混凝土结构耐久性设计标准 GB/T 50476
中华人民共和国国家标准
混凝土结构耐久性设计标准
Standard for design of concrete structure durability
GB/T50476-2023
主编部门:中华人民共和国住房和城乡建设部
批准部门:中华人民共和国住房和城乡建设部
发布部门:中华人民共和国住房和城乡建设部
国家市场监督管理总局
发布日期:2023年06月19日
实施日期:2023年12月01日
中华人民共和国住房和城乡建设部公告
2023年第176号
住房和城乡建设部关于发布国家标准《混凝土结构耐久性设计标准》的公告
现批准《混凝土结构耐久性设计标准》为国家标准,编号为GB/T 50476-2023,自2023年12月1日起实施。原《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476-2008同时废止。
本标准在住房和城乡建设部门户网站(www.mohurd.gov.cn)公开,并由住房和城乡建设部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行。
中华人民共和国住房和城乡建设部
2023年6月19日
前言
根据住房和城乡建设部《关于印发的通知》(建标[2013]169号)的要求,标准编制组经广泛调查研究,认真总结工程实践经验,参考有关国际标准和国外先进标准,并在广泛征求意见的基础上,修订了本标准。
本标准的主要内容是:总则、术语和符号、混凝土结构耐久性设计的基本原则、环境作用类别与等级的划分、设计使用年限要求、材料与构造的基本要求、不同环境作用下的耐久性设计方法、后张法预应力体系的耐久性要求。
本标准修订的主要技术内容是:1.补充了结构使用阶段的维护设计内容;2.增加了热轧钢筋和耐腐蚀钢筋的耐久性要求;3.增加了不同环境下结构耐久性构造与防裂要求;4.补充了不同环境下使用防腐蚀附加措施的要求与规定;5.增加了耐久性设计定量方法的原则与规定;6.修改了混凝土原材料要求与规定;7.更新了混凝土耐久性参数与指标的测试标准方法。
本标准由住房和城乡建设部负责管理,由清华大学负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见和建议,请寄送清华大学(地址:北京市海淀区清华大学土木工程系建筑材料研究所,邮编:100084)。
本标准主编单位:清华大学
本标准参编单位:国家建筑工程质量监督检验中心 中国建筑科学研究院有限公司 北京市市政工程设计研究总院 中冶建筑研究总院有限公司 同济大学 西安建筑科技大学 中交四航研究院有限公司 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 中交桥梁技术有限公司 中国建筑工程总公司
本标准主要起草人员:李克非 邸小坛 陈肇元 廉慧珍 王胜年 郝挺宇 阎培渝 包琦玮 肖绪文 鲍卫刚 干伟忠 黄士元 金伟良 郭保林 路新瀛 王晓锋 周永祥 钱稼茹 牛荻涛 谢永江 邢锋 韩宁旭 张鑫 赵筠 赵铁军 朱万旭 邓德华 朱建国 张国志
本标准主要审查人员:缪昌文 徐有邻 罗玲 朱祖熹 熊威 陈改新 赵尚传 丁建彤 葛勇 余其俊 冯远
# 1 总则1 总则
1.0.1 为保证混凝土结构的耐久性达到规定的设计使用年限,确保工程结构的合理使用寿命,制定本标准。
1.0.2 本标准适用于各种自然环境作用下房屋建筑、桥梁、隧道等基础设施与一般构筑物中普通混凝土结构及其构件的耐久性设计。
本标准未考虑低周反复荷载和持久荷载引起的结构性能劣化,不适用于轻骨料混凝土、纤维混凝土及其他特种混凝土结构以及工业生产的高温高湿环境、微生物腐蚀环境、电磁环境、高压环境、杂散电流等特殊腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计。
1.0.3 本标准的耐久性规定,是使结构达到设计使用年限并具有规定保证率的最低要求。设计中可根据工程的具体特点、当地的环境条件与实践经验以及具体的施工条件等适当提高。
1.0.4 混凝土结构的耐久性设计,除应符合本标准的规定外,尚应符合国家现行有关标准的规定。
# 2 术语和符号 # 2.1 术语2 术语和符号
2.1 术语
2.1.1 环境作用 environmental action
温、湿度及其变化以及二氧化碳、氧、盐、酸等环境因素对结构或材料性能的影响。
2.1.2 劣化 degradation
材料或结构在所处环境中性能随时间的衰减。
2.1.3 劣化模型 degradation model
描述材料或结构性能劣化过程的数学表达式或试验装置。
2.1.4 结构耐久性 structure durability
在环境作用和正常维护、使用条件下,结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。
2.1.5 一般环境 atmospheric enviroment
无冻融、氯化物和其他化学腐蚀物质作用的混凝土结构或构件的暴露环境。
2.1.6 冻融环境 freeze-thaw environment
混凝土结构或构件经受反复冻融作用的暴露环境。
2.1.7 氯化物环境 chloride environment
混凝土结构或构件受到氯盐侵入作用并引起内部钢筋锈蚀的暴露环境,具体包括海洋氯化物环境和除冰盐等其他氯化物环境。
2.1.8 化学腐蚀环境 chemical environment
混凝土结构或构件受到自然环境中化学物质腐蚀作用的暴露环境,具体包括水、土中化学腐蚀环境和大气污染腐蚀环境。
2.1.9 设计使用年限 design working life
设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。
2.1.10 氯离子扩散系数 chloride diffusion coefficient
表示氯离子在混凝土中从高浓度区向低浓度区扩散速率的参数。
2.1.11 抗冻耐久性指数 durability factor
采用标准试验方法、经规定次数快速冻融循环后混凝土的动弹性模量与初始动弹性模量的比值,通常用百分比表示。
2.1.12 引气 air entrainment
混凝土拌合时用表面活性剂在混凝土中形成均匀、稳定、球形封闭微气泡的工艺措施。
2.1.13 含气量 air content in concrete
混凝土中气泡体积与混凝土总体积的比值,用百分数表示。
2.1.14 气泡间隔系数 spacing factor of air voids
表示硬化混凝土或水泥浆体中相邻气泡边缘之间距离的参数。
2.1.15 维护 maintenance
为维持结构在使用年限内所需性能而采取的各种技术和管理活动。
2.1.16 修复 restore
通过修补、更换或加固,使受到损伤的结构恢复到满足正常使用所进行的活动。
2.1.17 大修 major repair
在一定期限内停止结构的正常使用,需大面积置换结构中的受损混凝土或更换结构主要构件的修复活动。
2.1.18 可修复性 restorability
受到损伤的结构或构件具有能够经济合理地被修复的能力。
2.1.19 胶凝材料 cementitious material,or binder
混凝土原材料中具有胶结作用的水泥和粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺和料的总称。
2.1.20 水胶比 water to binder ratio
单位体积混凝土拌合物中用水量与胶凝材料总量的质量比。
2.1.21 矿物掺和料混凝土 concrete with supplementary cementitious materials
胶凝材料中含有不小于30%的矿物掺和料(含水泥中的混合材)、需要采取较低的水胶比和特殊施工措施的混凝土。
2.1.22 钢筋的混凝土保护层 concrete cover to reinforcement
从混凝土表面到钢筋公称直径外边缘之间的最小距离;对后张法预应力筋,为套管或孔道外边缘到混凝土表面的距离。
2.1.23 防腐蚀附加措施 additional protective measures
在改善混凝土密实性、增加保护层厚度和利用防排水措施等常规手段的基础上,为进一步提高混凝土结构耐久性所采用的补充措施,包括混凝土表面涂层、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂和阴极保护等。
2.1.24 保护年限 protection life
防腐蚀附加措施能够维持对混凝土或钢筋有效保护的年限。
2.1.25 多重防护措施 multiple protective measures
为确保混凝土结构和构件的使用年限而同时采取的多种防腐蚀附加措施。
2.1.26 耐久性再设计 durability redesign
根据结构检测在使用年限内为保持结构耐久性而采取的技术措施和方法。
2.1.27 混凝土结构 concrete structure
以混凝土为主制成的结构,包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构;无筋或不配置受力钢筋的结构为素混凝土结构,钢筋混凝土和预应力混凝土结构在本标准统称为配筋混凝土结构。
# 2.2 符号2.2 符号
c——钢筋的混凝土保护层厚度;
c1——钢筋的混凝土保护层厚度的检测值;
Ca30——强度等级为C30的引气混凝土;
DRCM——用外加电场加速离子迁移的标准试验方法测得的氯离子扩散系数;
DF——混凝土抗冻耐久性指数;
E0——经历冻融循环之前混凝土的初始动弹性模量;
E1——经历冻融循环后混凝土的动弹性模量;
w/b——混凝土的水胶比;
△——混凝土保护层施工允许负偏差的绝对值。
# 3 基本规定 # 3.1 设计原则3 基本规定
3.1 设计原则
3.1.1 混凝土结构的耐久性应根据结构的设计使用年限、结构所处的环境类别和环境作用等级进行设计。
当具有定量的劣化模型时,可按本标准附录A的规定针对耐久性参数和指标进行定量设计;暴露于氯化物环境下的重要混凝土结构,应按附录A规定针对耐久性参数和指标进行定量设计与校核。
3.1.2 混凝土结构的耐久性设计应包括下列内容:
1 确定结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级;
2 采用有利于减轻环境作用的结构形式和布置;
3 规定结构材料的性能与指标;
4 确定钢筋的混凝土保护层厚度;
5 提出混凝土构件裂缝控制与防排水等构造要求;
6 针对严重环境作用采取合理的防腐蚀附加措施或多重防护措施;
7 采用保证耐久性的混凝土成型工艺、提出保护层厚度的施工质量验收要求;
8 提出结构使用阶段的检测、维护与修复要求,包括检测与维护必需的构造与设施;
9 根据使用阶段的检测必要时对结构或构件进行耐久性再设计。
3.1.3 混凝土结构的耐久性设计应建立结构在使用阶段的维护制度。维护制度应以施工结束或竣工验收状态为起点,根据使用周期中结构与构件的劣化规律与使用要求,综合考虑结构全寿命周期的性能与成本,确定合理的维护技术和维护频次。
# 3.2 环境类别和环境作用等级3.2 环境类别和环境作用等级
3.2.1 混凝土结构暴露环境类别应按表3.2.1的规定确定。
表3.2.1环境类别
3.2.2 当结构构件受到多种环境类别共同作用时,应分别针对每种环境类别进行耐久性设计。
3.2.3 配筋混凝土结构的环境作用等级应按表3.2.3的规定确定。
表3.2.3环境作用等级
3.2.4 在长期潮湿或接触水的环境条件下,混凝土结构的耐久性设计应考虑混凝土可能发生的碱-骨料反应、钙矾石延迟生成反应和环境水对混凝土的溶蚀,在设计中采取相应的措施。对混凝土含碱量的限制应根据本标准附录B确定。
3.2.5 混凝土结构的耐久性设计尚应根据结构的实际使用条件,考虑高速流水、风沙以及车轮行驶对混凝土表面的冲刷、磨损等作用对耐久性的影响。
# 3.3 设计使用年限3.3 设计使用年限
3.3.1 混凝土结构的设计使用年限不应低于《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153等相关国家现行标准的规定。
3.3.2 一般环境下的民用建筑在设计使用年限内无需大修,其结构构件的设计使用年限应与结构整体设计使用年限相同。
环境作用等级为D、E、F的桥梁、隧道等混凝土结构,其部分构件可设计成易于更换的形式,或能够经济合理地进行大修。可更换构件的设计使用年限可低于结构整体的设计使用年限,并应在设计文件中明确规定。
# 3.4 材料要求3.4 材料要求
Ⅰ 混凝土
3.4.1 混凝土材料的强度等级、水胶比和原材料组成应根据结构所处的环境类别、环境作用等级和结构设计使用年限确定。
3.4.2 对重要工程或大型工程,应针对具体的环境类别和环境作用等级,分别提出抗冻耐久性指数、氯离子扩散系数等具体量化的耐久性指标。
3.4.3 结构构件的混凝土强度等级应同时满足耐久性和承载能力的要求。
