1、中国土木工程学会标准混凝1工结构耐久性设计与施王指南CCES 01一2004(2005年修订版）条文说明1总则1. 0.1 现行的混凝土结构设计与施工规范，主要考虑荷载作用下结构承载力安全性与适用性的需要，较少顾及结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化对结构适用性与安全性的影响。结构耐久性不足，不仅会增加使用过程中的修理费用并影响工程的正常使用，而且会过早结束结构的使用年限，严重浪费资源。为使混凝土结构的设计与施工能够适应我国现代化建设的需要与可持续发展的战略需求，在工程建设中真正做到安全、适用、经济、合理，特编写本指南供结构设计和施工人员使用。1. o. 2 结构的耐久性通常是指结构
2、及其构件在可能引起结构材料性能劣化的各种作用下，能够长期维持其应有性能的能力。一般荷载作用与环境因素的长期作用都有可能引起材料性能的劣化。荷载长期作用下的材料性能劣化主要是由于工作应力过高或反复加载的作用，在结构的承载力设计中需对最大工作应力加以限制或取用疲劳强度等参数予以考虑。由于我国现行结构设计规范在承载力设计上的安全设置水准偏低，当结构的永久荷载在全部荷载中占到很大比例时，有可能因持久应力过大而引起异常的徐变变形与开裂并损害到混凝土的耐久性，这种情况应在结构的强度设计中予以注意。本指南中所指的耐久性，主要是环境作用下的耐久性。环境对混凝土结构材料的作用因素，主要涉及温度和湿度及其变化（干
3、湿交替、冻融循环），以及环境中的水、气、盐、酸等物质。环境作用所造成的材料劣化主要表现为钢筋的锈蚀和混凝土的腐蚀与损伤。所以环境作用也可理解为力学作用以外的物理与化学作用。在正常情况下，混凝土中的钢筋不会锈蚀。这是由于混凝土内部的孔溶液（pH值大于13）使混凝土呈高碱性，可以在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，能隔绝水分和氧气与内部金属的接触，阻止钢筋发生锈蚀，即产生体积膨胀的不稳定红色锈蚀产物Fe203 nH20 （铁锈）。通常有两种情况可导致钝化膜失效：1)混凝土的中性化，主要是碳化，即空气中的C02从混凝土表面扩散到混凝土内部，与溶解在混凝土孔溶液中的碱性水化产物Ca COH)2反应，生成中
4、性的CaC03沉淀；从而降低泪凝土的碱度，使钝化膜不能继续维持而破坏，并在水分和氧的参与下发生持续锈蚀；酸性物质的侵人也会加速混凝土孔溶液的中性化。2）氯盐的侵人，即氯离子从混凝土表面经过保护层迁移到钢筋表面并积累到一定浓度（临界浓度）后，使钝化膜破坏。混凝土内由碳化引起的钢筋锈蚀和由氯盐引起的钢筋锈蚀都是电化学腐蚀过程，都必须有水分和氧气参与锈蚀反应。混凝土中如有外加或受外部感应的直流电（如地铁结构中的杂散电流），会加速钢筋锈蚀的电化学反应。钢筋的锈蚀产物在生成过程中体积膨胀，能导致混凝土顺筋开裂和1昆凝土保护层剥落，损害钢筋与混凝土之间的粘着力，削弱钢筋的截面积并使钢筋变脆，从而影响结构的
5、适用性（裂缝、表面锈迹等）与安全性（承载力降低）。造成混凝土材料腐蚀和损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的65 盐、酸等化学物质的作用。棍凝土内饱和的毛细孔隙水受冻膨胀结晶产生压力，反复冻融可使混凝土表层开裂、浆体剥落、骨料裸露甚至崩落；硫酸盐能与混凝土中的水化产物Ca(OH)z和水化铝酸钙发生化学反应生成石膏和钙饥石，这两种反应均造成体积膨胀使泪凝土开裂剥落；在干温交替的条件下，潮温时侵人混凝土毛细孔隙中的盐溶液当环境转为干燥后其浓度不断增加，最终因过饱和而结晶，产生很大的结晶压力使混凝土破坏；酸能溶解混凝土固相物质中的Ca(OH)z等水化产物，破坏混凝土的内部结构和密实性；
6、空气中的二氧化硫及氮氧化物等空气污染物与水结合形成酸雨，对混凝土也有很大侵蚀作用。氯盐不仅能破坏钢筋表面钝化膜、引起钢筋锈蚀，而且能和混凝土中的Ca(OH)z发生离子互换反应生成易溶（如CaClz）或疏松无胶凝性（如Mg(OH)z）的产物，破坏混凝土材料的微结构。在有冰冻情况下，盐冻能使混凝土表面起皮剥落。除冰盐（一般为氯盐）不但能对钢筋造成严重锈蚀，而且对表层混凝土有很大破坏作用。此外，密实性差的高水灰比混凝土，当接触流动水、压力水或有水渗透时，即使不是软水，也能使混凝土中的CaCOH)z溶出。环境作用对混凝土材料的腐蚀与损伤主要发生在混凝土表层，使混凝土截面和强度受到损失，影响结构的适用性
