。所以耐久性设计应以解决混凝土劣化，保证结构的使用寿命为基本原则。
3、耐久性设计的一般内容
3.1结构的设计使用年限、环境影响
结构设计使用年限除考虑结构的重要性外，还与业主的要求、结构及基础类型、环境状况、布置方式和构造措施等有关，一般为50年，也有100年的。在北方地区，对刚性阶梯形条形基础，采取坡形并抹面的形式有利于减轻冻胀，这是从环境的冻胀角度来减轻基础劣化；有条件或要求较高时，水泥宜采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥；而地下和潮湿环境等宜采用碱含量受控水泥，特别是地下潮湿的环境；对于如工业项目中的设备基础等大体积混凝土则宜采用中低热硅酸盐水泥或低矿渣硅酸盐水泥；此外粗细骨料也应根据特殊要求做相应的控制，但粗骨料级配应连续，细骨料对抗渗抗冻和海砂等均有相应的耐久性方面的要求，这些在《混凝土质量控制标准》GB50164-2011中都有明确要求。地面以上环境类别不都是一类环境，如工业厂房不采暖的情况，一般不属于一类环境，采暖的工业建筑或民用建筑，室内和室外也不是同类环境。一个构件的不同面，如屋面板靠外侧及靠外侧的墙梁面在没有有效的保护措施时等都不属于一类环境。同属于室内的淋浴间也不属于一类环境。
3.2钢筋的混凝土保护层厚度
现行规范规定的钢筋保护层厚度是指箍筋、分布筋等最外层的钢筋保护层厚度，这与以往的规定不同，这种规定更加合理，具体保护层厚度国家标准规范均有规定。 钢筋的混凝土保护层厚度达不到要求和波动较大是施工中的质量通病，设计中应有明确的可控措施，《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010的做法是比较实用的控制保护层厚度的有效尝试，保护层控制可依据环境类别、使用部位的不同而采用金属类、塑料类、砂浆水泥基类或混凝土水泥基类的间隔件来保障，保护层采用钢筋间隔垫的措施，虽然投资略有一点点增加，但操作宜控，提高了保护层的准确率，从而提高了耐久性。对于柱墙等竖直构件，地下部分的钢筋保护层因环境类别的变化需要加厚，底层柱和往地面以下延伸的柱，应注意不宜采取同一截面，因为若采取同一截面，按底层柱的保护层，如25，但按地面以下则为40，势必造成要地面以下的柱承载能力降低。宜钢筋位置不变，将上下保护层的差加到地面以下延伸柱上，使底层柱略微扩大，这应在施工图设计中特别给予关注的地方。
3.3混凝土裂缝控制要求
屋面板的配筋一般是受力配筋，当屋面较长或温差较大时就应该同时考虑温度作用，尤其是比较吸热的卷材屋面等，尤其要考虑。屋面的保温材料的使用年限与结构的使用年限不一致，温度对长度较长的屋面的影响是很大的，某些部位超出了受力的影响，钢筋配置不能仅按荷载计算，而应叠加温度作用，钢筋的200间距的排布有时不够，可为100-150间距，满足强度的前提下有时调整钢筋直径，缩短间距也是一种可行的办法。碱骨料反应、冻胀以及碳化等引起的裂缝的防治应有针对性。尤其是地下工程，如混凝土剪力墙等耐久性问题突出，应积极预防，如控制混凝土中碱含量、选择低碱活性骨料、改善混凝土所处的环境，隔绝湿气进入、掺矿物混合材、外加剂等，均简单宜行。需要明确的是，水泥用量多在控制碱含量方面不是有利的。
3.4混凝土其他劣化的治理
基础及地下结构和室外雨棚等属于恶劣环境情况，防排水构造等要加强，如保护层普遍加厚，做防水防潮层，构件形状有利于排水等；其实这些措施也有益于减轻碱骨料反应。碱、活性骨料和水是碱骨料反应的三因素，减少其中的任何一因素均可控制碱骨料反应。严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；耐久性需要的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验收要求。结构使用阶段的维护、修理与检测要求（图纸应该明确，包括必要的检测通道。预留检测维修的空间和装置）等。设计文件中应增加对混凝土养护、使用期的检查和维护等内容。
3.5混凝土强度等级取值
配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级，设计使用年限30年-50年1-A环境C25，一般情况下，地面以下的混凝土的强度等级为C30，但地下室顶板一般应以C35比较合适，所以与环境类别密切相关。
4、混凝土耐久性规范的应用