3.4.4 配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级应符合表3.4.4的规定。混凝土强度等级应根据28d或设计规定龄期的立方体抗压强度,并应按现行国家标准《混凝土强度检验评定标准》GB 50107确定。
表3.4.4满足耐久性要求的混凝土最低强度等级
3.4.5 素混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级,一般环境不应低于C15;冻融环境和化学腐蚀环境规定应与本标准表3.4.4相同;氯化物环境可按本标准表3.4.4的Ⅲ-C或Ⅳ-C环境作用等级确定。
3.4.6 预应力构件的混凝土最低强度等级不应低于C40;大截面受压墩柱等普通钢筋混凝土构件,在加大钢筋保护层的前提下其混凝土强度可低于本标准表3.4.4的规定,但不应低于本标准第3.4.5条对素混凝土的规定。
Ⅱ 钢筋
3.4.7 直径为6mm的细直径热轧钢筋作为受力主筋,只限于在一般环境中使用。
3.4.8 预应力筋的公称直径不得小于5mm。冷加工钢筋不应作为预应力筋使用。
3.4.9 同一构件中的受力普通钢筋,宜使用同牌号的钢筋。
3.4.10 使用不同牌号热轧钢筋的混凝土构件,其耐久性设计要求相同。不锈钢钢筋和耐蚀钢筋等具有耐腐蚀性能的钢筋可用于环境作用等级为D、E、F的混凝土构件,其耐久性要求应经专门论证确定。
# 3.5 构造规定3.5 构造规定
3.5.1 不同环境作用下钢筋主筋、箍筋和分布筋,其混凝土保护层厚度应满足钢筋防锈、耐火以及与混凝土之间粘结力传递的要求,且混凝土保护层厚度设计值不得小于钢筋的公称直径。
3.5.2 预应力钢筋的混凝土保护层应符合下列规定:
1 具有连续密封套管的后张预应力筋,混凝土保护层厚度应取本标准规定值与孔道直径的1/2两者的较大值;没有密封套管的后张预应力钢筋,其混凝土保护层厚度应在本标准规定值的基础上增加10mm;
2 先张法构件中预应力钢筋在全预应力状态下的保护层厚度宜与普通钢筋相同,允许开裂构件的预应力筋的保护层厚度应比普通钢筋增加10mm;
3 直径大于16mm的预应力螺纹筋保护层厚度可与普通钢筋相同。
3.5.3 工厂预制的混凝土构件,其普通钢筋和预应力筋的混凝土保护层厚度可比现浇构件减少5mm。
3.5.4 根据耐久性要求,在荷载作用下配筋混凝土构件的表面裂缝最大宽度计算值不应超过表3.5.4中的限值。对裂缝宽度无特殊外观要求的,当保护层设计厚度超过30mm时,可将厚度取为30mm计算裂缝的最大宽度。
表3.5.4表面裂缝计算宽度限值(mm)
续表3.5.4
注:1 括号中的宽度适用于采用钢丝或钢绞线的先张预应力构件;
2 裂缝控制等级为二级或一级时,按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的计算裂缝宽度;部分预应力A类构件或全预应力构件按现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362的计算裂缝宽度。
3.5.5 有自防水要求的混凝土构件,其横向弯曲的表面裂缝计算宽度不应超过0.20mm。
3.5.6 混凝土结构构件的形状和构造应有效地避免水、汽和有害物质在混凝土表面的积聚,并应采取下列构造措施:
1 受雨淋或可能积水的混凝土构件顶面应做成斜面,斜面应消除结构挠度和预应力反拱对排水的影响;
2 受雨淋的室外悬挑构件外侧边下沿,应做滴水槽、鹰嘴等防止雨水淌向构件底面的构造措施;
3 屋面、桥面应专门设置排水系统等防止将水直接排向下部构件混凝土表面的措施;
4 在混凝土结构构件与上覆的露天面层之间,应设置防水层;
5 环境作用等级为D、E、F的混凝土构件,应采取下列减小环境作用的措施:
1)减少混凝土结构构件表面的暴露面积;
2)避免表面的凹凸变化;
3)宜将构件的棱角做成圆角。
3.5.7 可能遭受碰撞的混凝土结构,应设置防止出现碰撞的预警设施和避免碰撞损伤的防护措施。
3.5.8 施工缝、伸缩缝等连接缝的设置宜避开局部环境作用不利的部位,当不能避开不利部位时应采取防护措施。
3.5.9 暴露在混凝土结构构件外的吊环、紧固件、连接件等金属部件,表面应采用防腐措施,具体措施可按现行行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275的规定执行;当环境类别为Ⅲ、Ⅳ时,其防腐范围应为从伸入混凝土内100mm处起至露出混凝土外的所有表面。
3.5.10 后张法预应力体系应按本标准第8章的规定采取多重防护措施。
3.5.11 混凝土结构可采用防腐蚀附加措施来确保构件的设计使用年限,不同环境类别下可采用的防腐蚀附加措施应符合本标准附录C的规定。
# 3.6 施工质量的附加要求3.6 施工质量的附加要求
3.6.1 根据结构所处的环境类别与环境作用等级,混凝土的施工养护应符合表3.6.1的规定。
表3.6.1施工养护制度要求
注:1 表中要求适用于混凝土表面大气温度不低于10℃的情况,否则应延长养护时间;
2 有盐的冻融环境中混凝土施工养护应按Ⅲ、Ⅳ类环境的规定执行;
3 矿物掺和料混凝土在Ⅰ-A环境中用于永久浸没于水中的构件。
3.6.2 处于Ⅰ-A,Ⅰ-B环境下的混凝土结构构件,其保护层厚度施工质量验收要求应按现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204的规定执行。
3.6.3 环境作用等级为C、D、E、F的混凝土结构构件,保护层厚度的施工质量验收应符合下列规定:
1 对选定的每一配筋构件,选择有代表性的最外侧钢筋8根~16根进行混凝土保护层厚度的无破损检测;对每根钢筋,应选取3个代表性部位测量。
2 当同一构件所有测点有95%或以上的实测保护层厚度c1满足下式要求时,则应认为合格:
c1≥c-△ (3.6.3)
式中:c——保护层设计厚度;
△——保护层施工允许负偏差的绝对值,对梁、柱等条形构件取10mm,板、墙等面形构件取5mm。
3 不能满足第2款的要求时,可增加同样数量的测点进行检测,按两次测点的全部数据进行统计;仍不能满足第2款要求的,则判定为不合格,并应要求采取相应的补救措施。
# 4 一般环境 # 4.1 一般规定4 一般环境
4.1 一般规定
4.1.1 一般环境下混凝土结构的耐久性设计,应控制正常大气作用引起的内部钢筋锈蚀。
4.1.2 当混凝土结构构件同时承受其他环境作用时,应按环境作用等级较高的有关要求进行耐久性设计。
4.1.3 一般环境下混凝土结构的构造要求除应符合本章规定外,尚应符合本标准第3.5节的规定。
4.1.4 一般环境下混凝土结构施工质量控制应按照本标准第3.6节的规定执行。
# 4.2 环境作用等级4.2 环境作用等级
4.2.1 一般环境对配筋混凝土结构的环境作用等级应按表4.2.1的规定确定。
表4.2.1一般环境的作用等级
续表4.2.1
注:1 环境条件系指混凝土表面的局部环境;
2 干燥、低湿度环境指年平均湿度低于60%,中、高湿度环境指年平均湿度大于60%;
3 干湿交替指混凝土表面经常交替接触到大气和水的环境条件。
4.2.2 配筋混凝土墙、板构件的一侧表面接触室内干燥空气、另一侧表面接触水或湿润土体时,接触空气一侧的环境作用宜确定为Ⅰ-C等级。
# 4.3 材料与保护层厚度4.3 材料与保护层厚度
4.3.1 一般环境中的配筋混凝土结构构件,其普通钢筋的保护层最小厚度与相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表4.3.1的要求。
表4.3.1一般环境中混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c(mm)
续表4.3.1
注:1 Ⅰ-A环境中使用年限低于100年的板、墙,当混凝土骨料最大公称粒径不大于15mm时,保护层最小厚度可降为15mm,但最大水胶比不应大于0.55;
2 处于年平均气温大于20℃且年平均湿度高于75%环境中的构件,除Ⅰ-A环境中的板、墙外,混凝土最低强度等级应比表中规定提高一级,或将钢筋的保护层最小厚度增加5mm;
3 预制构件的保护层厚度可比表中规定减少5mm;
4 预应力钢筋的保护层厚度按照本标准3.5.2条的规定执行。
4.3.2 当胶凝材料中粉煤灰和矿渣等矿物掺和料掺量小于20%时,混凝土水胶比按本标准表4.3.1规定低于0.45的,可适当增加。
4.3.3 长期浸没水中的地下结构构件,设计使用年限为100年时,混凝土强度等级不宜低于C35。
4.3.4 大截面混凝土墩柱在加大钢筋的混凝土保护层厚度的前提下,其混凝土强度等级可低于本标准表4.3.1中的要求,但降低幅度不应超过两个强度等级,且设计使用年限为100年和50年的构件,其强度等级不应低于C25和C20。
当采用的混凝土强度等级比本标准表4.3.1的规定低一个等级时,混凝土保护层厚度应增加5mm;当低两个等级时,混凝土保护层厚度应增加10mm。
4.3.5 直径为6mm的细直径热轧钢筋作为受力主筋,当环境作用等级为轻微(Ⅰ-A)和轻度(Ⅰ-B)时,构件的设计使用年限不得超过50年;当环境作用等级为中度(Ⅰ-C)时,设计使用年限不得超过30年。
4.3.6 公称直径不大于6mm的冷加工钢筋只能在一般环境中的Ⅰ-A、Ⅰ-B等级下作为受力钢筋使用,且构件的设计使用年限不得超过50年。
4.3.7 采用冷加工钢筋或直径6mm的细直径热轧钢筋作为构件的主要受力钢筋时,应在本标准表4.3.1规定的基础上将混凝土强度提高一个等级,或将钢筋的混凝土保护层厚度增加5mm。
# 4.4 构造与措施4.4 构造与措施
4.4.1 在Ⅰ-A、Ⅰ-B环境中的室内混凝土结构构件,考虑建筑饰面对于钢筋防锈的有利作用时,其混凝土保护层最小厚度则可比本标准表4.3.1规定适当减小,但减小幅度不应超过10mm;在任何情况下板、墙等面形构件的最外侧钢筋保护层厚度不应小于10mm;梁、柱等条形构件最外侧钢筋的保护层厚度不应小于15mm。
在Ⅰ-C环境中频繁遭遇雨淋的室外混凝土结构构件,考虑防水饰面的保护作用时,其混凝土保护层最小厚度则可比本标准表4.3.1规定适当减小,但不应低于Ⅰ-B环境的要求。
4.4.2 直接接触土体浇筑的构件,其钢筋的混凝土保护层厚度不应小于70mm;当采用混凝土垫层时,其保护层厚度可按本标准表4.3.1确定。
4.4.3 一般环境中混凝土构件采用的防腐蚀附加措施,可按本标准附录C的规定选取;当采取的防腐蚀附加措施符合本标准附录C规定的保护年限时,构件的混凝土强度可降低一个等级,但不应低于本标准表4.3.1对Ⅰ-A环境的要求。
4.4.4 受到高速气流、水流影响或受到风沙、泥沙冲刷、人员活动、车辆行驶等磨损影响的构件,其钢筋的保护层厚度宜在本标准表4.3.1规定的基础上增加10mm~20mm;设计使用年限达到100年的地下结构和构件,其迎水面的钢筋保护层厚度不应小于50mm。
4.4.5 一般环境中混凝土结构应采取裂缝控制措施,房屋建筑应按现行行业标准《建筑工程裂缝防治技术规程》JGJ/T 317的规定执行。
# 5 冻融环境 # 5.1 一般规定5 冻融环境
5.1 一般规定
5.1.1 冻融环境下混凝土结构的耐久性设计,应控制混凝土遭受长期冻融循环作用引起的损伤。
5.1.2 长期与水体直接接触并会发生冻融循环的混凝土结构构件,应考虑冻融作用。
5.1.3 冻融环境下混凝土结构的构造要求除应符合本章规定外,尚应符合本标准第3.5节的规定。
5.1.4 冻融环境下混凝土结构的施工质量控制应按本标准第3.6节的规定执行;且混凝土构件在施工养护结束至初次受冻的时间不得少于一个月并避免与水接触。冬期施工中混凝土接触负温时的强度应大于10N/mm2。
# 5.2 环境作用等级5.2 环境作用等级
5.2.1 冻融环境对混凝土结构的环境作用等级应按表5.2.1确定。
表5.2.1冻融环境的作用等级
续表5.2.1
注:1 冻融环境按最冷月平均气温划分为微冻地区、寒冷地区和严寒地区,其平均气温分别为:-3℃~2.5℃、-8℃~-3℃和-8℃以下;
2 中度饱水指冰冻前处于潮湿状态或偶与雨、水等接触,混凝土内饱水程度不高;高度饱水指冰冻前长期或频繁接触水或湿润土体,混凝土内高度水饱和;
3 无盐或有盐指冻结的水中是否含有盐类,包括海水中的氯盐、除冰盐和有机类融雪剂或其他盐类。
5.2.2 处于冻融环境、海水变动区的混凝土构件,其环境作用等级应根据当地调查确定。无调查资料时,微冻地区可按Ⅱ-C等级考虑,寒冷和严寒地区可按Ⅱ-D等级考虑;考虑浮冰撞击对构件的影响,可将环境作用等级提高一个等级。
5.2.3 位于冰冻线以上土中的混凝土结构构件,其环境作用等级应根据当地实际和经验确定;无调查资料或经验数据时,环境作用等级可按本标准表5.2.1的规定降低一个等级。
5.2.4 直接接触积雪的混凝土墙、柱底部,宜适当提高环境作用等级,可比表5.2.1的规定提高一个等级。
5.2.5 最冷月平均气温高于2.5℃的地区,混凝土结构可不考虑冻融环境作用。在极端天气条件下,可能偶然遭受冻融作用的混凝土构件,其环境作用等级可按本标准表5.2.1的Ⅱ-C等级确定。