7、（外观、裂缝、剥落等）和安全性。在配筋混凝土结构中，更重要的是因表层混凝土发生腐蚀或损伤而削弱了对钢筋的保护能力，加速钢筋锈蚀进程。1. 0. 3本条所说的特种混凝土，是指所用的胶凝材料或骨料有别于普通硅酸盐类水泥或普通砂石骨料的混凝土，如耐火混凝土、防辐射混凝土以及轻骨料混凝土等。高性能混凝土不能作为混凝土的一个品种，它只反映混凝土的一种质量目标，不在特种混凝土之列。特殊腐蚀环境以及生产、使用、排放或贮存各种有害化学腐蚀物质的结构物混凝土也往往并不使用普通的混凝土原材料。1. 0. 4本指南提供环境作用下混凝土结构耐久性的设计要求与施工要求，第35章主要涉及耐久性设计的内容，是设计人员在设计
8、中必须考虑的，其中的第4章也与施工有关；第6章主要涉及施工（包括混凝土材料供应）的内容，是施工人员和混凝土供应方为保证工程耐久性需达到的要求，其中的重要环节还必须有设计人员的参与；第7章则为环境作用极端严重或非常严重时可能需要采取的防腐蚀附加措施。本指南的内容只是根据结构耐久性的需要，对我国现行混凝土结构设计、施工规范和规程的一种补充与修正。因此，指南中的要求与现行规范和规程中的某些规定存在些差别甚至有个别抵触之处实为必然。1. o. 5环境作用下混凝土结构的耐久性设计方法，应在规定的环境作用下，满足规定设计使用年限的要求。影响混凝土结构耐久性的因素非常复杂，有很大的不确定性与不确知性，所以混
9、凝土结构的耐久性设计不可能是一门精确的科学。即使在结构的承载力设计中，也有许多设计要求只是根据工程判断或近似的假定提出的，比如结构的使用荷载标准值，就是一种设定的标准而并不就是实际作用在结构上的具体荷载值。本指南提出的耐久性设计要求，也可以看成是环境作用下为满足不同设计使用年限需要而设定的一种标准。明确工程的设计使用年限，不仅是业主和用户的需要，也是结构设计走向更为经济合理的必要步骤。许多国家在结构设计规范中早已明确提出设计工作寿命的要求，新修订的我国结构设计标准也开始对不同结构物的设计使用年限作出明确规定。66 混凝土结构设计规范中对于环境作用下的耐久性设计，一直采用的是经验方法，即针对不同
10、的环境条件，对混凝土的组成、最大水灰（胶）比、最低强度等级和最小水泥用量等提出要求，必要时还规定混凝土抗冻等级、抗渗等级、扩散系数等性能指标，同时规定钢筋的混凝土保护层最小厚度、防排水措施以及表面裂缝最大宽度控制等各种构造要求，认为这样就能满足长期使用的需要。在以往的设计规范中往往不提具体的使用年限值。但长期的使用实践表明，混凝土在许多环境条件下并非象原先设想的那样耐久；回避设计使用年限，无异于丢失耐久性设计的基本目标。自混凝土得到大量应用的几十年来，水泥产品不断追求高强，使其细度与早强的矿物成分增加，同时工程的施工建设速度不断加快，环境条件又不断恶化，这些因素都对混凝土耐久性带来不利影响。随
11、着耐久性问题的日益暴露，国际上的一些混凝土结构设计规范均不断修改对于混凝土最低强度等级、最大水胶比和最小保护层厚度等要求。在结构的耐久性设计上，进一步细化环境类别，并提出不同使用年限下的不同要求。近年发展起来的基于材料劣化模型的使用寿命预测，将混凝土结构的耐久性设计方法提升到一个新的高度。但是简单的数学模型难以描述和涵盖实际劣化过程中所有的机理和作用因素，模型的参数又很难准确给定，计算结果缺乏足够的可信性。这一方法目前还处于研究探索中，尚未达到能在工程设计中得以通用的程度。这些计算模型中较为成熟的是钢筋的锈蚀模型，其他如冻融和化学腐蚀的计算模型连非常少，适用性更差。本指南以传统的耐久性设计方法
12、为基础，它简单易行，便于工程技术人员掌握和使用。本指南对环境分类作了细化，对不同设计使用年限的结构规定了相应的要求。对于氯盐环境作用下的重要结构物，则同时要求进行基于材料劣化模型的使用寿命验算。指南在混凝土材料组成、混凝土耐久性能指标、混凝土保护层厚度以及各种构造措施和结构施工等要求上，尽可能吸收了近年来国内外的研究成果，比照了国际上有关规范和规程中的规定，参考了国外大型工程为抗氯盐等环境侵蚀所采取的工程实践，并利用新近发展的材料劣化模型，对指南中有关混凝土碳化和氯离子引起钢筋锈蚀的具体规定作了近似复核。尽管如此，本指南仍有许多不足之处，特别是缺少我国各地环境作用因素的实测数据与结构耐久性现场
