钢筋混凝土异形柱耐久性设计分析

[关键词]异形柱 耐久性 数值模拟 承载力 退化 

　　1、引言 

　　在大多数的土木工程结构施工当中，会采用钢筋混凝土结构，因为这种结构具有非常明显的优点，所以得到了比较广泛的应用。很长时间以来，人们已经形成了一个普遍的共识，认为这种钢筋混凝土的材料是具有着最强的耐久性，因此这种混凝土结构就不需要我们平时对其进行更多的养护工作。但是，正是由于人们对于钢筋混凝土结构过高的期望，反而使在大多时候忽视了对于钢筋混凝土结构耐久性问题的认识。 

　　2、对于钢筋混凝土结构耐久性影响最大的因素 

　　2.1 混凝土碳化情况的影响 

　　众所周知，混凝土在制作之前要采用一定的水灰比，而且在振捣及养护的过程中会由于各种各样的原因而产生一些孔隙。换句话说，就是混凝土的骨料在和水泥的砂浆进行混合时，它们之间会存在一定的微孔隙，或者是微裂纹等。即使在那些等级强度非常高的混凝土当中，它们出现的孔隙率也可达到很高，这就使得在混凝土的结构当中，必然会具有比较高的渗透性。空气、土壤中的物质、地下水等都会入渗到混凝土当中，而这些渗入的物质当中，极有可能包含着大量的酸性气体或液体，当侵入到混凝土当中之后，就会立即与水泥石当中的一些碱性物质发生比较强烈的反应，使得混凝土当中的 pH值出现下降的情况，我们将这个过程习惯的称为混凝土碳化过程。这种碳化反应的最终结果有两个：（1）所生成的CaCO3固体与和其他的一些固态物质就会大多数的堵塞到混凝土的各种孔隙当中，从而使的混凝土的整体孔隙率变低，尤其是大孔隙就会减少，继而减弱了CO2 的继续扩散，最终使混凝土出现更高的密实度；（2）由于混凝土发生的这种碳化现象会降低混凝土当中的氢氧化钙物质的含量，有的时候，混凝土所具有的pH值可以降低至8～9左右，会破坏到混凝土之上的钝化膜。而一旦这种碳化的深度直接达到了钢筋的表面，容易使钢筋出现锈蚀的现象。另外，当 pH 值继续减小到小于4的时候，对于钢筋来说，其锈蚀的速度就会发生急剧的增加。由以上的分析可知，碳化现象对于混凝土来说，严重的影响其力学性能，并对整个构件的受力情况发生负面影响，虽说这种影响反倒没有钢筋的锈蚀产生的影响大。但是碳化现象已成为一个最为主要的影响因素。 

　　2.2 钢筋锈蚀对耐久性的影响 

　　（1）可以直接导致开裂和剥落现象 

　　钢筋在发生了锈蚀的过程当中，其锈蚀产物往往会结合更多的水分子，容易使钢筋的体积变大。比如说红锈的体积可以直接增大到原来钢筋尺寸的四倍到五倍，而黑锈的体积也可增大到钢筋原来尺寸的两倍。这种锈蚀产物所导致的钢筋体积膨胀现象会使钢筋外围当中的混凝土产生很大的环向拉应力，而一旦达到或超过了混凝土的实际抗拉强度之后，就会在钢筋和混凝土的表面之间产生一些内部的径向裂缝，若这种钢筋锈蚀现象没有得到及时遏制的话，这些径向的内裂缝则会继续向着混凝土的表面进行发展，直到所有的混凝土保护层都出现开裂为止，此时此刻，在顺筋的方向也会产生锈胀裂缝，严重的话甚至会导致保护层的脱落现象。 

　　（2）导致混凝土的粘结力下降 

　　如果钢筋的生锈质量比较小，比如说不超过1%时，这种锈蚀现象反而会对钢筋和混凝土之间的粘结力有促进的作用。反之，如果锈蚀的质量过大，其结果会导致这种粘结力发生下降的现象。 

　　（3）导致钢筋的断面不断减小 

　　对于钢筋的腐蚀，一般有这样的两种类型，（1）一般的腐蚀，这种腐蚀主要是由于钢筋表面发生的均匀腐蚀而导致的；（2）局部腐蚀，往往散布到整个钢筋的表面，从而形成一些坑槽。钢筋在发生锈蚀的情况之后，其钢筋的截面上的有效面积就会不断的减小，而承载能力也会迅速的降低，这种降低是不可恢复的，如果腐蚀达到了非常严重的程度，直接导致钢筋出现断裂的情况。对于一些典型的局部锈蚀来说，会使钢筋的横截面积减小很多，有时候会达到50%以上。关于混凝土出现开裂或剥落之后，钢筋截面是如何减少的，可以参见表1 所示。 

　　3、提高钢筋混凝土异形柱耐久性的主要技术措施 

　　3.1 在结构设计方面要不断改进 

　　在对钢筋混凝土进行设计的时候，对那些有可能会导致混凝土出现结构耐久性下降的所有因素都要十分重视。 

　　（1）保护层厚度要足够 

　　由于混凝土往往是具有高碱度的，会使钢筋的表面出现一层钝化膜，实际上它对钢筋会起到一定的保护作用，其产生的效果和混凝土的实际密实度及保护层的具体厚度是有关的，因此，在这个过程中，必须要加大混凝土的保护层厚度。 

　　（2）合理的材料配合比 

　　在设计时，还要选择一个科学合理的混凝土原材料配合比，比如说首先要优选水泥的品种，并对骨料的质量足够重视等。 

　　（3）对结构构造进行合理设计 

　　要对结构构件当中的截面几何形状进行合理地选择，主要是不能让其形成一个侵蚀性物质的停留区；对于那些暴露在外的构件来说，有可能会遇到各种天气情况，因此要求其外形必须简洁，尽量少的将其表面积暴露在外。 

　　3.2 施工过程中加强管理 

　　（1）严格的控制施工过程中的用水量 

　　要对混凝土的最低强度等级进行限制，这也是一个主要的提高混凝土结构耐久性的措施，为此就要控制水灰比，从而减少混凝土当中的孔隙率，提高整个结构的抗渗性。 

　　（2）振捣和养护过程中要充分 

　　混凝土在进行浇筑之后，必须要按照具体的施工操作和规程来对其进行后续的振捣过程，在这个过程中，要使混凝土的表面尽量的抹光压平，这也可以有效的增加整个混凝土的密实性，并大大的降低混凝土的实际渗透性；同时，还要认真的做好后期混凝土的养护工作，这对于混凝土密实性的增加同样重要。 

　　结束语 

　　综上所述，对于异形柱结构耐久性能的研究，还有很多工作要去做，本文在此提出一些建议：首先，进行设计时首先要考虑结构的合理布置，使得异形柱结构体系发挥出应有的能量。其次，结构物在建造过程中要采取有效措施，切实防止钢筋锈蚀。再次，施工过程中要严格把关，使得保护层厚度有合理保障。最后，针对异形柱特有的截面形式，进一步研究适用于异形柱的构造措施，切实保证其耐久性能。做好这方面的研究对于各类工程的施工质量有着重要的意义。 

　　参考文献 

　　[1] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护，北京：中国铁道出版社，1998. 

　　[2] 赵卓，张海廷，李纯跃，基于耐久性的结构混凝土研究，华北水利水电学院学报，2005，26（4）：13～15. 

　　[3] 郭院成，赵卓，曾力等，基于钢筋锈蚀的混凝土耐久性研究，郑州大学土木工程学院，2006.