# 5.3 材料与保护层厚度5.3 材料与保护层厚度
5.3.1 在冻融环境下,混凝土原材料的选用应符合本标准附录B的规定。环境作用等级为Ⅱ-D和Ⅱ-E的混凝土结构构件应采用引气混凝土,引气混凝土的含气量与气泡间隔系数应符合本标准附录D的规定。
5.3.2 冻融环境中的配筋混凝土结构构件,其普通钢筋的混凝土保护层最小厚度与相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表5.3.2的规定。其中,有盐冻融环境中钢筋的混凝土保护层最小厚度,应按氯化物环境的有关规定执行。
表5.3.2冻融环境中混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c(mm)
注:1 采取表面防水处理的附加措施时,可降低大体积混凝土对最低强度等级和最大水胶比的抗冻要求;
2 预制构件的保护层厚度可比表中规定减少5mm;
3 预应力钢筋的保护层厚度按照本标准3.5.2条的规定执行。
5.3.3 重要工程和大型工程,混凝土的抗冻耐久性指数不应低于表5.3.3的规定。
表5.3.3混凝土的抗冻耐久性指数DF(%)
注:1 抗冻耐久性指数为混凝土试件经300次快速冻融循环后混凝土的动弹性模量E1与其初始值E0的比值,DF=100×E1/E0;在达到300次循环之前E1已降至初始值的60%或试件重量损失已达到5%的试件,以此时的循环次数N计算其DF值,DF=0.6×N/300×100;
2 对于厚度小于150mm的薄壁混凝土构件,其DF值宜增加5%。
# 5.4 构造与措施5.4 构造与措施
5.4.1 冻融环境中混凝土结构的薄壁构件,宜增加构件厚度或采取有效的防腐蚀附加措施。
5.4.2 直接接触积雪的混凝土墙、柱底部,宜设置表面防护措施。
5.4.3 冻融环境中混凝土构件采用的防腐蚀附加措施,可按本标准附录C的规定选取;当采取的防腐蚀附加措施符合本标准附录C规定的保护年限时,构件的混凝土强度可降低一级,但不应低于表5.3.2对Ⅱ-C等级的规定。
# 6 氯化物环境 # 6.1 一般规定6 氯化物环境
6.1 一般规定
6.1.1 氯化物环境中配筋混凝土结构的耐久性设计,应控制氯离子引起的钢筋锈蚀。
6.1.2 海洋和近海地区接触海水氯化物的配筋混凝土结构构件,应按海洋氯化物环境进行耐久性设计。
6.1.3 具有下列环境条件的配筋混凝土结构构件,应按除冰盐等其他氯化物环境进行耐久性设计:
1 降雪地区接触除冰盐或盐雾的桥梁、隧道、停车库、道路周围构筑物等的构件;
2 内陆地区接触含有氯盐的地下水、土的构件;
3 频繁接触含氯盐消毒剂的构件。
6.1.4 氯化物环境作用等级为E、F的配筋混凝土结构,应在耐久性设计中提出结构使用过程中定期检测的要求。重要工程尚应在设计阶段作出定期检测的详细规划,并设置专供检测取样用的构件。
6.1.5 氯盐环境下混凝土结构的构造要求除应符合本章规定外,尚应符合本标准第3.5节的规定。
6.1.6 氯化物环境中混凝土结构施工质量控制应按照本标准第3.6节的规定执行。
# 6.2 环境作用等级6.2 环境作用等级
Ⅰ 海洋氯化物环境
6.2.1 海洋氯化物环境对配筋混凝土结构构件的环境作用等级,应按表6.2.1确定。
表6.2.1海洋氯化物环境的作用等级
注:1 近海或海洋环境中的水下区、潮汐区、浪溅区和大气区的划分,按现行行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275的规定确定。近海或海洋环境的土中区指海底以下或近海的陆区地下,其地下水中的盐类成分与海水相近。
2 轻度盐雾区与重度盐雾区界限的划分,宜根据当地的具体环境和既有工程调查确定。靠近海岸的陆上建筑物,盐雾对室外混凝土构件的作用尚应考虑风向、地貌等因素。密集建筑群,除直接面海和迎风的建筑物外,其他建筑物可适当降低作用等级。
3 炎热地区指年平均温度高于20℃的地区。
6.2.2 受到海水激流和海砂冲刷的混凝土构件,其环境作用等级宜按本标准表6.2.1的规定提高一级。
6.2.3 一侧接触海水或含有海水土体、另一侧接触空气的海中或海底隧道配筋混凝土结构构件,其环境作用等级不宜低于Ⅲ-E。
6.2.4 江河入海口水域和内陆盐湖的含盐量应根据实测确定。当含盐量明显低于海水时,其环境作用等级可根据具体情况低于本标准表6.2.1的规定。
Ⅱ 除冰盐等其他氯化物环境
6.2.5 除冰盐等其他氯化物环境对于配筋混凝土结构构件的环境作用等级宜根据调查确定;当无相应的调查资料时,可按表6.2.5确定。
表6.2.5除冰盐等其他氯化物环境的作用等级
注:1 水中氯离子浓度的划分为:较低,100mg/L~500mg/L;较高,500mg/L~5000mg/L;高,大于5000mg/L;
2 土中氯离子浓度的划分为:较低,150mg/kg~750mg/kg;较高,750mg/kg~7500mg/kg;高,大于7500mg/kg;
3 除冰盐环境的作用等级与冬季喷洒除冰盐的具体用量和频度有关,可根据具体情况作出调整。
6.2.6 接触内陆盐湖的配筋混凝土结构构件,其大气区的环境作用等级可按本标准表6.2.1和第6.2.4条的规定确定,其接触含氯盐水体的环境作用等级可根据实际含盐量按本标准表6.2.5的规定确定。
6.2.7 设置直排式泄水孔的混凝土桥梁翼缘板,当其泄水孔附近受到除冰盐作用时环境作用等级宜确定为Ⅳ-D。
# 6.3 材料与保护层厚度6.3 材料与保护层厚度
6.3.1 氯化物环境中应采用掺有矿物掺和料的混凝土。对混凝土的耐久性质量和原材料选用要求应符合本标准附录B的规定。
6.3.2 氯化物环境中的配筋混凝土结构构件,其普通钢筋的保护层最小厚度及其相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表6.3.2的规定。
表6.3.2氯化物环境中混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c(mm)
续表6.3.2
注:1 当满足本标准表6.3.6中规定的扩散系数时,C50和C55混凝土所对应的最大水胶比可分别提高到0.40和0.38;
2 预制构件的保护层厚度可比表中规定减少5mm;
3 预应力钢筋的保护层厚度按照本标准3.5.2条的规定执行。
6.3.3 海洋氯化物环境作用等级为Ⅲ-E和Ⅲ-F的配筋混凝土,宜采用矿物掺和料混凝土,否则应提高表6.3.2中的混凝土强度等级或增加钢筋的保护层最小厚度。
6.3.4 海水冰冻环境与除冰盐环境宜采用引气混凝土。当采用引气混凝土时,本标准表6.3.2中混凝土强度等级可降低一个等级,但引气混凝土的强度等级和最大水胶比仍应符合本标准表5.3.2的规定。
6.3.5 对大截面柱、墩等配筋混凝土受压构件中的钢筋,宜采用较大的混凝土保护层厚度,且相应的混凝土强度等级不宜降低。
6.3.6 对于氯化物环境中的重要配筋混凝土结构工程,设计时应提出混凝土的抗氯离子侵入性指标,并应满足表6.3.6的要求。
表6.3.6混凝土的抗氯离子侵入性指标
注:1 表中的混凝土抗氯离子侵入性指标与本标准表6.3.2中规定的混凝土保护层厚度相对应,实际采用的保护层厚度高于表6.3.2的规定时,可对表中数据作适当调整;
2 表中的DRCM值适用于矿物掺和料混凝土,对于胶凝材料主要成分为硅酸盐水泥的混凝土,应采取更为严格的要求。
# 6.4 构造与措施6.4 构造与措施
6.4.1 氯化物环境中配筋混凝土桥梁结构的构造要求应符合下列规定:
1 遭受氯盐腐蚀的混凝土桥面、墩柱顶面和车库楼面等部位应设置排水坡;
2 遭受雨淋的桥面结构,应防止雨水流到底面或下部结构构件表面;
3 桥面排水管道应采用非钢质或球墨铸铁等耐腐蚀材料,排水口应远离混凝土构件表面,并应与墩柱基础保持一定距离;
4 桥面铺装与混凝土桥面板之间应设置防水层;
5 应优先采用混凝土预制构件;
6 海水水位变动区和浪溅区,不宜设置施工缝与连接缝;
7 伸缩缝及附近部位的混凝土宜局部采取防腐蚀附加措施,处于伸缩缝下方的构件应采取防止渗漏水侵蚀的构造措施。
6.4.2 氯化物环境中钢筋混凝土结构构件的纵向受力钢筋直径不应小于16mm。
6.4.3 处于流动海水中或同时受水中泥沙冲刷的配筋混凝土构件,其钢筋的混凝土保护层厚度应在本标准表6.3.2规定的基础上增加10mm~20mm。
6.4.4 混凝土表面的防水层除经专门论证,不应考虑其对氯化物的阻隔作用。
6.4.5 受氯化物直接作用的混凝土墩柱顶面,宜加大钢筋的混凝土保护层厚度或采用防腐蚀附加措施。
6.4.6 重要配筋混凝土结构的构件,当氯化物环境作用等级为E、F级时应采用防腐蚀附加措施。
6.4.7 氯盐环境中混凝土构件采用的防腐蚀附加措施,可按本标准附录C的规定选取;当防腐蚀附加措施的保护年限符合本标准附录C的规定时,构件的混凝土强度等级可降低,但应符合下列规定:
1 当环境作用等级为C、D时,采用一种或以上的防腐蚀附加措施,混凝土强度可降低一个等级,但不应低于C40。
2 当环境作用等级为E、F时,采用一种防腐蚀附加措施,混凝土强度等级不得降低;采用两种附加措施后,混凝土强度可降低一个等级,但不应低于C45。
6.4.8 氯化物环境中,用于稳定周围岩土的混凝土初期支护,作为永久结构考虑则应满足相应的耐久性要求;否则不应考虑其中的钢筋和型钢在永久承载中的作用。
# 7 化学腐蚀环境 # 7.1 一般规定7 化学腐蚀环境
7.1 一般规定
7.1.1 化学腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计,应控制混凝土遭受化学腐蚀性物质长期侵蚀引起的损伤。
7.1.2 化学腐蚀环境下混凝土结构的构造要求除应符合本章规定外,尚应符合本标准第3.5节的规定。
7.1.3 化学腐蚀环境下混凝土结构的施工质量控制应按照本标准第3.6节的规定执行。
# 7.2 环境作用等级7.2 环境作用等级
Ⅰ 水、土中化学腐蚀环境
7.2.1 水、土中的硫酸盐和酸类物质对混凝土结构构件的环境作用等级可按表7.2.1确定。
表7.2.1水、土中硫酸盐和酸类物质环境作用等级
注:1 表中与环境作用等级相应的硫酸根浓度,所对应的环境条件为非干旱高寒地区的干湿交替环境。当无干湿交替(长期浸没于地表或地下水中)时,可按表中的等级降低一级,但不得低于Ⅴ-C级。对于干早、高寒地区的环境条件可按本标准第7.2.3条确定。
2 当混凝土结构件处于弱透水土体中时,土中硫酸根离子、水中镁离子、水中侵蚀性二氧化碳及水的pH值的作用等级可按相应的等级降低一级,但不低于Ⅴ-C级。
3 高水压流动水条件下,应提高相应的环境作用等级。
4 表中硫酸根等含量的测定方法应符合本标准附录E的规定。
7.2.2 当有多种化学物质共同作用时,环境作用等级应按下列原则确定:
1 对含有较高浓度氯盐的地下水、土且不存在干湿交替作用时,可不单独考虑硫酸盐的作用;
2 当化学物质的腐蚀作用无叠加效应时,应取其中最高的环境作用等级;
3 当其中有两种及以上化学物质的作用等级相同且可能加重化学腐蚀时,其环境作用等级应再提高一级。
7.2.3 部分接触含硫酸盐的水、土而部分暴露于大气中的混凝土结构构件,可按本标准表7.2.1确定环境作用等级。当混凝土结构构件处于干旱、高寒地区,其环境作用等级应按表7.2.3确定。
表7.2.3干旱、高寒地区硫酸盐环境作用等级
注:我国干旱区指干燥度系数大于2.0的地区,高寒地区指海拔3000m以上的地区。
Ⅱ 大气污染腐蚀环境
7.2.4 大气污染环境对混凝土结构构件的作用等级可按表7.2.4确定。
表7.2.4大气污染环境作用等级
7.2.5 处于含盐大气中的混凝土结构构件环境作用等级可按Ⅴ-C级确定,对气候常年湿润的环境,可不考虑其环境作用。
7.2.6 污水管道、厩舍、化粪池等接触硫化氢气体或其他腐蚀性液体的混凝土结构构件,可将环境作用确定为Ⅴ-E级,当作用程度较轻时也可按Ⅴ-D级确定。
# 7.3 材料与保护层厚度7.3 材料与保护层厚度
7.3.1 化学腐蚀环境下的混凝土不宜单独使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,其原材料组成应根据环境类别和作用等级按本标准附录B确定。
7.3.2 水、土中的化学腐蚀环境、大气污染环境和含盐大气环境中的配筋混凝土结构构件,其普通钢筋的混凝土保护层最小厚度及相应的混凝土强度等级、最大水胶比应按表7.3.2确定。
表7.3.2化学腐蚀环境下混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c(mm)
注:1 预制构件的保护层厚度可比表中规定减少5mm;
2 预应力钢筋的保护层厚度按本标准3.5.2条的规定执行。
7.3.3 水、土中的化学腐蚀环境、大气污染环境和含盐大气环境中的素混凝土结构构件,其混凝土的最低强度等级和最大水胶比应与配筋混凝土结构构件相同。
7.3.4 在干旱、高寒硫酸盐环境和含盐大气环境中的混凝土结构,宜采用引气混凝土,引气要求可按冻融环境中度饱水条件下的规定确定,引气后混凝土强度等级可按本标准表7.3.2的规定降低一级或两级。