《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008适用于常见环境下房屋建筑物和构筑物及其连接件的耐久性设计，是达到设计使用年限的具有必要保证率的最低要求；此外还有《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）；《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中第3.5节的耐久性设计是根据环境类别使用年限对房屋建筑结构耐久性设计的简化和调整后的基本设计内容，混凝土保护层在8.2节；《混凝土质量控制标准》GB50164-2011则包含了混凝土耐久性方面通常的主要影响因素的材料控制内容等；《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010是针对影响混凝土耐久性的质量通病钢筋的保护层的控制技术，《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011对原材料、骨料含水率、最大水胶比、最小胶凝材料用量、矿物掺合料、水熔性最大氯离子含量、引气剂掺量以及对预防碱骨料反应的措施等都有明确、简洁可操作的规定。对于泵送混凝土还要执行《泵送混凝土技术规范》JGJT10-2011。对于地下、外墙、坡屋面处于环境比较差的结构部位，分别有《地下工程防水技术规范》GB50108-2008和《建筑外墙防水技术规范》JGJT235-2011、《坡屋面工程技术规范》GB50693-2011可供执行；对于冻土地区因冻胀性的影响须执行《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-2011，根据冻土类别有着不同的勘察和设计要求；再有《混凝土结构工程施工规范》GB506666-2011结束了混凝土结构无施工规范的历史。对于工业中经常遇到的大体积混凝土问题，有《大体积混凝土施工规范》GB50496--2009等等，这些近年来的技术标准，无异在促進混凝土耐久性提高方面发挥着越来越重要的作用。
5、结论
通过对混凝土外部使用环境和结构内部因素的分析，探讨了结构耐久性设计的基本理由、原则、设计内容和相应的规范，因混凝土耐久性的影响因素异常复杂，本文仅能对结构混凝土耐久性设计提出抛砖引玉之作用，旨在实现对房屋结构不需要花费大量资金加固就能保证安全、使用功能和外观要求，在加强结构耐久性设计方面提供一些技术交流和参考。
参考文献
[1]混凝土结构耐久性设计与应用 第2章混凝土结构性能劣化机理 第3章混凝土结构耐久性设计出版：2011年8月第一版.邢锋.编著.
[2]混凝土结构耐久性设计规范 GB50467-2008出版：中国建筑工业出版社.
[3]混凝土结构设计规范 GB50010-2010出版：中国建筑工业出版社.
【关键词】劣化；耐久性；渗透性；碳化；碱骨料反应；冻融循环；钢筋保护层
1、耐久性设计的理由
混凝土的耐久性是在外部和内部不利因素的长期作用下，保持其原有设计性能和使用功能的性质，在各种多样性的使用环境下抵抗各种物理和化学作用破坏的能力。结构的设计使用年限通过安全性、适用性和耐久性来实现。而耐久性是实现预期使用年限中适用性和安全性的基础。因混凝土耐久性不足而引起结构性能劣化，造成各种损失、降低建筑物的使用寿命，混凝土劣化是内外因素及相互作用的结果，主要表现为：
混凝土中的气体、液体和离子在渗透、扩散和迁移中使得渗透性对结构性能有本质的影响；多孔-裂缝-缺陷间有着复杂的联系，是水灰比、水泥用量、掺合料、骨料、外加剂与成型工艺、养护条件综合作用的结果。环境的物理化学作用对混凝土有劣化作用，如材料与环境的磨损、冲蚀、荷载、温度作用外，土壤和地下水中存在的硫酸盐等腐蚀性介质导致混凝土膨胀和开裂，增大了渗透性，加速了混凝土的劣化。空气中二氧化碳气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低即混凝土碳化，又称作中性化，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护，促成钢筋开始生锈。严重的锈蚀膨胀使钢筋与混凝土黏结衰减失效、随着混凝土保护层开裂甚至脱落，钢筋的锈蚀加剧，进一步促使混凝土的劣化。北方严寒地区混凝土中结冰的水会体积膨胀而过冷的水会发生迁移，产生的压力会引起混凝土开裂和剥落，而温度回升后冰随着融化更多的水被吸入裂缝中，这种冻融与渗透性加速了混凝土劣化，而除冰盐在北方地区的使用带来对混凝土耐久性的降低。混凝土骨料中的活性矿物成分（活性二氧化硅）与碱性氢氧化物在潮湿环境下发生化学反应生成膨胀性碱硅胶，即碱骨料反应引起混凝土强度和弹性模量损失，其膨胀和开裂形成裂纹和裂缝或宏观错位。而水气引入的过量氯离子会引起结构中钢筋严重锈蚀。环境温度和湿度变化，导致混凝土湿胀干缩、热胀冷缩，引起混凝土中各组成材料因弹性模量不一致而涨缩不一致，产生微裂纹。所以，要防止混凝土碳化、限制碱含量、控制水胶比和混凝土中氯离子含量、控制温湿度、选择合适的骨料及级配、在规范基础上选择最外层钢筋的混凝土保护层厚度是结构耐久性设计中的重要内容。