13、实际观测数据的支持。结构设计人员如果有可靠的依据，并经过专门的论证，应能修正和取代本指南中的某些规定和要求。67 3基本规定3.1.13.1. 2 本指南对结构所处环境的分类，主要考虑到设计的方便，按照环境引起材料性能劣化的不同机理，将环境大体分成I、H、田、引和V1、Vz、v3共7类。对于每类环境，又按不同的环境条件将其作用的严重程度分别纳入6个不同的环境作用等级。这种分类、分级的方法，综合参考了以往的国内外规范和新的欧洲混凝土规范。3.1. 3 表3.1. 3列出了每类环境在不同环境条件下的作用等级。1.一般环境cI类）。主要指碳化引起的钢筋锈蚀环境，不存在冻融和盐、酸等化学物质的作用，需
14、要考虑的环境因素主要是湿度（水）、温度和C02与02的供给程度。如果相对湿度较高，混凝土始终处于温润的饱水状态，则空气中的C02难以扩散到混凝土体内，碳化就不能或只能非常缓慢地进行。如果相对湿度甚低，混凝土比较干燥，虽然C02能比较顺利地通过孔隙向混凝土内部迁移，但是参与碳化反应的另物质，即洛解在混凝土孔隙水中的氢氧化钙，因孔隙水的缺少而缺少，因此碳化反应也很难进行；同时，钢筋发生锈蚀是一种电化学过程，要求混凝土有一定的电导率，当混凝土内部的相对温度低于70%时，碳化引起的钢筋锈蚀就会因混凝土导电率太低而很难进行。锈蚀电化学过程需有水和02的参与，当混凝土处于水下或湿度接近饱和，02难以扩散到
15、钢筋表面，锈蚀会因为缺氧而难以发生。所以最易造成钢筋碳化锈蚀的环境是干湿交替，在这种环境条件下，我国现行混凝土结构设计规范所规定的混凝土保护层最小厚度与最大水胶比，都难以满足设计使用年限（50年）内的适用性要求，往往出现钢筋的严重锈蚀和保护层剥落。炎热的潮湿环境加速钢筋锈蚀，就更易造成破坏。低水胶比的混凝土保护层甚为密实，水、C02和02都不易从混凝土表面渗透或扩散到内部，内部的混凝土也因水胶比低和自干缩而处于比较干燥的状态，相应的电导率较低，所以能有效地保护钢筋防止锈蚀。我国既有混凝土结构中出现的钢筋严重碳化锈蚀现象，主要由于混凝土保护层过薄、水胶比过大，以往的这种设计习惯必须纠正。2.冻融
16、环境cII类）。主要指混凝土可能遭到冻蚀的环境。受湿的混凝土在反复冻融作用下会造成内部损伤，产生开裂甚至剥落，导致骨料裸露。与冻融破坏有关的环境因素主要有水、最低温度、降温速率和反复冻融次数。混凝土的冻融损伤只发生在混凝土内部的含水量比较充足的情况，通常认为，这与混凝土毛细孔隙水结冰时的结晶压积聚有关。如果棍凝土毛细孔隙中有足够的空气或混凝土中有引气剂导人的气孔，就能释放冰冻产生的压力而防止冻害。按照瑞典学者GoranFagerlund的理论，冻害的危险性主要取决于混凝土的饱水度Srap C混凝土内部孔隙水的体积与孔隙内水和空气的总体积值之比）和混凝土本身的临界饱水度Ser，后者是、混凝土固有
17、的材料性质。如果Scap乱，混凝土不会发生冻坏。如果Scap达到并超过乱，混凝土只需少许冻融循环就会很快破坏。混凝土的饱水度与所处环境湿度有关，当表面接触水时可通过渗透和吸附使内部孔隙水量增加。试验表明，冻融循环68 的过程，可使混凝土孔隙内的水分不断积累。当反复冻融循环使混凝土的饱水度达到临界饱水度时，混凝土即濒临破坏。饱水度随冻融循环次数不断增长，但两者不呈线性关系，开始时的增长率快，到后来越来越慢。所以冻害的危险性主要与泪凝土孔隙内水的饱水程度和冻融次数相联系。我国有的地区尽管并不很寒冷，但冬季的冻融次数仍然较多，混凝土冻蚀并不少见。严寒地区混凝土冻蚀严重的多为朝南构件，而二般寒冷地区则
18、为朝北构件，也与反复冻融次数有关。我国现行规范中对混凝土抗冻等级的要求多按当地最冷的月平均气温进行区分，这在使用上有其方便之处，但对最冷月平均气温并不很低的地区，有可能忽视其对抗冻的需要。本指南对冻融环境作用等级的划分，主要考虑饱水程度与年冻融次数这两种因素。由于缺乏各地区年冻融次数的统计资料，现仍暂时按当地最冷月的平均气温表示。对于饱水程度，区分为重度饱水和中度饱水两种情况，前者指受冻前长期或频繁接触水体或湿润土体，混凝土体内高度饱水，后者指受冻前偶受雨淋或潮湿，混凝土体内的饱水程度不高。有氯盐的冻融环境。主要指冬季喷洒除冰盐的环境。含盐分的水洛液不仅造成混凝土内部损伤，而且能使混凝土表面起