# 7.4 构造与措施7.4 构造与措施
7.4.1 严重化学腐蚀环境下的混凝土结构构件,应结合对当地环境和既有建筑物的调查,在混凝土表面加设防腐蚀附加措施或加大混凝土构件的截面尺寸。对于配筋混凝土结构薄壁构件宜增加其厚度。
7.4.2 当混凝土结构构件处于硫酸根离子浓度大于1500mg/L的流动水或pH值小于3.5的水中时,应在混凝土表面采取专门的防腐蚀附加措施。
7.4.3 化学腐蚀环境中混凝土构件采用的防腐蚀附加措施,可按本标准附录C的规定选取;当采取的防腐蚀附加措施符合本标准附录C规定的保护年限时,构件的混凝土强度可降低一个等级,但不应低于本标准表7.3.2对Ⅴ-C环境的规定。
# 8 后张预应力体系的耐久性要求 # 8.1 一般规定8 后张预应力体系的耐久性要求
8.1 一般规定
8.1.1 后张预应力混凝土结构除应满足钢筋混凝土结构的耐久性要求外,尚应根据结构所处环境类别和作用等级对预应力体系采取相应的多重防护措施。
8.1.2 在严重环境作用下,当难以确保预应力体系的耐久性达到结构整体的设计使用年限时,应采用可更换的预应力体系。
# 8.2 预应力筋的防护8.2 预应力筋的防护
8.2.1 预应力筋(钢绞线、钢丝)的耐久性能可通过材料表面处理、预应力套管、预应力套管填充、混凝土保护层和结构构造措施等环节提供保证。预应力筋的耐久性防护措施应按表8.2.1的规定选用。
表8.2.1预应力筋的耐久性防护措施
注:1 预应力筋钢材质量需要符合国家现行标准《预应力混凝土用钢丝》GB/T 5223、《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224与《预应力钢丝及钢绞线用热轧盘条》YB/T 146的技术规定;
2 金属套管仅可用于体内预应力体系,其使用应符合本标准第8.4.1条的规定。
8.2.2 不同环境作用等级下,预应力筋的多重防护措施可根据具体情况按表8.2.2的规定选用。
表8.2.2预应力筋的多重防护措施
# 8.3 锚固端的防护8.3 锚固端的防护
8.3.1 预应力锚固端的耐久性应通过锚头组件材料、锚头封罩、封罩填充、锚固区封填和混凝土表面处理等环节提供保证。锚固端的防护工艺和措施应按表8.3.1的规定选用。
表8.3.1预应力锚固端耐久性防护工艺与措施
续表8.3.1
注:1 锚具组件材料需要符合国家现行标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T 14370、《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ 85的技术规定;
2 锚固端封端层的细石混凝土材料应符合本标准第8.4.4条的规定。
8.3.2 不同环境作用等级下,预应力锚固端的多重防护措施可根据具体情况按表8.3.2的规定选用。
表8.3.2预应力锚固端的多重防护措施
# 8.4 构造与施工质量的附加要求8.4 构造与施工质量的附加要求
8.4.1 当环境作用等级为D,E,F时,后张预应力体系中的管道应采用高密度聚乙烯套管或聚丙烯塑料套管;分节段施工的预应力桥梁结构,节段间的体内预应力套管不应使用金属套管。
8.4.2 高密度聚乙烯和聚丙烯预应力套管应能承受不小于1N/mm2的内压力。采用体内预应力体系时,套管的厚度不应小于2mm;采用体外预应力体系时,套管的厚度不应小于4mm。
8.4.3 用水泥基浆体填充后张预应力管道时,应控制浆体的流动度、泌水率、体积稳定性和强度等指标。
在冬期施工环境中灌浆,灌入的浆料必须在10℃~15℃环境温度中至少保存24h。
8.4.4 后张预应力体系的锚固端应采用无收缩高性能细石混凝土封锚,其水胶比不得大于本体混凝土的水胶比,且不应大于0.4;保护层厚度不应小于50mm,且在氯化物环境中不应小于80mm。
8.4.5 位于桥梁梁端的后张预应力锚固端,应设置专门的排水沟和滴水沿;现浇节段间的锚固端,应在相邻两节梁体施工完成、混凝土硬化干燥后,在梁体顶板表面施工缝两侧各250mm范围内涂刷防水层;预制节段间的锚固端除应在梁体上表面涂刷防水涂层外,尚应在预制节段间涂刷或填充环氧树脂。
# 附录A 混凝土结构耐久性设计的定量方法附录A 混凝土结构耐久性设计的定量方法
A.0.1 混凝土结构的耐久性定量设计应针对具体环境作用下的性能劣化过程,确保结构和构件在使用年限内达到预期的性能要求。使用年限大于50年的重要工程,其混凝土结构的耐久性设计宜采用定量方法。
A.0.2 混凝土结构耐久性定量设计应明确结构和构件的性能劣化规律、耐久性极限状态以及设计使用年限。用于定量设计的劣化模型应能够得到环境作用和结构与构件性能劣化抗力之间的关系。
定量设计使用劣化模型,应针对确定的极限状态和设计使用年限,确定与结构和构件性能劣化抗力直接相关的材料与结构参数,并应充分考虑环境作用和性能劣化影响因素的不确定性,使设计参数具有一定保证率。
A.0.3 结构构件性能劣化的耐久性极限状态应按正常使用极限状态考虑,且不应损害到结构的承载能力和可修复性要求。混凝土结构和构件的耐久性极限状态可分为下列三种:
1 钢筋开始锈蚀的极限状态;
2 钢筋适量锈蚀的极限状态;
3 混凝土表面轻微损伤的极限状态。
A.0.4 钢筋开始锈蚀的极限状态应为大气作用下钢筋表面脱钝或氯离子侵入混凝土内部并在钢筋表面积累的浓度达到临界浓度。
设计使用年限50年以上的混凝土结构主要构件以及使用期难以维护的混凝土构件,宜采用钢筋开始锈蚀的极限状态。
对锈蚀敏感的预应力钢筋、冷加工钢筋或直径不大于6mm的普通热轧钢筋作为受力主筋时,应以钢筋开始锈蚀作为极限状态。
A.0.5 钢筋适量锈蚀的极限状态应为钢筋锈蚀发展导致混凝土构件表面开始出现顺筋裂缝,或钢筋截面的径向锈蚀深度达到0.1mm。混凝土结构中的可维护构件,可采用钢筋适量锈蚀的极限状态。
A.0.6 混凝土表面轻微损伤的极限状态应为不影响结构外观、不明显损害构件的承载力和表层混凝土对钢筋的保护。
A.0.7 与耐久性极限状态相对应的结构设计使用年限应具有规定的保证率,并应满足正常使用极限状态的可靠度要求。根据正常使用极限状态失效后果的严重程度,可靠度宜为90%~95%,相应的失效概率宜为5%~10%。
A.0.8 混凝土结构耐久性定量设计的性能劣化模型,其有效性应经过验证并应具有可靠的工程应用。环境作用和作用效应参数应依据工程环境条件取值,性能劣化的材料抗力参数应能通过可靠的试验方法确定,劣化模型应考虑混凝土材料配合比和施工方法对劣化规律的影响。
耐久性定量设计结果对设计使用年限的保证率应符合本标准第A.0.7条的规定。
A.0.9 氯离子侵入混凝土内部的过程,可采用经验扩散模型。模型所选用的混凝土表面氯离子浓度、氯离子扩散系数、钢筋锈蚀的临界氯离子浓度等参数的取值应有可靠的依据。其中,表面氯离子浓度和扩散系数应为其表观值,氯离子扩散系数、钢筋锈蚀的临界浓度等参数尚应考虑混凝土材料的组成特性、混凝土构件使用环境的温、湿度等因素的影响。
A.0.10 结构和构件性能劣化的材料抗力参数,在施工中应通过简单、可靠的方法加以控制,确保达到设计的使用年限;对于环境作用与抗力参数的不确定性以及劣化规律的模型误差,应通过结构使用期间的长期监测和再设计来逐步校准和消除。
# 附录B 混凝土原材料的选用 # B.1 混凝土胶凝材料附录B 混凝土原材料的选用
B.1 混凝土胶凝材料
B.1.1 单位体积混凝土的胶凝材料用量宜符合表B.1.1的规定。
表B.1.1单位体积混凝土的胶凝材料用量
注:1 表中数据适用于最大骨料粒径为20mm的情况,骨料粒径较大时宜适当降低胶凝材料用量,骨料粒径较小时可适当增加胶凝材料用量;
2 引气混凝土的胶凝材料用量与非引气混凝土要求相同;
3 当胶凝材料的矿物掺和料掺量大于20%时,最大水胶比不应大于0.45。
B.1.2 配筋混凝土的胶凝材料中,矿物掺和料用量占胶凝材料总量的比值应根据环境类别与作用等级、混凝土水胶比、钢筋的混凝土保护层厚度以及混凝土施工养护期限等因素综合确定,并应符合下列规定:
1 长期处于室内干燥Ⅰ-A环境中的混凝土结构构件,当其钢筋(包括最外侧的箍筋、分布钢筋)的混凝土保护层厚度不超过20mm且水胶比大于0.5时,无防止碳化措施不应使用矿物掺和料或粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥;长期湿润Ⅰ-A环境中的混凝土结构构件,可采用矿物掺和料,且厚度较大的构件宜采用矿物掺和料混凝土。
2 Ⅰ-B、Ⅰ-C环境和Ⅱ-C、Ⅱ-D,Ⅱ-E环境中的混凝土结构构件,可使用少量矿物掺和料,并可随水胶比的降低适当增加矿物掺和料用量。当混凝土的水胶比w/b≥0.45时,不宜使用矿物掺和料混凝土。
3 氯化物环境和化学腐蚀环境中的混凝土结构构件,应采用矿物掺和料混凝土,Ⅲ-D、Ⅳ-D、Ⅲ-E、Ⅳ-E、Ⅲ-F环境中的混凝土结构构件,应采用水胶比w/b≤0.4的矿物掺和料混凝土,且宜在矿物掺和料中再加入胶凝材料总重3%~5%的硅灰。
4 常温下硬化、C60以上的高强混凝土,可掺入不大于10%的石灰石粉或不大于5%的硅灰,以减小拌合物黏性,并提高拌合物的抗离析性。
B.1.3 用作矿物掺和料的粉煤灰,其氧化钙含量不应大于10%。
B.1.4 冻融环境下用于引气混凝土的粉煤灰掺和料,其烧失量不应大于5%。
B.1.5 氯化物环境下不宜使用抗硫酸盐硅酸盐水泥。
B.1.6 在硫酸盐化学腐蚀环境中,当环境作用为Ⅴ-C和Ⅴ-D级时,水泥熟料中的铝酸三钙含量应分别低于8%和5%;当使用矿物掺和料混凝土时,水泥熟料中的铝酸三钙含量应分别不大于10%和8%;当环境作用为Ⅴ-E级时,水泥熟料中的铝酸三钙含量应低于5%,并应同时掺用矿物掺和料。
在硫酸盐环境中使用抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥时,宜掺用矿物掺和料。当环境作用等级超过Ⅴ-E级时,应根据当地的大气环境和地下水变动条件,进行专门实验研究和论证后确定水泥的种类和掺和料用量,且不应使用高钙粉煤灰。
温度低于15℃的硫酸盐环境中,水泥和矿物掺和料不得加入石灰石粉。
B.1.7 对可能发生碱-骨料反应的混凝土,宜采用矿物掺和料;单掺的矿物掺和料(含水泥中已掺混合材)掺量占胶凝材料总重的比例,磨细矿渣不应小于50%,粉煤灰不应小于10%,火山灰质材料不应小于30%,并应降低水泥和矿物掺和料中的含碱量和粉煤灰中的氧化钙含量。胶凝材料的其他技术要求可按现行国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T 50733的规定执行。
# B.2 混凝土中氯离子、三氧化硫和碱含量B.2 混凝土中氯离子、三氧化硫和碱含量
B.2.1 配筋混凝土中氯离子含量用单位体积混凝土中氯离子与胶凝材料的重量比表示,其含量不应超过表B.2.1的规定。设计使用年限50年以上的钢筋混凝土构件,其混凝土氯离子含量在各种环境下均不应超过0.08%。
表B.2.1混凝土中氯离子的最大含量
B.2.2 混凝土中不得使用含有氯化物的防冻剂和其他外加剂。
B.2.3 单位体积混凝土中三氧化硫的最大含量不应超过胶凝材料总量的4%。
B.2.4 单位体积混凝土中的含碱量应符合下列规定:
1 对骨料无活性且处于相对湿度低于75%环境条件下的混凝土构件,含碱量不应超过3.5kg/m3,当设计使用年限为100年时,混凝土的含碱量不应超过3kg/m3。
2 对骨料无活性但处于相对湿度不低于75%环境条件下的混凝土结构构件,含碱量不超过3kg/m3。
3 对骨料有活性且处于相对湿度不低于75%环境条件下的混凝土结构构件,应严格控制混凝土含碱量不超过3kg/m3并掺加矿物掺和料。
# B.3 混凝土骨料B.3 混凝土骨料
B.3.1 配筋混凝土中的骨料最大公称粒径应满足表B.3.1的规定。
表B.3.1配筋混凝土中骨料最大公称粒径(mm)
B.3.2 混凝土骨料应满足骨料级配和粒形的要求,石子宜采用单粒级两级配或三级配,分级投料;级配后的骨料松堆空隙率不应大于43%。
B.3.3 混凝土用砂在开采、运输、堆放和使用过程中,应采取防止遭受海水污染或混用不合格海砂的措施。
砂的密度应在饱和面干状态下检测,理论配合比中砂的用量以饱和面干质量计。
# 附录C 混凝土结构防腐蚀附加措施附录C 混凝土结构防腐蚀附加措施
C.0.1 混凝土结构的防腐蚀附加措施应根据环境作用和条件、施工条件、便于维护以及全寿命成本等因素综合考虑。
C.0.2 混凝土结构附加防腐蚀措施的选择可按表C.0.2的规定选用。
表C.0.2混凝土结构防腐蚀附加措施
C.0.3 防腐蚀附加措施的最低保护年限应符合表C.0.3的要求,各种措施的材料品质与具体技术要求应符合现行行业标准《水运工程结构耐久性设计标准》JTS 153的规定。
表C.0.3混凝土结构防腐蚀附加措施的保护年限
C.0.4 混凝土结构采用其他附加防腐蚀措施时,应经过专门的技术论证,证明其抵抗环境腐蚀介质侵蚀的能力。
# 附录D 引气混凝土的含气量与气泡间隔系数附录D 引气混凝土的含气量与气泡间隔系数
D.0.1 引气混凝土含气量与平均气泡间隔系数应符合表D.0.1的规定。
表D.0.1引气混凝土含气量(%)和平均气泡间隔系数