2、耐久性设计的原则
结构设计规范中的要求是基于公共安全和社会需要的最低限度要求。工程都有各自的特点和环境及施工方式，所以有时仅仅满足规范的某些最低要求往往不能保证具体设计对象的耐久性从而保证设计使用年限。不同技術标准规范对同一问题规定不同，这时就需要设计人员运用力学、物理化学知识具体问题具体分析，有针对性、有理有据采取措施。工程技术人员的专业分析判断能力往往比规范的规定更可靠。水泥用量要适当，主要控制水胶比、采用最佳矿物掺合料的参量和比例，掺减水剂和引气剂，骨料的粒径不宜过大，粗骨料一般不超过30mm为宜，而混凝土施工或与预制构件制作中要加强养护来控制温度、塑性和干缩等裂缝的产生和发展，从而制作成低孔隙、界面结合良好和少裂缝混凝土，达到耐久性目的。为了避免混凝土碳化的影响需要使钢筋有足够的混凝土保护层厚度，避免钢筋因碳化锈蚀而影响钢筋混凝土的性能。
北方地区为了抗冻融，要对地下水文地质情况做到心里有数，因混凝土孔隙水受冻结冰、遇热融化的反复等交替的累计效应，会引起混凝土破坏，除了上面提到的因素外吸水饱和度和环境状况在这种破坏中具有更加特殊的作用。降低水灰比、掺硅灰等抗冻性高的掺合料、用坚固的吸水率低的优质骨料及合理的骨料级配，在必要时用减水剂、引气剂等来减缓冰冻压力。盐溶液、干湿、冻融循环等各种因素的交互作用则将是更加不利的情况。因碱骨料反应发生往往在潮湿环境中，所以限制混凝土中碱含量，尤其是在地下工程、路桥工程、潮湿环境中根据情况不同程度的严格限制，这是防止碱骨料反应的重要措施；此外矿物掺合料、掺入引气剂等也可有效的减轻碱骨料反应。耐久性和结构承载力设计有时对混凝土最低强度有不同要求，这就要同时考虑二者中要求偏高的要求，有些地下工程往往是耐久性起控制作用，同时应注意混凝土强度与钢筋级别的匹配，从现行规范看，基础及地下工程不能使用HPB300级钢筋，而应使用比此级别高的钢筋。所以耐久性设计应以解决混凝土劣化，保证结构的使用寿命为基本原则。
3、耐久性设计的一般内容
3.1结构的设计使用年限、环境影响
结构设计使用年限除考虑结构的重要性外，还与业主的要求、结构及基础类型、环境状况、布置方式和构造措施等有关，一般为50年，也有100年的。在北方地区，对刚性阶梯形条形基础，采取坡形并抹面的形式有利于减轻冻胀，这是从环境的冻胀角度来减轻基础劣化；有条件或要求较高时，水泥宜采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥；而地下和潮湿环境等宜采用碱含量受控水泥，特别是地下潮湿的环境；对于如工业项目中的设备基础等大体积混凝土则宜采用中低热硅酸盐水泥或低矿渣硅酸盐水泥；此外粗细骨料也应根据特殊要求做相应的控制，但粗骨料级配应连续，细骨料对抗渗抗冻和海砂等均有相应的耐久性方面的要求，这些在《混凝土质量控制标准》GB50164-2011中都有明确要求。地面以上环境类别不都是一类环境，如工业厂房不采暖的情况，一般不属于一类环境，采暖的工业建筑或民用建筑，室内和室外也不是同类环境。一个构件的不同面，如屋面板靠外侧及靠外侧的墙梁面在没有有效的保护措施时等都不属于一类环境。同属于室内的淋浴间也不属于一类环境。
3.2钢筋的混凝土保护层厚度
现行规范规定的钢筋保护层厚度是指箍筋、分布筋等最外层的钢筋保护层厚度，这与以往的规定不同，这种规定更加合理，具体保护层厚度国家标准规范均有规定。 钢筋的混凝土保护层厚度达不到要求和波动较大是施工中的质量通病，设计中应有明确的可控措施，《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010的做法是比较实用的控制保护层厚度的有效尝试，保护层控制可依据环境类别、使用部位的不同而采用金属类、塑料类、砂浆水泥基类或混凝土水泥基类的间隔件来保障，保护层采用钢筋间隔垫的措施，虽然投资略有一点点增加，但操作宜控，提高了保护层的准确率，从而提高了耐久性。对于柱墙等竖直构件，地下部分的钢筋保护层因环境类别的变化需要加厚，底层柱和往地面以下延伸的柱，应注意不宜采取同一截面，因为若采取同一截面，按底层柱的保护层，如25，但按地面以下则为40，势必造成要地面以下的柱承载能力降低。宜钢筋位置不变，将上下保护层的差加到地面以下延伸柱上，使底层柱略微扩大，这应在施工图设计中特别给予关注的地方。
3.3混凝土裂缝控制要求