19、皮剥蚀，盐中的氯离子还会引起混凝土内部钢筋的锈蚀（除冰盐引起的钢筋锈蚀属凹类环境考虑）。除冰盐的剥蚀作用程度与混凝土温度有关；锈蚀作用与积累在混凝土表面的氯离子浓度有关。后者取决于冬季洒盐的频度和用量、除冰盐的类别以及受雨水冲淋等许多因素；不同构件及部位由于方向、位置不同，受除冰盐直接、间接污染或溅射的程度也会有很大差别。寒冷地区海洋和近海环境中的混凝士表层当接触水分时也会发生盐冻，但海水的含盐浓度要比除冰盐融雪后的盐水低得多。海水的冰点较低，所以在有的寒冷地区并不出现冻结现象，在这种情况下可以不考虑冻融环境作用，但如能提出引气要求，也有利于防止盐结晶破坏。3.近海和海洋环境（田类）。主要指来
20、自海水的氯盐引起钢筋锈蚀的环境，可进一步分为水下区、潮沙区、浪溅区、大气区和土中区。长年浸没于海水中的混凝土，由于引起钢筋脱钝所需的氯离子临界浓度在饱水条件下得以提高，又因水中缺氧使锈蚀发展速度变得极其缓慢甚至停止，所以相对来说不会有太大问题。潮沙区特别是浪溅区的情况则正好相反，二者均处于干湿交替状态，混凝土表面的氯离子可通过吸收（当混凝土表面干燥时）、扩散、渗透等多种途径侵人混凝土内部，而且干温交替的环境条件使得钢筋脱钝所需的氯离子临界浓度也降到最低，同时供氧供水充足，具备锈蚀发展的充分条件。浪溅区的供氧最为充分，锈蚀最严重；由频繁干湿交替造成的盐结晶腐蚀在这一区域也最为严重。我国海港混凝土
21、结构防腐蚀技术规范在大量调查研究的基础上，分别对浪溅区和潮沙区提出不同的要求。但本指南考虑到设计施工方便以及潮沙区内进行修复的难度，将潮沙区与浪溅区统一按同一作用等级考虑。南方炎热地区温度高，氯离子扩散系数增大，锈蚀发展速度也会加剧，所以在南方炎热地区的浪溅区混凝土构件中，钢筋遭受腐蚀的程度最甚。海洋和近海地区的大气中都会含有氯离子。海洋大气区处于浪溅区的上方，海浪拍击可产生大小为o.120m的细小雾滴，较大的雾滴积聚于附近，而较小的雾滴可随风飘移到近海的陆上地区。海上桥梁的上部构件离浪溅区很近时，受到浓重的盐雾作用在构件69 混凝土表层内积累的氯离子浓度可以很高，而且同时又处于干温交替的不利
22、状态，在浪溅区与其上方的大气区之间，构件表层混凝土的氯离子浓度没有明确的界限，设计时应该根据具体情况偏于安全选用。Fluge曾调查挪威的一座海上大桥，由多跨混凝土箱梁组成。调查发现这些箱梁受到大气盐雾作用累积在构件混凝土表面（指表皮混凝土内，下同）的氯离子浓度，与其离开海平面的高度有关，随着高度的增加而降低。同一构件上不同部位的？昆凝土表面氯离子浓度也有很大差异，并与其朝向和截面尺寸有关，箱梁的底面及背风面的混凝土表面氯离子浓度最高；离海面平均水位约12m高处测得的？昆凝土表层氯离子最大浓度，已与浪溅区差别不大（这一高度在高潮位又遇大的风浪时也可能受到浪溅的影响），但20m高处的混凝土表层氯离
23、子最大浓度则降到约浪溅区的半。Sorensen与Maahn调查丹麦的几座已建成1520年的桥梁，发现离海面平均水位高度1015m以下的混凝土构件，其表面氯离子浓度大体相近；在15m以上的高度，构件表面的混凝土氯离子浓度明显下降。由于缺乏我国海洋环境的相关资料，本指南暂定离海面平均水位15m高度以下按浪溅区对待。虽然大气盐雾区的混凝土表面氯离子浓度可以积累到与浪溅区相近（甚至还有大于浪溅区的报道），但浪溅区的混凝土表面氯离子浓度可认为从一开始就达到其最大值，而大气盐雾区则需许多年才能逐渐积累到最大值；此外，浪溅区的干湿交替程度也明显高于大气区，所以浪溅区的环境还是最为严酷。在平均水位上方的15m
24、内，应该是越靠下的部位，所受的环境作用越接近浪溅区。靠近海岸的陆上大气也含盐分，其浓度与具体的地形、地物、风向、风速等多种因素有关。欧洲标准EN206-l和德国工业标准DIN10452对海岸边的混凝土构件规定最低强度等级相当于0和水灰比（或等效水胶比）不大于0.5，但没有明确界定离岸的距离范围。日本公路协会的于册规定离海岸lOOm内为防腐蚀一级设防区，lOOm外为二级设防区。日本建筑学会颁布的高耐久性混凝土设计与施工建议规定：紧接海洋（Om）为重盐害区，50m内为盐害区，200m内为准盐害区，超过200m为不考虑盐害区，认为超过200m外的混凝土表面不会有氯离子的明显积累，这种认识可能与考虑的
25、工程对象是建筑群有关。更多的调查研究资料得出，近海的盐雾可以飘向离海很远的陆地。英国Hobbs在为英国混凝土结构的耐久性设计划分环境作用类别时，将离海岸lOOm以内的室外环境与浪溅区和潮沙区同样对待，需要考虑大气盐雾氯离子侵蚀作用的室外环境远至离海岸3000m。2002年出版的日本土木学会混凝土标准中，提出近海大气区的混凝土表面氯离子浓度Cs（用混凝土质量的比值表示）为：浪溅区0.65%，岸线附近0.45%，离海岸距离O.lkm处0.225%, 0. 25km处0.15%, 0. 5km处0.1%,l.Okm处0.075%。美国ACI 365委员会开发的一个用于使用寿命设计的计算程序Life3