注:1 含气量从浇筑或入模前的新拌混凝土中取样用含气量测定仪(气压法)测定,允许绝对误差为±1.0%,测定方法应符合现行国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080的规定;
2 气泡间隔系数为从硬化混凝土中取样(芯)测得的数值,用直线导线法测定,根据抛光混凝土截面上气泡面积推算三维气泡平均间隔,推算方法可按现行行业标准《水工混凝土试验规程》DL/T 5150的规定执行;
3 表中含气量:C50混凝土可降低1.0%,C60混凝土可降低1.5%,但不应低于3.0%;
4 表中平均气泡间隔系数:C50混凝土可增加25μm,C60混凝土可增加50μm。
# 附录E 混凝土耐久性参数与腐蚀性离子测定方法附录E 混凝土耐久性参数与腐蚀性离子测定方法
E.0.1 混凝土抗冻耐久性指数DF通过快速冻融试验测定,测试方法应采用国家现行标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082的快冻法或《水工混凝土试验规程》DL/T 5150的混凝土抗冻性试验方法。
E.0.2 混凝土氯离子扩散系数DRCM通过外加电场快速迁移试验测定,测试方法应采用现行国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082的RCM法。
E.0.3 混凝土原材料的氯离子含量测定,水泥和矿物掺和料应按现行国家标准《水泥化学分析方法》GB/T 176执行,混凝土外加剂应按现行国家标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T 8077执行,砂应按现行行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52执行。混凝土拌合物和硬化混凝土氯离子含量测定方法可按现行行业标准《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T 322执行。
E.0.4 水中硫酸根离子含量应按现行国家标准《水质 硫酸盐的测定 重量法》GB/T 11899测定,土中硫酸根离子含量应按现行行业标准《森林土壤水溶性盐分分析》LY/T 1251测定。
# 本标准用词说明本标准用词说明
1 为了便于在执行本标准条文时区别对待,对要求严格程度不同的用词说明如下:
1)表示很严格,非这样做不可的:
正面词采用“必须”,反面词采用“严禁”;
2)表示严格,在正常情况下均应这样做的:
正面词采用“应”,反面词采用“不应”或“不得”;
3)表示允许稍有选择,在条件允许时首先应这样做的:
正面词采用“宜”,反面词采用“不宜”;
4)表示有选择,在一定条件下可以这样做的,采用“可”。
2 条文中指明应按其他有关标准执行的写法为:“应符合……的规定”或“应按……执行”。
# 引用标准名录引用标准名录
1《混凝土结构设计规范》GB 50010
2《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080
3《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082
4《混凝土强度检验评定标准》GB 50107
5《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153
6《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204
7《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T 50733
8《水泥化学分析方法》GB/T 176
9《预应力混凝土用钢丝》GB/T 5223
10《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224
11《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T 8077
12《水质 硫酸盐的测定 重量法》GB/T 11899
13《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T 14370
14《普通混凝土刚砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52
15《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ 85
16《建筑工程裂缝防治技术规程》JGJ/T 317
17《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T 322
18《水工混凝土试验规程》DL/T 5150
19《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362
20《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275
21《水运工程结构耐久性设计标准》JTS 153
22《森林土壤水溶性盐分分析》LY/T 1251
23《预应力钢丝及钢绞线用热轧盘条》YB/T 146
# 条文说明中华人民共和国国家标准
混凝土结构耐久性设计标准
GB/T50476-2023
条文说明
编制说明
《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476-2023,经住房和城乡建设部2023年6月19日以第176号公告批准、发布。
本标准是在《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476-2008的基础上修订而成的,上一版的主编单位是清华大学,参编单位是中国建筑科学研究院、国家工程结构检测中心、北京市市政工程设计研究总院、同济大学、西安建筑科技大学、大连理工大学、中交四航工程研究院、中交天津港湾工程研究院、路桥集团桥梁技术有限公司、中国建筑工程总公司,主要起草人员是陈肇元、邸小坛、李克非、廉慧珍、徐有邻、包琦玮、王庆霖、黄士元、金伟良、干伟忠、赵筠、朱万旭、鲍卫刚、潘德强、孙伟、王铠、陈蔚凡、巴恒静、路新瀛、谢永江、郝挺宇、邓德华、冷发光、缪昌文、钱稼茹、王清湘、张鑫、邢锋、尤天直、赵铁军。
本次标准修订过程中,编制组进行了广泛的调查研究,总结了近年来我国在混凝土结构与材料耐久性方面的科研成果与工程经验,参考了同期国外先进技术标准以及同类研究成果,对关键技术方面进行了深入的研究和探讨,这些工作为标准修订积累了宝贵的资料。同时,修订过程中广泛地征求意见也为标准修订提供了很大的帮助。
为方便广大设计、施工、科研和学校等单位有关人员使用本标准过程时能正确理解和执行条文规定,《混凝土结构耐久性设计标准》编制组按章、节、条顺序编制了本标准的条文说明,对条文规定的目的、依据以及执行中需要注意的有关事项进行了说明。但是条文说明不具备与标准正文相同的效力,仅供使用者作为理解和把握标准规定的参考。
# 1 总则1 总则
1.0.1 我国《建筑法》(2011年修订版)规定:“建筑物在合理使用寿命内,必须确保地基基础工程和主体结构的质量”(第60条),“在建筑物的合理使用寿命内,因建筑工程质量不合格受到损害的,有权向责任者要求赔偿”(第80条)。所谓工程的“合理”寿命,首先应满足工程本身的“功能”(安全性、适用性和耐久性等)需要,其次是要“经济”,最后要符合国家、社会和民众的根本利益(公共安全、环保和资源节约等)。
工程的业主和设计人应该关注工程的功能需要和经济性,而社会和公众的根本利益则由国家批准的法规和技术标准所规定的最低年限要求予以保证。设计人在工程设计前应该首先听取业主和使用者对于工程合理使用寿命的要求,然后以合理使用寿命为目标,确定主体结构的合理使用年限。
建筑物的使用寿命是土建工程质量得以量化的集中表现。建筑物的主体结构设计使用年限在量值上与建筑物的合理使用年限相同。通过耐久性设计保证混凝土结构具有经济合理的使用寿命,体现节约资源和可持续发展的方针政策,是本标准的编制目标。
1.0.2 本条确定标准的适用范围。本标准适用对象除房屋建筑和一般构筑物的混凝土结构外,还包括其他基础设施工程,如桥梁、涵洞、隧道、地铁、轻轨、管道等混凝土结构。公路桥涵和铁路工程混凝土结构,可比照本标准的有关规定进行耐久性设计。
本标准不适用于轻骨料混凝土、纤维混凝土、蒸压混凝土等特种混凝土,这些混凝土材料在环境作用下的劣化速率与机理不同于普通混凝土。低周反复荷载和持久荷载的作用也能引起材料性能劣化,但与材料的力学破坏更加相关,有别于环境作用下的耐久性问题,故不属于本标准考虑的范畴。
本标准不涉及工业生产的高温高湿环境、微生物腐蚀环境、电磁环境、高压环境、杂散电流以及特殊腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计。特殊腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计可按照现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计标准》GB/T 50046等专用标准或在专门的耐久性研究的基础上进行,并需注意不同设计使用年限的结构应采取不同的防腐蚀要求。
1.0.3 混凝土结构耐久性设计的主要目标,是为了确保主体结构能够达到规定的设计使用年限,满足建筑物的合理使用寿命要求。主体结构的设计使用年限虽然与建筑物的合理使用寿命源于相同的概念但数值并不相同。合理使用寿命是一个确定的期望值,而设计使用年限则必须考虑环境作用、材料性能等因素的变异性对结构耐久性的影响,需要有足够的保证率,这样才能做到所设计的工程主体结构满足《建筑法》规定的“确保”要求(参见本标准附录A)。设计人员需要结合工程重要性和环境条件等具体特点,必要时应采取高于本标准条文的要求。环境作用下的耐久性问题十分复杂,存在较大的不确定和不确知性,目前尚缺乏足够的工程经验与数据积累,因此在使用本标准时,如有可靠的调查类比与试验依据,通过专门的论证,可以局部调整本标准的规定。此外,各地方宜根据当地环境特点与工程实践经验,制订相应的地方标准,进一步细化和具体化本标准的相关规定。
1.0.4 本条明确了本标准与其他相关标准的关系。我国现行标准中有关混凝土结构耐久性的规定,并不能完全满足结构设计使用年限的要求。提高相应的耐久性设计标准是编制本标准的主要目的,混凝土结构的耐久性设计应按照本标准执行。对于本标准未提及的与耐久性设计有关的其他内容,按照国家现有技术标准的有关规定执行。
# 2 术语和符号 # 2.1 术语2 术语和符号
2.1 术语
2.1.9 本术语引用了《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008对设计使用年限的定义(术语2.1.5)。该定义没有区分结构整体的设计使用年限和组成构件的设计使用年限,统一使用是否大修作为使用年限终结的判据。本标准在相关章节从耐久性设计的角度区分了结构整体和组成构件的设计使用年限,以及在不同环境作用下、结构整体和组成构件设计使用年限的不同判据。
2.1.13 对于采用引气工艺的混凝土,气泡体积包括掺入引气剂后形成的气泡体积和混凝土拌合过程中带入的空气体积。
2.1.21 本标准中所指的矿物掺和料混凝土为:在硅酸盐水泥中单掺粉煤灰量不小于胶凝材料总重的30%、单掺磨细矿渣量不小于胶凝材料总重的50%;复合使用两种矿物掺和料时,粉煤灰掺量比与0.3的比值加上磨细矿渣掺量比与0.5的比值之和不小于1。
矿物掺和料混凝土的水胶比通常不高于0.45,在配制混凝土时需要延长搅拌时间,达到拌合物的均匀,在成型工艺完成前应避免和减少水分的蒸发,在成型后应加强养护。
2.1.22 术语中的钢筋包括纵向钢筋、箍筋和分布钢筋。
2.1.27 本标准所指的配筋混凝土结构中筋体,不包括不锈钢、耐候钢或聚酯材料等有机材料制成的筋体,也不包括纤维状筋体。
# 3 基本规定 # 3.1 设计原则3 基本规定
3.1 设计原则
3.1.1 混凝土结构的耐久性设计可分为经验方法和定量方法。经验方法将环境作用按其严重程度定性地划分成几个作用等级,在工程经验类比的基础上,对不同环境作用等级下的混凝土结构构件,直接规定混凝土材料的耐久性质量要求(通常用混凝土强度、水胶比、胶凝材料用量等指标表示)和钢筋保护层厚度等构造要求。近年来,经验方法有很大的改进:首先是按照材料的劣化机理确定不同的环境类别,在每一类别下再按温、湿度及其变化等不同环境条件区分其环境作用等级,从而更为详细地描述环境作用;其次是对不同设计使用年限的结构构件,提出不同的耐久性要求。
在结构耐久性设计的定量方法中,环境作用需要定量界定,然后选用适当的劣化模型求出环境作用效应,得出耐久性极限状态下的环境作用效应与耐久性抗力的关系,可针对使用年限来计算材料与构造参数,也可针对确定的材料与构造参数来验算使用年限。作为耐久性设计目标,结构设计使用年限应具有规定的安全度,所以在环境作用效应与耐久性抗力关系式中应引入相应的安全系数,当用非确定性方法设计时应满足所需的保证率。对于混凝土结构耐久性极限状态与设计使用年限安全度的具体规定,可见本标准的附录A。