屋面板的配筋一般是受力配筋，当屋面较长或温差较大时就应该同时考虑温度作用，尤其是比较吸热的卷材屋面等，尤其要考虑。屋面的保温材料的使用年限与结构的使用年限不一致，温度对长度较长的屋面的影响是很大的，某些部位超出了受力的影响，钢筋配置不能仅按荷载计算，而应叠加温度作用，钢筋的200间距的排布有时不够，可为100-150间距，满足强度的前提下有时调整钢筋直径，缩短间距也是一种可行的办法。碱骨料反应、冻胀以及碳化等引起的裂缝的防治应有针对性。尤其是地下工程，如混凝土剪力墙等耐久性问题突出，应积极预防，如控制混凝土中碱含量、选择低碱活性骨料、改善混凝土所处的环境，隔绝湿气进入、掺矿物混合材、外加剂等，均简单宜行。需要明确的是，水泥用量多在控制碱含量方面不是有利的。
3.4混凝土其他劣化的治理
基础及地下结构和室外雨棚等属于恶劣环境情况，防排水构造等要加强，如保护层普遍加厚，做防水防潮层，构件形状有利于排水等；其实这些措施也有益于减轻碱骨料反应。碱、活性骨料和水是碱骨料反应的三因素，减少其中的任何一因素均可控制碱骨料反应。严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；耐久性需要的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验收要求。结构使用阶段的维护、修理与检测要求（图纸应该明确，包括必要的检测通道。预留检测维修的空间和装置）等。设计文件中应增加对混凝土养护、使用期的检查和维护等内容。
3.5混凝土强度等级取值
配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级，设计使用年限30年-50年1-A环境C25，一般情况下，地面以下的混凝土的强度等级为C30，但地下室顶板一般应以C35比较合适，所以与环境类别密切相关。
4、混凝土耐久性规范的应用
《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008适用于常见环境下房屋建筑物和构筑物及其连接件的耐久性设计，是达到设计使用年限的具有必要保证率的最低要求；此外还有《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES01-2004）；《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中第3.5节的耐久性设计是根据环境类别使用年限对房屋建筑结构耐久性设计的简化和调整后的基本设计内容，混凝土保护层在8.2节；《混凝土质量控制标准》GB50164-2011则包含了混凝土耐久性方面通常的主要影响因素的材料控制内容等；《混凝土结构钢筋间隔件应用技术规程》JGJ/T219-2010是针对影响混凝土耐久性的质量通病钢筋的保护层的控制技术，《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011对原材料、骨料含水率、最大水胶比、最小胶凝材料用量、矿物掺合料、水熔性最大氯离子含量、引气剂掺量以及对预防碱骨料反应的措施等都有明确、简洁可操作的规定。对于泵送混凝土还要执行《泵送混凝土技术规范》JGJT10-2011。对于地下、外墙、坡屋面处于环境比较差的结构部位，分别有《地下工程防水技术规范》GB50108-2008和《建筑外墙防水技术规范》JGJT235-2011、《坡屋面工程技术规范》GB50693-2011可供执行；对于冻土地区因冻胀性的影响须执行《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-2011，根据冻土类别有着不同的勘察和设计要求；再有《混凝土结构工程施工规范》GB506666-2011结束了混凝土结构无施工规范的历史。对于工业中经常遇到的大体积混凝土问题，有《大体积混凝土施工规范》GB50496--2009等等，这些近年来的技术标准，无异在促進混凝土耐久性提高方面发挥着越来越重要的作用。
5、结论
通过对混凝土外部使用环境和结构内部因素的分析，探讨了结构耐久性设计的基本理由、原则、设计内容和相应的规范，因混凝土耐久性的影响因素异常复杂，本文仅能对结构混凝土耐久性设计提出抛砖引玉之作用，旨在实现对房屋结构不需要花费大量资金加固就能保证安全、使用功能和外观要求，在加强结构耐久性设计方面提供一些技术交流和参考。
参考文献
[1]混凝土结构耐久性设计与应用 第2章混凝土结构性能劣化机理 第3章混凝土结构耐久性设计出版：2011年8月第一版.邢锋.编著.
[2]混凝土结构耐久性设计规范 GB50467-2008出版：中国建筑工业出版社.
[3]混凝土结构设计规范 GB50010-2010出版：中国建筑工业出版社.