26、65中，则取海上和近海盐雾区的混凝土表面氯离子浓度Cs（用混凝土质量的比值表示）的计算值为：潮沙浪溅区为瞬时到定值0.8%，海上盐雾区以每年0.10%的累积速度到最终定值1.0%，离海岸800m内以每年0.04%的累积速度到最终定值0.6%，离海岸1.5km内以每年0.02%的累积速度到最终定值o.6%。根据我国浙东等沿海地区的调查，构件的腐蚀程度与离岸远近及朝向有很大关系，靠近海岸且暴露于室外的构件应考虑盐雾的作用。烟台地区的调查发现，离海岸lOOm内的70 室外混凝土构件受到严重锈蚀。指南表3.1. 3-1中对靠海构件环境作用等级的划分，尚有待积累更多调查数据后作进一步修正。设计人员宜在调
27、查工程所在地区具体环境条件的基础上，采取适当的防腐蚀要求。近梅和海洋环境对混凝土结构的侵蚀作用应该与当地海水中的含盐量有关。这里主要按照一般海水的氯离子含量（约1820kg/m3）考虑。不同地区海水的含盐量可有很大差别，沿海地区的海水含盐量还受到江河淡水排放的影响，这些都值得在设计中加以研究。靠近江河出口的海湾处，海水的含盐量有可能较低并随季节变化，例如杭州湾大桥的海水氯离子浓度年平均约为14kg/m30 4.除冰盐等其他氯化物环境（凹类）。主要指来自海水以外的其他氯化物如除冰盐、消毒剂等引起钢筋锈蚀的环境。除冰盐可以有多种途径作用于混凝土构件，含盐的融雪水直接作用于路面，并通过伸缩缝等连接渗
28、漏到桥面板下方的构件表面，或者通过路面层和防水层的缝隙渗漏到混凝土桥面板的顶面。排出的盐水如渗入地下土体，还会侵蚀混凝土基础。此外，行驶的车辆会将路面上含盐的水溅射到车道两侧的混凝土构件表面；高速转动的车轮更能将路面的水转变成微细的雾滴，带着盐分随气流飘向更远的距离。在路侧的柱、墩构件上，受到气流的影响，往往出现背侧混凝土表层内的氯离子浓度反而大于朝向路面一侧的情况。积累于混凝土表层的氯离子量，也随季节变化，冬季洒盐时最高，以后随雨水冲洗等影响而有所降低。据报道，在美国的降雪地带，每个冬季洒在桥面上的除冰盐约有1.2kg/m2，某些桥梁甚至达到4.9kg/m2 o北欧国家每个冬季要洒3070次
29、氯化铀除冰盐，每次1025g/m2，总用量较低些。在欧美，一般都将除冰盐环境的侵蚀作用与海洋浪溅区同等对待。北方地区车库的棍凝土地面和楼板设计，要考虑汽车底盘和车轮带人的除冰盐作用，作用等级至少需按凹D考虑。接触含氯消毒剂的混凝土结构物如游泳池的池壁、周围地面等，也必须考虑氯化物对混凝土内钢筋的腐蚀作用。5.其他化学腐蚀环境（来自海水等氯化物除外）。包括土中及地表地下水中化学腐蚀环境CVi类），大气污染环境CV2类）和盐结晶环境CV3类）。V1环境中主要考虑了硫酸盐的腐蚀和酸的腐蚀。这些化学物质几乎都以溶液的形式且在超过一定浓度时对混凝土造化学腐蚀和物理腐蚀。硫酸盐对棍凝土的腐蚀作用与硫酸盐的
30、种类及其浓度，混凝土表面的干湿交替程度和温度有关，还与土的渗透d性和地下水的流动性有很大关系。侵蚀混凝土的硫酸盐主要来自周围的水、土，也可能来自原本受过硫酸盐侵蚀的混凝土骨料以及泪凝土外加剂，如喷射混凝土中常使用较大剂量的纳盐速凝剂。在常见的硫酸盐中，对混凝土腐蚀的严重程度依次为硫酸镜、硫酸铀和硫酸钙。硫酸钙不易溶于水，难以造成明显的腐蚀。当用酸溶法测定土中硫酸盐的硫酸根离子浓度时，就会引人硫酸钙的成分，所以表3.1. 3-2的土中硫酸根离子浓度，为水溶浸出测定的数值。硫酸盐对混凝土的化学腐蚀是两种化学反应的结果，一是与混凝土中的水化铝酸钙起反应形成硫铝酸钙即钙矶石，二是与混凝土中氢氧化钙结合
31、形成硫酸钙（石膏），两种反应均会造成体积膨胀，使混凝土开裂。硫酸盐对混凝土的化学腐蚀过程很慢，通常要进行好多年，开始时混凝土表面泛白，随后开裂、剥落破坏。当土中构件暴露于流动的地下水中时，硫酸盐得以不断补充，腐蚀的产物也被带走，破坏速率就非常严重。相反，在渗透性很低的粘土中，当表面浅层的混凝土遭硫酸盐腐蚀后，较难引起进一步的腐蚀。腐蚀性71 很强的硫酸盐还有硫酸钱，此事需单独考虑镀离子的作用，但自然界中的硫酸镀不多见，在长期施加化肥的土地中需要注意。土中可溶硫酸盐的硫酸根离子浓度如大于0.1%（水中s大于200mg/L)就有可能损害混凝土，如大于0.4% （水中s2000mg/L)将可能有较大