应该说明,耐久性设计的经验方法和定量方法并不对立,两者在同一设计过程中互为补充:经验方法确定总体布置、构造、耐久性控制过程以及材料类型,定量方法在此基础上对确定的耐久性极限状态、进行材料性质和构造参数的定量设计。目前,环境作用下耐久性设计的定量计算方法尚未成熟到能在工程中普遍应用的程度。在各种劣化机理的计算模型中,可供使用的还只局限于定量估算钢筋开始发生锈蚀的年限。在国内外现行的混凝土结构设计规范中,所采用的耐久性设计仍然主要通过耐久性要求来实现。
本标准对传统的经验方法进行了改进。除了细化环境的类别和作用等级外,在混凝土的耐久性质量要求中,本标准既规定了不同环境类别与作用等级下的混凝土最低强度等级、最大水胶比和混凝土原材料组成,又提出了混凝土抗冻耐久性指数、氯离子扩散系数等耐久性指标的量值规定;同时从耐久性要求出发,对结构构造方法、施工质量控制以及工程使用阶段的维修检测作出了比较具体的规定。对于设计使用年限所需的安全度,已隐含在标准的上述规定当中。
3.1.2 本条提出混凝土结构耐久性设计的基本内容,强调耐久性的设计不限于确定材料的耐久性指标与钢筋的混凝土保护层厚度。适当的防排水构造措施能够非常有效地减轻环境作用,因此也是耐久性设计的重要内容。混凝土结构的耐久性还在很大程度上取决于混凝土施工中的成型工艺质量与钢筋保护层厚度的施工误差,国内现行的施工规范较少考虑耐久性的要求,因此必须提出基于耐久性的成型工艺过程控制与保护层厚度的质量验收要求。
在严重环境作用下,仅靠提高混凝土保护层的材料质量、增加保护层的厚度,往往还不能保证设计使用年限,这时就应采取一种或多种防腐蚀附加措施组成合理的多重防护策略;对于使用过程中难以检测和维修的关键部件如预应力钢绞线,应采取多重防护措施。
混凝土结构的设计使用年限是建立在预定的维修与使用条件下的。因此,耐久性设计需要明确结构使用阶段的维护、检测要求,包括设置必要的检测通道,预留检测维修的空间和装置等;这些构造和设施必须在设计阶段确定,这些构造设施需要支撑长期检测和维护,因此自身的长期耐久性也需要进行设计,确保其使用年限不低于检测和维护的结构或构件。从目前的工程实践来看,对于浪溅区的钢筋混凝土构件,必要的构造设施包括:在构件表面预留永久性检测与维护通道和栏杆,在构件内部除预应力钢筋(钢绞线)和预埋钢件外,钢筋之间通过点焊连接。对于重要工程,需要预置耐久性监测和预警系统。
对于严重环境作用下的混凝土工程,为确保使用年限,除进行施工建造前的结构耐久性设计外,尚应根据竣工后实测的混凝土耐久性和保护层厚度进行结构耐久性的再设计,以便针对问题及时采取措施;在结构的使用年限内,尚需根据实测的材料劣化数据时结构的剩余使用年限作出判断,并针对问题继续进行再设计,必要时追加防腐措施或适时修复。
3.1.3 本条提出了设计阶段应对混凝土结构使用阶段进行维护制度设计的内容和原则。传统的结构设计并不包括结构使用期的维护方法和策略。近年来,全寿命和全过程的观念在土木工程领域逐渐为人们所接受:结构设计应全面考虑设计、施工以及使用期的维护管理,使结构不同阶段的性能在设计阶段就能够得到最大程度的考虑,最终使结构设计能够满足各个阶段的性能要求,并优化结构的全寿命成本。
混凝土结构的使用期占其全寿命周期(设计、施工、使用、拆除等阶段)的大部分,合理地规划使用期中结构与构件的维护制度,对于抵消环境作用引起的性能劣化、维持结构的性能水平很重要。这部分内容被称为混凝土结构的维护设计,要求在设计阶段就根据结构设计方案以及具体采取的耐久性设计措施,合理规划使用期的维护技术和维护的频次。对于环境作用轻微、使用年限较短的结构,在设计阶段将混凝土结构设计成使用期中免维护可能比较有利;对于环境作用严酷或使用年限较长的结构,在设计阶段将初次耐久性设计与使用期的维护技术与频次相结合会使结构全寿命成本更加合理。同时,一些工业建筑的维护,一般需要结合工艺设备的检修、更新等要求综合考虑,因此这些结构和构件的维护制度除需考虑环境作用引起的性能劣化外,还需考虑具体的使用要求。
设计阶段进行的耐久性设计与维护设计并不矛盾,两者在不同的结构周期中保证结构的使用年限。维护设计的必要性来自两个基本方面:①耐久性设计过程中的不确定性因素导致结构实际的使用年限保证率有不确定性,需要在使用期辅之以必要的维护手段,提高结构对这些不确定性因素的抵抗能力;②在严酷环境作用或使用年限较长的情况下,初次耐久性设计可能无法一次达到使用年限,或者对使用年限的设计保证率偏低,需要采取维护技术来达到预期的使用年限,这时维护设计实际上是耐久性设计向使用期的延伸。
本条的维护设计除涉及具体的维护技术和频次外,还包含与维护相关的检测与修复技术。目前混凝土结构的维护设计尚属新生事物,但其对合理、有效保证混凝土结构实现其预定使用年限方面有重要作用。
# 3.2 环境类别和环境作用等级3.2 环境类别和环境作用等级
3.2.1 根据混凝土材料的劣化机理,本条将环境种类分为5类,分别用大写罗马字母Ⅰ-Ⅴ表示:
1 一般环境(Ⅰ类),指仅有正常的大气(二氧化碳、氧气等)和温、湿度(水分)作用,不存在冻融、氯化物和其他化学腐蚀物质的影响。一般环境对混凝土结构的侵蚀主要是表层混凝土碳化、氧气和水分共同作用引起的钢筋锈蚀。混凝土呈高度碱性,钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜,使钢筋具有良好的稳定性。当空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部,会通过化学反应降低混凝土的碱度(碳化),使钢筋表面失去稳定性并在氧气与水分的作用下发生锈蚀。所有混凝土结构都会受到大气和温湿度作用,所以在耐久性设计中都应予以考虑。
2 冻融环境(Ⅱ类),会引起混凝土的冻融损伤。当混凝土内部含水量较高时,冻融循环的作用会引起内部或表层的损伤。如果水中含有盐分,损伤程度会加重。因此冰冻地区与雨、水接触的露天混凝土构件应按冻融环境考虑。另外,反复冻融造成混凝土保护层损伤还会缩短内部钢筋开始锈蚀的时间。
3 海洋、除冰盐等氯化物环境(Ⅲ和Ⅳ类),氯离子可从混凝土表面迁移到混凝土内部,在钢筋表面积累到一定浓度(临界浓度)后会引发钢筋的锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀程度要比一般环境(Ⅰ类)下单纯由大气作用引起的锈蚀严重得多,是耐久性设计的重点问题之一。
4 化学腐蚀环境(Ⅴ类),混凝土的劣化主要是土、水中的硫酸盐、酸等化学物质和大气中的硫化物、氮氧化物等对混凝土的化学作用,同时也有盐结晶等物理作用所引起的破坏。
本标准中所指的环境作用,是直接与混凝土表面接触的局部环境作用。同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位,所处的局部环境有可能不同,在耐久性设计中可分别予以考虑。
3.2.2 一般环境(Ⅰ类)的作用是所有结构构件都会遇到和需要考虑的。当同时受到两类或两类以上的环境作用时,通常由作用程度较高的环境类别决定或控制混凝土构件的耐久性要求,但对冻融环境(Ⅱ类)或化学腐蚀环境(Ⅴ类)例外,例如在严重作用等级的冻融环境下可能必须采用引气混凝土,同时在混凝土原材料选择、结构构造、混凝土施工养护等方面也有特殊要求。因此,当结构和构件同时受到多种类别的环境作用时,原则上均应考虑,需满足各自单独作用下的耐久性要求。
3.2.3 本条将环境作用按其对混凝土结构的影响程度定性地划分成6个等级,用大写英文字母A-F表示。一般环境的作用等级从轻微到中度(Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅰ-C),其他环境的作用程度则为中度到极端严重。由于腐蚀机理不同,不同环境类别相同作用等级(如Ⅰ-C、Ⅱ-C、Ⅲ-C)的耐久性要求相近、但不完全相同。与各个环境作用等级相对应的具体环境条件,可分别参见本标准第4章到第7章中的规定。
把环境类别细化到环境作用等级完成了耐久性的设计从经验的方法到适度定量方法的过渡。当实际的环境条件处于两个相邻作用等级的界限附近时,有可能出现难以判定的情况,需要设计人员根据当地环境条件和既有工程劣化状况的调查,并综合考虑工程重要性等因素后确定。在确定环境对混凝土结构的作用等级时,还应充分考虑环境作用因素在结构使用期间可能发生的演变。
由于本标准中所指的环境作用是指直接与混凝土表面接触的局部环境作用,所以同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位所承受的环境作用等级可能不同。例如,外墙板室外一侧会受到雨淋受潮或干湿交替,其作用等级可为Ⅰ-B或Ⅰ-C;室内一侧环境作用轻微,其作用等级为Ⅰ-A;此时内外两侧钢筋所需的保护层厚度可取不同。在实际工程设计中还应考虑施工可行性,例如海洋环境中桥梁的同一墩柱可能分别处于水下区、水位变动区、浪溅区和大气区,局部环境作用最严重的应是干湿交替的浪溅区和水位变动区,尤其是浪溅区;这时整个构件中的钢筋保护层最小厚度和混凝土的最大水胶比与最低强度等级,就应该按照统一的作用等级来考虑;如果钢筋和混凝土没有防腐蚀附加措施,就要按浪溅区的环境作用等级Ⅲ-E或Ⅲ-F确定。
3.2.4 混凝土中的碱(Na2O和K2O)与砂、石骨料中的活性硅会发生化学反应,称为碱-硅反应(Aggregate-silica Reaction,简称ASR);某些碳酸盐类岩石骨料也能与碱起反应,称为碱-碳酸盐反应(Aggregate-carbonate Reaction,简称ACR)。这些碱骨料反应在骨料界面生成的膨胀性产物会引起混凝土开裂,在国内外都发生过此类工程损坏的事例。环境作用下的化学腐蚀反应大多从构件表面开始,但碱-骨料反应却是在内部发生的。碱-骨料反应是一个长期过程,其破坏作用需要若干年后才会显现,而且一旦在混凝土表面出现开裂,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、水的同时存在。当骨料有活性时,限制混凝土含碱量、在混凝土中加入适量的粉煤灰、矿渣或沸石岩等掺和料,能够抑制碱骨料反应;采用密实的低水胶比混凝土能有效地阻止水分进入混凝土内部,有利于阻止反应的发生。混凝土含碱量的规定见附录B.2,具体的技术措施可参考现行国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T 50733。
混凝土钙矾石延迟生成(Delayed Ettringite Formation,简写作DEF)也是混凝土内部成分之间发生的化学反应。混凝土中的钙矾石是硫酸盐、铝酸三钙与水反应后的产物,正常情况下在混凝土拌合后水泥的水化初期形成。如果在水化温升条件下钙矾石的形成受到抑制,在混凝土硬化后如与水接触可能会再起反应,延迟生成钙矾石。钙矾石在生成过程中体积会膨胀,导致混凝土开裂。混凝土早期蒸养过度或内部温度较高会增加延迟生成钙矾石的可能性。防止延迟生成钙矾石反应的主要途径是降低养护温度、限制水泥的硫酸盐和C3A含量以及避免混凝土在使用阶段与水分接触。在混凝土中引气也能缓解其破坏作用。
流动的软水能将水泥浆体中的氢氧化钙溶出,使混凝土密实性下降并影响其他含钙水化物的稳定。在长期溶蚀作用下,混凝土材料孔隙溶液的pH值会降低、水化硅酸钙的溶解会导致材料强度下降。材料的溶蚀速率与材料孔隙结构与孔隙溶液成分、环境软水成分以及流动性有很大关系。酸性地下水也有类似的作用。增加混凝土密实性有助于减轻氢氧化钙的溶出。
3.2.5 冲刷、磨损会削弱混凝土构件截面,此时应采用强度等级较高的耐磨混凝土,通常还需要将可能磨损的厚度作为牺牲厚度考虑在构件截面或钢筋的混凝土保护层厚度内。
不同骨料抗冲磨性能大不相同。研究表明,骨料的硬度和耐磨性对混凝土的抗冲磨能力起到重要作用,如花岗岩骨料好于石灰岩骨料。在胶凝材料中掺入硅灰也能有效地提高混凝土的抗冲磨性能。
# 3.3 设计使用年限3.3 设计使用年限
3.3.1 本条规定了混凝土结构设计使用年限的确定原则。结构的设计使用年限和我国《建筑法》规定的合理使用寿命的关系见1.0.1和1.0.3条文说明。
结构设计使用年限是在确定的环境作用和维修、使用条件下,具有一定保证率的年限。设计使用年限应由设计人员与业主共同确定,首先要满足工程设计对象的功能要求和使用者的利益,并不低于有关法规的规定。
现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153规定了房屋建筑、公路桥涵、铁路桥涵以及港口工程等结构的设计使用年限;城市桥梁、隧道、城市给水排水设施可分别按照国家现行标准《公路工程技术标准》JTG B01、《城市轨道交通技术规范》GB 50490、《城镇给水排水技术规范》GB 50788的规定确定结构的设计使用年限。
3.3.2 本条文诠释了结构和构件的设计使用年限对于不同类型结构的内涵。
设计使用年限的定义见本标准术语2.1.9,这一定义来源于《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153。按照该定义,结构或者构件的设计使用年限以是否需要大修为界限。应该讲,这一表达对于构件的设计使用年限的定义是适当的:单个构件需要大修或者更换则其使用年限应视为结束。但是使用该表达来定义整体结构的设计使用年限就可能产生偏差,因为局部构件的大修和更换并不意味着整体结构的使用功能丧失。使用年限长、环境作用严酷或构件组成复杂的结构(体系)就会出现构件层次上的使用年限和整体结构使用年限的不一致的情况。
在严重(包括严重、非常严重和极端严重)环境作用下,混凝土结构的个别构件因技术条件和经济性难以达到结构整体的设计使用年限时(如斜拉桥的拉索),在与业主协商一致后,可设计成易更换的构件或能在预期的年限进行大修,并应在设计文件中注明更换或大修的预期年限。需要大修或更换的结构构件,应具有可修复性,能够经济合理地进行修复或更换,并具备相应的施工操作条件。
# 3.4 材料要求3.4 材料要求
Ⅰ 混凝土
3.4.1 根据结构物所处的环境类别和作用等级以及设计使用年限,标准分别在第4章到第7章中规定不同环境中混凝土材料的最低强度等级和最大水胶比,具体见本标准的4.3.1条、5.3.2条、6.3.2条、7.3.2条的规定。在附录B中规定了混凝土组成原材料的成分限定范围。原材料的限定范围包括硅酸盐水泥品种与用量、胶凝材料中矿物掺和料的用量范围、水泥中的铝酸三钙含量、原材料中有害成分总量(如氯离子、硫酸根离子、可溶碱等)以及粗骨料的最大粒径等。具体见本标准的附录B.1、B.2和B.3。
通常,在设计文件中仅需提出混凝土的最低强度等级与最大水胶比。对于混凝土原材料的选用,可在设计文件中注明由施工单位和混凝土供应商根据规定的环境作用类别与等级,按本标准的附录B.1、B.2和B.3执行。对于大型工程和重要工程,应在设计阶段由结构工程师会同材料工程师共同确定混凝土及其原材料的具体技术要求。
3.4.2 常用的混凝土耐久性指标包括一般环境下的混凝土抗渗等级、冻融环境下的抗冻耐久性指数或抗冻等级、氯化物环境下的氯离子在混凝土中的扩散系数等。这些指标均由实验室标准快速试验方法测定,可用来比较不同配比混凝土之间耐久性能的相对高低,主要用于施工阶段的混凝土质量控制和质量检验。
标准快速试验中的混凝土龄期过短,因此得到的耐久性指标往往不能如实反映混凝土在实际结构中的长期耐久性能。某些在实际工程中长期耐久性能表现优良的混凝土,如低水胶比、粉煤灰掺量在30%以上的矿物掺和料混凝土,由于其水化速度比较缓慢,在快速试验中按标准龄期测得的抗氯离子扩散往往高于相同水胶比的无矿物掺和料混凝土;但实际上,前者的长期抗氯离子侵入能力比后者的要好得多。
水压法抗渗等级适于评价低强度等级混凝土的抗渗性,对于密实的混凝土宜用氯离子扩散系数作为耐久性指标。另外,混凝土的气体渗透性和电阻率也都可以作为衡量混凝土材料致密程度的耐久性指标。
3.4.3 本条规定混凝土结构设计中混凝土强度的选取原则。结构构件需要采用的混凝土强度等级,在许多情况下是由环境作用决定的,并非由荷载作用控制。因此在进行构件的承载能力设计以前,应陔首先了解耐久性要求的混凝土最低强度等级。
3.4.4 本条规定了耐久性需要的配筋混凝土最低强度等级。对于冻融环境的Ⅱ-D,Ⅱ-E等级,表3.4.4给出的强度等级为引气混凝土的强度等级;对于冻融环境的Ⅱ-C等级,表3.4.4同时给出引气和非引气混凝土的强度等级。
表3.4.4的耐久性强度等级主要是对钢筋混凝土保护层的要求,通过强度指标来要求保护层混凝土的致密性。保护层混凝土的致密性和自身的厚度是对内部钢筋保护的两个重要因素。
3.4.5 素混凝土结构不存在钢筋锈蚀问题,所以在一般环境和氯化物环境中可按较低的环境作用等级确定混凝土的最低强度等级。对于冻融环境和化学腐蚀环境,环境因素会直接导致混凝土材料的劣化,因此对素混凝土的强度等级要求与配筋混凝土要求相同。
3.4.6 对于截面较大的墩柱等受压构件,为满足钢筋保护层耐久性要求而需要提高全截面的混凝土强度,如果导致成本的显著增加,可考虑增加钢筋保护层厚度或者在混凝土表面采取附加防腐蚀措施的方法。
Ⅱ 钢筋
3.4.8 本条所指的预应力筋为在先张法构件中单根使用的预应力钢丝,不包括钢绞线中的单根钢丝。
冷加工钢筋和细直径钢筋对锈蚀比较敏感,作为受力主筋使用时需要相应提高耐久性要求。细直径钢筋可作为构造钢筋。
3.4.9 埋在混凝土中的钢筋,如材质有所差异且相互具有导电连接,则会因电位差而引发钢筋的锈蚀,因此宜采用同样牌号或代号的钢筋。不同材质的金属埋件之间(如镀锌钢材与普通钢材、钢材与铝材)尤其不能有导电连接。
3.4.10 现行国家标准《钢筋混凝土用钢第1部分:热轧光圆钢筋》GB/T 1499.1和《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2规定钢筋混凝土用钢筋的品种和技术要求,其钢材按照成分涵盖了碳素钢和低合金钢。低合金钢筋的耐蚀性能具体取决于其合金成分和表面状态。但是,GB/T 1499.1和GB/T 1499.2通过钢筋的屈服强度划分热轧钢筋强度级别,对相同级别钢筋的合金成分设定统一的上限值,没有区分合金含量,不同级别的钢筋交货状态均为热轧交货,产品没有明确表面状态的差异。目前,针对各种不同成分的合金钢钢筋的腐蚀试验与观测尚未有系统的数据。从目前积累的细晶粒钢钢筋的腐蚀试验数据来看,其腐蚀敏感性与普通碳素钢基本相当。这方面的数据有待进一步积累和完善。本标准基于目前现有的数据,对国家标准中的不同牌号的热轧钢筋(碳素钢和低合金钢)采取相同的耐久性要求。
不锈钢筋通过改变钢筋的化学成分,增加了Cr、Ni、Mo等减少钢铁腐蚀的有效元素,可在钢筋表面形成一层致密的富铬氧化膜,阻止氯离子渗入而获得抗锈蚀能力,从根本上改善了钢材的耐蚀性能。自20世纪30年代不锈钢筋在工程中已有应用,墨西哥海港不锈钢筋混凝土桥梁、伦敦Guildhall工程使用的316奥氏体不锈钢、美国Parkway公路桥使用的2205双相不锈钢至今结构状态良好,已有80年的工程实践。近年来,我国在跨海工程建设中也采用了不锈钢筋作为严酷环境作用下的防腐蚀措施。不锈钢筋的耐腐蚀能力可以由耐点蚀当量PREN值来表示,不锈钢成分不同,其PREN值也有所不同。英国标准BS 6744-2009建议,较长设计年限或难以维护的结构宜采用PREN<30的不锈钢筋,氯离子可能发生沉积的部位宜采用30<PREN≤40的不锈钢筋。我同的不锈钢相关标准为《钢筋混凝土用不锈钢钢筋》YB/T 4362。
耐蚀钢筋同样通过在钢材中添加适量耐蚀合金元素(Cu、P、Cr、Ni、Mo、Re等)来提高钢筋的耐腐蚀环境的能力,其耐蚀能力通过与普通碳素钢的抗腐蚀能力的比值来表示。我国相关标准为《钢筋混凝土用耐蚀钢筋》YB/T 4361,其中要求耐蚀钢筋相对于Q235钢材的相对锈蚀率低于70%。
使用不锈钢筋和耐蚀钢筋后,构件对环境作用的抵抗能力加强。相应地,针对相同的环境作用和设计使用年限,这些钢筋对混凝土保护层的耐久性要求也与普通钢筋有所不同。工程实践中,可保守地采用与普通钢筋相同的耐久性要求,将这些钢筋的耐蚀能力作为混凝土构件耐久性的裕度;也可通过专门研究和论证来确定这些钢筋的耐久性要求。
# 3.5 构造规定3.5 构造规定
3.5.1 本条提出了环境作用下混凝土保护层厚度的确定原则。对于不同环境作用下所需的混凝土保护层最小厚度,可见本标准的4.3.1条、5.3.2条、6.3.2条和7.3.2条中的具体规定。
混凝土构件中最外侧的钢筋会首先发生锈蚀,一般是箍筋和分布筋,在双向板中也可能是主筋。所以本标准对构件中各类钢筋的保护层最小厚度提出相同的要求。欧洲CEB-FIP模式规范、英国BS标准、美国混凝土学会ACI规范以及现行的欧盟规范都有这样的规定。箍筋的锈蚀可引起构件混凝土沿箍筋的环向开裂,而墙、板中分布筋的锈蚀除引起开裂外,还会导致保护层的成片剥落,都是结构的正常使用所不允许的。
保护层厚度的尺寸较小,而钢筋出现锈蚀的年限大体与保护层厚度的平方成正比,保护层厚度的施工偏差会对耐久性造成很大的影响。以保护层厚度为20mm的钢筋混凝土板为例,如果施工允许偏差为±5mm,则5mm的允许负偏差就可使钢筋出现锈蚀的年限缩短约40%。因此在耐久性设计所要求的保护层厚度中,必须计入施工允许负偏差。1990年颁布的CEB-FIP模式规范、2004年正式生效的欧盟规范以及英国历届BS标准等标准中,都将用于设计计算和标注于施工图上的保护层设计厚度称为“名义厚度”,并规定其数值不得小于耐久性要求的最小厚度与施工允许负偏差的绝对值之和。欧盟规范建议的施工允许偏差对现浇混凝土为5mm~15mm,一般取10mm。美国ACI规范和加拿大规范规定保护层的最小设计厚度已经包含了约12mm的施工允许偏差,与欧盟规范名义厚度的规定实际上相同。我国《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204对梁类构件的允差规定为+10mm/-7mm、板类构件为+8mm/-5mm,对负偏差的要求较严。
本标准规定保护层设计厚度的最低值仍称为最小厚度,但在耐久性所要求最小厚度的取值中已考虑了施工允许负偏差的影响,并对现浇的一般混凝土梁、柱取允许负偏差的绝对值为10mm,板、墙为5mm。
为保证钢筋与混凝土之间粘结力传递,各种钢筋的保护层厚度均不应小于钢筋的直径。按防火要求的混凝土保护层厚度,可参照有关的防火设计标准,但我国有关设计规范中规定的梁板保护层厚度,往往达不到所需耐火极限的要求,尤其是预应力预制楼板。
保护层厚度过薄的平面构件容易在施工中因新拌混凝土的塑性沉降和硬化混凝土的收缩引起顺筋开裂;当顶面钢筋保护层过薄时,新拌混凝土的抹面整平工序也会促使混凝土硬化后的顺筋开裂。此外,混凝土粗骨料的最大公称粒径尺寸与保护层的厚度之间也要满足一定关系(见本标准附录B.3)。
3.5.2 预应力筋的耐久性要求应高于普通钢筋。在严重的环境条件下,除混凝土保护层外还应对预应力筋采取多重防护措施,如将后张预应力筋置于密封的波形套管中并灌浆。本标准规定,对于单纯依靠混凝土保护层防护的预应力筋,其保护层厚度应比普通钢筋的大10mm。
3.5.3 工厂生产的混凝土预制构件,在保护层厚度的质量控制上较有保证,保护层施工偏差比现浇构件的小,因此设计要求的保护层厚度可以适当降低。
3.5.4 本条所指的裂缝为荷载造成的横向裂缝,不包括收缩和温度等非荷载作用引起的裂缝。表3.5.4中的裂缝宽度允许值,更不能作为荷载裂缝计算值与非荷载裂缝计算值两者叠加后的控制标准。控制非荷载因素引起的裂缝,应该通过混凝土原材料的精心选择、合理的配比设计、良好的施工养护和适当的构造措施来实现。
表面裂缝最大宽度的计算值可根据国家现行标准《混凝土结构设计规范》GB 50010或《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362的相关公式计算,后者给出的裂缝宽度与保护层厚度无关。研究表明,按照规范GB 50010公式计算得到的最大裂缝宽度要比国内外其他规范的计算值大得多,而规定的裂缝宽度允许值却偏严。增大混凝土保护层厚度虽然会加大构件裂缝宽度的计算值,但实际上对保护钢筋减轻锈蚀十分有利,所以在我国公路混凝土桥涵设计规范JTG 3362中,不考虑保护层厚度对裂缝宽度计算值的影响。
现有研究显示,裂缝表面宽度并不是影响内部钢筋锈蚀程度的唯一因素;南非学者Otieno等2012年对带有表面裂缝的钢筋混凝土梁内部钢筋锈蚀电流的监测表明,保护层厚度和裂缝表面宽度的比值能更加有效地表明带有裂缝的保护层对内部钢筋的保护程度;对同一种混凝土材料,保护层厚度与开裂宽度的比值与锈蚀电流遵从确定的规律。这方面的研究需要进一步积累。
此外,不能为了减少裂缝计算宽度而在厚度较大的混凝土保护层内加设没有防锈措施的钢筋网,因为钢筋网的首先锈蚀会导致网片外侧混凝土的剥落,减少内侧箍筋和主筋应有的保护层厚度,对构件的耐久性造成更为有害的后果。荷载与收缩引起的横向裂缝本质上属于正常裂缝,如果影响结构物的外观要求或防水功能应及时进行灌缝与封闭。
3.5.6 棱角部位受到两个侧面的环境作用并容易造成碰撞损伤,在可能条件下应尽量加以避免。
3.5.7 碰撞等会造成结构物的损伤,影响结构的安全性、适用性和耐久性。本标准的耐久性设计措施不能抵抗碰撞的作用;对于使用期间可能遭受碰撞的结构,结构设计应该设置专门的防碰撞措施。本条所称的预警设施包括城市立交桥的限高标志等,本条所称的防护措施包括城市桥墩上的防撞墙等。
3.5.8 混凝土施工缝、伸缩缝等连接缝是结构中相对薄弱的部位,容易成为腐蚀性物质侵入混凝土内部的通道,故应在设计与施工中应尽量避让局部环境作用比较不利的部位,如桥墩的施工缝不应设在干湿交替的水位变动区。
3.5.9 应避免外露金属部件的锈蚀造成混凝土的胀裂,影响构件的承载力。这些金属部件宜与混凝土中的钢筋隔离或进行绝缘处理。在氯盐环境中,混凝土构件中埋件的锚筋会发生严重的锈蚀现象,本条的构造规定参考了《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275-2000第5.6.13条的规定。