32、损害。水的蒸发可使水中的硫酸盐逐渐积累，所以混凝土冷却塔就有可能遭受硫酸盐的侵蚀。当地下水、土中的硫酸盐渗入混凝土内部，并在一定条件下使得混凝土毛细孔隙水溶液中的硫酸盐浓度不断积累，当超过饱和改度时就会析出盐结晶而产生很大的压力，导致混凝土开裂破坏，但这是纯粹的物理作用。一般来说，硅酸盐水泥混凝土的抗酸能力较差，如果水的pH值小于6，对于抗渗性较差的混凝土就会造成损害。水中若榕有C02、s或Cl等酸离子，混凝土碱度就会大幅下降，并影响水泥水化产物的稳定性。酸的来源多种多样，许多燃料产生含硫气体，与水结合形成硫酸；地下水中有时溶有二氧化碳带酸性；工业废水和污水也往往含酸。酸对混凝土的腐蚀作用主要
33、是与硅酸盐水泥水化产物中的氢氧化钙起反应，如果混凝土骨料是石灰石或白云石，也会与这些骨料起化学反应，反应的产物是水溶性的钙化学物，可以被水溶液浸出（草酸和磷酸形成的钙盐除外）。对于硫酸来说，还会进一步形成硫酸盐造成硫酸盐侵蚀。如果酸、盐溶液能到达钢筋表面，则引起钢筋锈蚀，反过来造成混凝土顺筋开裂和剥落。低水胶比的密实混凝土能够抵抗弱酸的侵蚀，但是硅酸盐水泥混凝土不能承受高浓度酸的长期作用，这时必须在混凝士表面采取涂层复盖等措施，尤其在流动的地下水中。表3.1. 3 2的分级，主要参考了欧州、美国和英国等有关规范和我国岩土工程勘察规范（GB50021-94）中的规定。当结构所处环境中有多种化学腐
34、蚀物质时，般会加重腐蚀的程度。如Mgz+和SC觅一同时存在时能引起双重腐蚀。但两种以上的化学物质有时也可能产生相互的抑制作用，如海水环境中的氯盐可能会减弱硫酸盐的危害。有资料报道，如无Cl存在，浓度约为250mg/L的s就能引起纯硅酸盐水泥混凝土的腐蚀，如Cl浓度超过5000mg/L，则造成损害的s浓度需提高到约lOOOmg/L以上。海水中的硫酸盐含量很高，但有大量氯化物存在，所以不再单独考虑硫酸盐的作用。V2类环境为大气污染环境。主要的环境的作用因素有大气中S02产生的酸雨，汽车和机车排放的N02废气，以及盐碱地区空气中的盐分。这种环境对混凝土结构的作用程度可有很大差别，宜根据当地的调查情况
35、确定其等级。v3类环境为盐结晶环境。对混凝土的损害主要是滨海盐土和内陆盐土地区的混凝土发生盐结晶破坏。这些地区的地下水、土中含有丰富的硫酸盐、氯盐和碳酸盐等盐类，会通过混凝土表面毛细孔隙的吸附和孔隙水中的扩散作用进入混凝土内部并向上迁移，到达地表以上由于大气相对干燥，毛细孔隙中的水溶液蒸发使盐分被度不断增加并生成结晶。这些地区的电杆、墩柱、墙体等、混凝土构件在地面以上约lm左右高的范围内常出现这类结晶破坏。不同的盐类与浓度以及环境湿度与温度的频繁变化是这种侵蚀环境的主要作用因素。我国西部还有盐湖地区，水、土中盐类浓度可超出海水中的10倍以上，这些情况则需专门研究对待。盐土地区的大气中也会含有盐
36、分，在干温交替条件下同样能在混凝土表层内积累引起结晶破坏，但程度相对较轻。近海和海洋环境的混凝土当接触海水和大气中的盐分并频繁处于干温交替的条件下也会出现这种破坏。72 6.荷载与环境的双重作用。荷载产生的应力状态有可能加剧环境作用的材料性能劣化过程。但是根据试验室内小型试件的研究结果表明：在压应力状态下，如果混凝土的压应力较低，不超过一般结构使用状态下的应力水平（低于抗压强度的0.4倍），在氯盐或冻融环境下，并不会加重环境对混凝土的劣化作用；而且当压应力较小时反而有利，这与使用状态下的混凝土应力尚不至于引起混凝土内固有微裂缝扩展的认识一致；对于拉应力状态，清华大学曾作过素混凝土和l配筋混凝土
37、受弯构件浸泡于氯盐榕液中的弯曲持久加载试验，当混凝土中的钢筋应力较低并不超过一般结构使用状态下的钢筋应力水平时，相应的拉区混凝土抗氯离子扩散的电量指标也没有明显变化。混凝土的碳化速度在受拉状态下有所增加，但其影响与温度变化等其他环境因素相比显得并不突出。因此，本指南没有专门考虑荷载作用下的应力状态对环境作用的影响。但在高应力状态或反复荷载作用下，环境对混凝土的劣化作用会明显加剧。在新的欧洲规范中，对于环境严重作用下的混凝土，要求进一步复核混凝土的最大压应力并加以限制。设计人应根据结构的具体受力特点，必要时在耐久性设计中采取更为严格的要求。3.1. 4所有钢筋混凝土和预应力混凝土构件都会处于I类
38、环境（碳化引起的钢筋锈蚀环境），但同一构件很可能还会受到多类环境的作用。比如建筑物的室内构件，通常只受到I类环境作用；北方建筑物的外墙，除了般环境作用外，还要考虑E环境的冻融作用。当构件可能受到多类环境作用时，每种环境类别下的作用都需满足，如北方严寒地区的海湾桥梁浪溅区构件，可能需要考虑I-c C钢筋在干湿交替下的碳化锈蚀）、II-D C混凝土的盐冻腐蚀）和田E（海水氯盐引起的钢筋锈蚀）的作用，但各类环境的作用等级不同，其中最高的是E级。通常情况下，如能满足其中最高作用等级的环境类别，其他较低作用等级类别下的要求也就自然满足。但有时也会有例外，主要发生在有冻融的情况，因为这时的混凝土往往有引气
39、要求。3.1. 5 引气混凝土能够提高结构的耐久性，但必须满足规定的抗冻耐久性指数DF值或规定的气泡间隔系数的要求（见表4.0. 8和4.o.的。如无抗冻要求而仅为提高混凝土的耐久性能，一般可按寒冷地区混凝土中度饱水的抗冻要求规定引气混凝土的DF值或气泡间隔系数。新拌混凝土的含气量是引气混凝土的重要质量指标之一，但有时并不总能准确反映引气混凝土的耐久性质量，参见4.0. 8条的说明。3.1. 7 在实际工程设计中，有些必须考虑的环境作用往往被忽视，所以在本条特别提出这些必须注意的场合。桥梁防水层对于桥面板有重要防护作用，由于防水层的有效使用寿命低于混凝土且容易损坏，为确保结构使用年限并偏于安全
40、考虑，在确定桥面板顶部钢筋的混凝土保护层厚度与混凝土材料的耐久性要求时，般不考虑防水层的有利作用。桥梁伸缩缝等连接部位是耐久性的薄弱环节，与其靠近的部位和下方构件经常会遇到来自连接缝处渗漏水的作用而加速劣化，须在设计中格外重视。大规模使用氯化饷类除冰盐来融化道路积雪，在发达国家已经有30余年的历史。由于此前在桥梁设计中没有考虑除冰盐的作用，给这些国家的桥梁结构带来极其严重的危害并造成巨大经济损失。如果在设计中没有采取针对性的防护措施，一些桥梁在除冰盐侵蚀下甚至不到10年就需大修。氯盐类除冰盐价格低廉，能充足供应，在预期的将来尚难被代替。我国近年来交通高速发展，大量采用除冰盐化雪是今后必然要出现
41、的趋势。所以在73 桥梁的设计中必须提前采取防护措施。北方地区的停车库也必须考虑除冰盐作用，汽车的底盘和轮胎会积有含盐的冰块，人库后融化会造成车库混凝土楼板内钢筋的严重锈蚀。3.1. 8混凝土中的碱（Na和K十）与砂、石骨料中某些含有活性硅的成分起反应，称为碱硅反应；某些碳酸盐类岩石（如白云石）骨料也能与碱起反应，称为碱碳酸盐反应。这些碱骨料反应能引起混凝土体积膨胀、开裂，被视为混凝土的“癌症”，在国内外都发生过不少工程损坏事例。环境作用下的泪凝土化学腐蚀大多由外部的腐蚀性物质引起并从混凝土表面开始，但碱骨料反应却是从内部发生的。碱骨料反应对结构的破坏是一个长期的渐进过程，其潜伏期可达十几年或
42、几十年，而且一旦发现表面开裂，结构损伤往往已严重到无法修复的程度。发生碱骨料反应的充分条件是：混凝土有较高的碱含量，骨料有较高的活性和水分的参与。如果混凝土在使用过程中不会接触到水，即使含碱量较高和含有活性骨料的混凝土也不会发生碱骨料反应。如果使用环境可能遭受潮湿，而骨料活性可能较低，这就必须采用低碱水泥或同时使用大掺量矿物掺和料，并通过严格的测试，才可有条件地应用低活性的骨料。在混凝土中加人足够掺量的粉煤灰、矿渣或沸石等掺和料，能够抑制碱骨料反应。采用密实的低水胶比混凝土能有效阻止水分进入1昆凝土内部，也有利于防止反应的发生。骨料活性的检测通常首先进行骨料的岩相分析，如果岩相分析识别出碱硅反
43、应或者碱碳酸盐反应的活性成分，便需要继续使用试验室来定量评价骨料的碱活性。我国现行规范采用的方法接近美国ASTMCl260试验标准。一般来讲，经过上述的试验，14天的膨胀率在0.20%以上的骨料被认为具有显著的碱活性。但是相关的研究表明，单凭快速砂浆棒膨胀试验认定的骨料活性并不总能在实际的、混凝土材料中引发碱骨料反应。于是，一些国家的规范进一步规定了根据实际混凝土配比制作的棍凝土棱柱试件的膨胀试验，试验的时间也较长，常为半年或者一年。工程界目前对碱骨料反应的防范原则，是从混凝土骨料的碱活性、环境干湿条件和结构的重要性或结构的设计使用年限来决定碱骨料反应的设防策略。抑制碱骨料反应的措施主要包括：
44、对水泥和混凝土其他组分的碱含量控制和掺加矿物掺和料。在加拿大标准CSA C23. 2 27 A对抑制碱硅反应的具体措施中，先根据砂浆棒快速膨胀试验和混凝土棱柱试件膨胀试验结果确定骨料的碱活性程度（无活性、中度活性和高活性），根据骨料的碱活性程度和环境的干湿程度及是否为块体结构确定碱硅反应的危险等级（元、中度和显著），根据不同的危险等级和结构的不同使用寿命确定设防水准（共4个等级），其中最高的等级是：高活性骨料，潮湿环境或置于水、土中，使用寿命75年以上；对于这种最不利的情况，如果一定要采用高活性骨料，必须同时满足两个要求：1)采用的硅酸盐水泥含碱量（等效NaOz当量）小于1.8kg/m3 （每
45、方混凝土）；2）掺加足够数量的矿物掺和料，如单掺粉煤灰且粉煤灰的含碱量（等效NaOz当量）小于3kg时，粉煤灰置代的水泥量按重量比应大于25%（粉煤灰的CaO量小于8%时）或30%(CaO量8%20%时）；如粉煤灰的含碱量（等效NaOz当量）为34.5kg/m3，粉煤灰置代的水泥量按重量比应大于30%（粉煤灰的Cao量小于8%时）或35%CCaO量8%20%时），不采用Cao量高于20%或含碱量大于4.5kg旷的粉煤灰；如单掺磨细矿渣，矿渣的含碱量应小于lkg时，置代量大于50%；如为双掺，每种矿料的置代量可以降低，但与上述单掺时最小掺量的比值，加在一起不能小于1。以上环境条件和大于75年的使
46、用寿命，如骨料74 为中度活性，或者骨料为高度活性而使用寿命为575年，则可采取上述两个条件之一。高活性的骨料用于75年以上使用寿命的干燥环境中的非块体结构，要求硅酸盐水泥的含碱量小于2.4kg/m3，或者掺加足够数量的矿料如上面所述。与碱骨料反应相似，源自混凝土内部的化学腐蚀还有混凝土中的钙矶石延迟生成(Delayed Ettringite Formation，简写作DEF）。钙矶石是水泥中的石膏等硫酸盐和铝酸三钙等铝酸盐与水接触起反应的水化产物，正常情况下应在混凝土拌和后的水泥水化初期形成。如在硬化后的混凝土中剩有较多的早期未起反应的硫酸盐和铝酸三钙（C3A），则在混凝土以后的使用过程中如
47、接触到水就会再起反应，延迟生成钙矶石。后者在生成过程中体积膨胀，导致已经硬化的混凝土开裂。这一反应也称内部硫酸盐腐蚀。混凝土早期蒸养过度能阻止钙矶石生成或使其重新分解。防止钙矶石延迟生成的主要途径是降低养护温度，限制水泥熟料中的硫酸盐和C3A含量，混凝土在使用阶段避免与水接触。软水能使水泥浆体内的碱金属氧化物和含钙的水化产物发生水解或使之溶解，使混凝土渗透性增加并削弱混凝土的强度。酸性水也有类似作用。一切有利于增加混凝土密实性的措施均有助于减轻浸出作用。本指南未就碱骨料反应和钙矶石延迟生成等化学腐蚀的防护提出具体要求，设计时如有需要可参考专门的技术标准和论著。3.2.1 环境作用下的结构耐久性
48、设计，其基本目标是在结构的设计使用年限内，考虑到环境因素可能引起的材料性能劣化以后，仍能保证结构应有的适用性与安全性。由于材料性能劣化是一个渐进和长期的过程，远在、混凝土结构腐蚀到丧失安全性并进人承载力极限状态以前，通常会首先出现混凝土表面剥蚀、锈迹、裂缝并进而发展到顺筋开裂、混凝土保护层剥落等有碍适用性的迹象。所以一般来说，结构的使用年限首先与适用性失效的正常使用极限状态相联系。另外，从结构承载力的安全性角度看，结构必须满足规范规定的安全度或安全可靠指标，所以完全按照规范最低要求设计的结构构件，在其使用过程中的材料劣化是不能影响到其初始承载力的，否则必须在结构设计时留出额外的安全储备。以普通
49、钢筋的锈蚀为例，钢筋锈蚀到发生顺筋开裂时的截面半径损失约为O.lmm，对于承载力尚无明显影响，这已经是正常使用的极限状态。所以与使用年限终结相对应的耐久性极限状态，只能属于正常使用极限状态的范畴。但在实际工程中有一些特殊构件，比如高强预应力钢筋（钢绞线）和高强拉索，一旦发生应力腐蚀，腐蚀进程不易从构件的外表察觉，其破坏又呈高度脆性，这种因耐久性不足直接导致承载力失效的严重后果需要特别注意。结构的使用年限可以通过修理延长。从可修复的角度看，也不能等到材料的劣化程度发展到很严重时再进行修理，这样将付出更大的代价，所以结构的使用年限又与结构的可修复性相关。只有明确使用年限终结时的极限状态及其后果的严重程度，才能对耐久性设计提出恰当的要求。这种极限状态通常应与钢筋锈蚀或棍凝土腐蚀到某一不可接受的适用性极限状态相联系，如以混凝土表面出现某种不能接受的损伤，或钢筋锈蚀导致混凝土出现顺筋开裂或裂宽达到某限值作为极限状态。采取何种劣化程度作为极限状态，取决于结构的功能要求与重要性，还要考虑到可修复性的要求。在本指南中，对于普通钢筋的碳