3.5.11 本标准对混凝土结构耐久性设计的基本方法是通过提高混凝土本体的致密性来确保混凝土结构和构件的使用年限。在一些特殊的情况下,可考虑使用附加防腐蚀措施和混凝土本体共同保证使用年限。这些情况包括:局部环境作用严酷、混凝土自身难以达到使用年限的要求,构件使用年限较长(超过100年)、一次性混凝土耐久性设计对使用年限的保证率不高等。这些情况下,本标准建议采用防腐蚀附加措施,考虑其对使用年限的贡献或者提高对构件使用年限的保证率。
# 3.6 施工质量的附加要求3.6 施工质量的附加要求
3.6.1 本条给出了保证混凝土结构耐久性的不同环境中混凝土的养护制度要求,利用养护时间和养护结束时的混凝土强度来控制现场养护过程。养护结束时强度是指现场混凝土强度,用现场同温养护条件下的标准试件测得。
现场混凝土构件的施工养护方法和养护时间需要考虑混凝土强度等级、施工环境的温、湿度和风速、构件尺寸、混凝土原材料组成和入模温度等诸多因素。应根据具体施工条件选择合理的养护工艺,可参考中国土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01的相关规定。
养护条件对现场混凝土硬化过程的影响至关重要,尤其是表层混凝土的密实程度。构件耐久性与表层混凝土的质量关系密切。因此,在工程实践中可使用表面回弹等技术手段对养护后的构件表面进行检测,对表层混凝土的实际质量进行判断。
3.6.3 本条给出在不同环境作用等级下,混凝土结构中钢筋保护层的检测原则和质量控制准则。在工程实践中,使用无损检测方法进行钢筋定位,推算得到的钢筋保护层厚度通常偏大;因此用于钢筋定位的无损检测方法需要经过校准,并明确其测量误差。
# 4 一般环境 # 4.1 一般规定4 一般环境
4.1 一般规定
4.1.1 正常大气作用下,表层混凝土碳化和氧气、水分共同作用引发的内部钢筋锈蚀,是混凝土结构中最常见的劣化现象,也是耐久性设计中的普遍问题。在一般环境作用下,依靠混凝土本身的耐久性质量、适当的保护层厚度和有效的防排水措施,就能达到所需的耐久性,一般不需考虑防腐蚀附加措施。
4.1.3 一般环境下混凝土结构的构造与措施见本章4.4节的具体要求。
# 4.2 环境作用等级4.2 环境作用等级
4.2.1 确定大气环境对配筋混凝土结构与构件的作用程度,需要考虑的环境因素主要是湿度(水)、温度和CO2与O2的供给程度。对于混凝土的碳化过程,如果周围大气的相对湿度较高,混凝土的内部孔隙充满孔隙溶液,则空气中的CO2难以进入混凝土内部,碳化就不能或只能非常缓慢地进行;如果周围大气的相对湿度很低,混凝土内部比较干燥,孔隙溶液的量很少,碳化反应也会受到抑制。对于钢筋的锈蚀过程,电化学反应要求混凝土有一定的电导率,当混凝土内部的相对湿度低于70%时,由于混凝土电导率太低,钢筋锈蚀很难进行;同时,锈蚀电化学过程需有水和氧气参与,当混凝土处于水下或湿度接近饱和时,氧气难以到达钢筋表面,锈蚀会因为缺氧而难以发生。
室内干燥环境由于缺少水分,钢筋锈蚀非常缓慢甚至难以进行;水下构件由于缺乏足够的氧气,钢筋基本不会锈蚀。因此表4.2.1将这两类环境作用归为Ⅰ-A级。在潮湿环境或者偶尔受到雨淋、与水接触的条件下,混凝土的碳化反应和钢筋的锈蚀过程都有条件进行,环境作用等级归为Ⅰ-B级。在反复的干湿交替作用下,混凝土碳化有条件进行,同时钢筋锈蚀过程由于水分和氧气的交替供给而显著加强,因此对钢筋锈蚀最不利的环境条件是反复干湿交替,其环境作用等级归为Ⅰ-C级;此类构件包括经常与大气降水接触的地上构件,与地下水接触的地下室构件,以及直接处于水位变动区的构件。
如果室内构件长期处于高湿度环境,即年平均湿度高于60%,也有可能引起钢筋锈蚀,故宜按Ⅰ-B级考虑。在干湿交替环境下,如混凝土表面在干燥阶段周围大气相对湿度较高,干湿交替的影响深度很有限,混凝土内部仍会长期处于高湿度状态,内部混凝土碳化和钢筋锈蚀程度都会受到抑制。在这种情况下,环境对配筋混凝土构件的作用程度介于Ⅰ-C与Ⅰ-B之间,具体作用程度可根据当地既有工程的实际调查确定。
Ⅰ-A作用等级中的浸水环境中,水中可含有微量的有害化学物质,其浓度上限可参考本标准表6.2.5与表7.2.1规定的中度作用等级的各类有害物质与离子浓度的下限值。
4.2.2 与湿润土体或水接触的一侧混凝土饱水,钢筋不易锈蚀,可按环境作用等级Ⅰ-B考虑;接触干燥空气的一侧,混凝土容易碳化,又可能有水分从临水侧迁移供给,一般应按Ⅰ-C级环境考虑。如果混凝土密实性好、构件厚度较大或临水表面已做可靠防护层,临水侧的水分供给可以被有效隔断,这时接触干燥空气的一侧可不按Ⅰ-C级考虑。
# 4.3 材料与保护层厚度4.3 材料与保护层厚度
4.3.1 表4.3.1分别对板、墙等面型构件和梁、柱等条形构件规定混凝土的最低强度等级、最大水胶比和钢筋的保护层最小厚度。板、墙、壳等面形构件中的钢筋,主要受来自一侧混凝土表面的环境因素侵蚀,而矩形截面的梁、柱等条形构件中的角部钢筋,同时受到来自两个相邻侧面的环境因素作用,所以后者的保护层最小厚度要大于前者。对保护层最小厚度要求与所用的混凝土水胶比有关,在应用表4.3.1中不同使用年限和不同环境作用等级下的保护层厚度时,应注意到对混凝土水胶比和强度等级的不同要求。
表4.3.1中规定的混凝土最低强度等级、最大水胶比和保护层最小厚度与欧美的相关规范相近,这些数据比照了已建工程实际劣化现状的调查结果,并用材料劣化模型作了近似的计算校核,总体上略高于我国现行的混凝土结构设计规范的规定,尤其在干湿交替的环境条件下差别较大。美国ACI设计规范要求室外淋雨环境的梁柱外侧钢筋(箍筋或分布筋)保护层最小设计厚度为50mm(钢筋直径不大于16mm时38mm),英国BS8110设计标准(60年设计使用年限)为40mm(C40)或30mm(C45)。
4.3.3 浸没水中的地下结构环境作用等级为I-A,设计使用年限为100年时,混凝土强度最低等级为C35,比I-A室内干燥环境高一个等级;主要考虑构件的维护难度以及水文在100年期间演变的不确定性。该规定与《地铁设计规范》GB 50157-2013的规定一致。
4.3.4 本条给出了大截面墩柱在符合耐久性要求的前提下,截面混凝土强度与钢筋保护层厚度的调整方法。一般环境下对混凝土提出最低强度等级的要求,是为了保护钢筋的需要,针对的是构件钢筋的保护层混凝土。但对大截面墩柱来说,如果只是为了提高保护层混凝土的耐久性而全截面采用较高强度的混凝土,往往不如加大保护层厚度的办法更为经济合理。相反,加大保护层厚度会明显增加梁、板等受弯构件的自重,宜提高混凝土的强度等级以减少保护层厚度。
在工程实践中,提倡在不提高混凝土总体强度的同时,通过技术措施提高表层混凝土的质量,从而达到提高结构耐久性的目的,如采用透水模板布技术等。
# 4.4 构造与措施4.4 构造与措施
4.4.1 本条所指的建筑饰面包括不受雨水冲淋的石灰浆、砂浆抹面和砖石贴面等普通建筑饰面;防水饰面包括防水砂浆、粘贴面砖、花岗岩石板等具有良好防水性能的饰面。除此之外,构件表面的油毡等一般防水层由于防水有效年限远低于构件的设计使用年限,不宜考虑其对钢筋防锈的作用。
地下临水混凝土构件的表面防护措施可参考现行国家标准《地下工程防水技术规范》GB 50108的规定与技术要求。这些防护措施对内部钢筋的防锈作用尚无工程验证和相关研究成果,同时考虑到此类构件普遍维护和更换困难,因此不宜降低混凝土的耐久性要求。
4.4.3 本条给出了在一般环境中使用了有明确保护年限的防腐蚀附加措施后,保护层混凝土材料要求可降低取用的原则。
4.4.5 本条对地下结构混凝土构件迎水面的钢筋保护层厚度的规定与现行国家标准《地下工程防水技术规范》GB 50108相同。
# 5 冻融环境 # 5.1 一般规定5 冻融环境
5.1 一般规定
5.1.1 饱水的混凝土在反复冻融作用下会造成内部损伤,发生开裂甚至剥落,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、降温速率和冻融循环次数。混凝土的冻融损伤只发生在混凝土内部含水量比较充足的情况(混凝土内部饱水度高于85%)。
冻融环境下的混凝土结构耐久性设计,原则上要求混凝土不受损伤,不影响构件的承载力与对钢筋的保护。确保耐久性的主要措施包括混凝土引气、防止混凝土饱水和采用高强度的混凝土。
5.1.2 冰冻地区与雨、水接触的露天混凝土构件应按冻融环境进行耐久性设计。环境温度达不到冰冻条件(如位于土中冰冻线以下和长期在不结冻的水下)的混凝土构件可不考虑抗冻要求。冰冻前不饱水的混凝土且在冻融循环过程中不接触外界水分的混凝土构件,也可不考虑抗冻要求。
本标准不考虑人工造成的冻融环境作用,此类问题由专门的标准规范解决。
5.1.3 冻融环境下混凝土结构的构造与措施见本章5.4节的具体要求。
5.1.4 适当延迟现场混凝土初次与水接触的时间实际上是延长混凝土的干燥时间,并且给混凝土内部结构发育提供时间。应尽量延迟混凝土初次触水时间,触水时混凝土龄期至少应达到30d。房屋建筑的冬期施工技术措施可参照现行行业标准《建筑工程冬期施工规程》JGJ/T 104的规定。
# 5.2 环境作用等级5.2 环境作用等级
5.2.1 本标准对冻融环境作用等级的划分,主要考虑混凝土饱水程度、气温变化和盐分含量三个因素。饱水程度与混凝土表面接触水的频度及表面积水的难易程度(如水平或竖向表面)有关;气温变化主要与环境最低温度及年冻融次数有关;盐分含量指混凝土表面受冻时冰水中的盐含量。
我国现行标准中对混凝土抗冻等级的要求多按当地最冷月份的平均气温进行区分,这在使用上有其方便之处,但应注意当地气温与构件所处地段的局部温度往往差别很大。比如严寒地区朝南构件的冻融次数多于朝北的构件,而微冻地区可能相反。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气温变化对混凝土冻融的影响程度。
对于饱水程度,分为高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。混凝土受冻融破坏的临界饱水度约为85%~90%,含水量低于临界饱水度时不会冻坏。在表面有水的情况下,连续的反复冻融可使混凝土内部的饱水程度不断增加,一旦达到或超过临界饱水度,就有可能很快发生破坏。
有盐的冻融环境主要指冬季喷洒除冰盐的环境。含盐分的水溶液不仅会造成混凝土的内部损伤,而且能使混凝土表面起皮剥蚀,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按Ⅳ类环境考虑)。除冰盐的剥蚀作用程度与混凝土湿度有关;不同构件及部位由于方向、位置不同,受除冰盐直接、间接作用或溅射的程度也会有很大的差别。
5.2.2 寒冷地区海洋和近海环境中的混凝土表层,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,有些微冻地区和寒冷地区的海水不会出现冻结,但浪溅区构件的表面仍然会有冻结现象,具体可通过调查确定;若不出现冰冻,就可以不考虑冻融环境作用。
5.2.3 埋置于土中冰冻线以上的混凝土构件,发生冻融交替的次数明显低于暴露在大气环境中的构件,但仍要考虑冻融损伤的可能,可根据具体情况适当降低环境作用等级。
5.2.4 竖向构件底部侧面的积雪可引发混凝土较严重的冻融损伤。尤其在冬季喷洒除冰盐的环境中,道路上含盐的积雪常被扫到两侧并堆置在墙柱和护栏底部,容易造成底部混凝土的严重破坏。
5.2.5 某些结构在正常使用条件下冬季出现冰冻的可能性很小,但在极端气候条件下或偶发事故时有可能会遭受冰冻,故应具有一定的抗冻能力,但可适当降低要求。
# 5.3 材料与保护层厚度5.3 材料与保护层厚度
5.3.1 本条规定了冻融环境中混凝土原材料的组成与引气工艺。使用引气剂能在混凝土中产生大量均布的微小封闭气孔,有效缓解混凝土内部结冰造成的材料破坏。引气混凝土的抗冻要求用新拌混凝土的含气量表示,是气泡占混凝土的体积比。冻融环境等级越高,对混凝土含气量的要求越大;气泡只存在于水泥浆体中,而混凝土中水泥浆体含量与骨料的最大粒径直接相关,所以混凝土抗冻所需的含气量与骨料的最大粒径有关;过大的含气量会明显降低混凝土强度,故含气量应控制在一定范围内,且有相应的误差限制。具体可参照本标准附录D的要求。
矿物掺和料品种和数量对混凝土抗冻性能有影响。通常情况下,掺加硅粉有利于抗冻;在低水胶比前提下,适量掺加粉煤灰和矿渣对抗冻能力影响不大,但应严格控制粉煤灰的品质,特别要尽量降低粉煤灰的烧失量。具体见本标准附录B的规定。
严重冻融环境下必须引气的要求主要是根据实验室快速冻融试验的研究结果提出的,50多年来工程实际应用肯定了引气工艺的有效性。但是混凝土试件在标准快速试验下的冻融作用程度要比工程现场的实际环境作用严酷得多。现场调查表明,高强混凝土对严酷的冻融环境有较高的抵抗能力。新的欧洲混凝土规范EN 206-1:2000虽然对严重冻融环境作用下的构件混凝土有引气要求,但允许通过实验室的对比试验研究后不引气;德国标准DIN 1045-2/07.2001规定含盐的高度饱水情况需要引气,其他情况下均可采用强度较高的非引气混凝土;英国标准8500-1:2002规定,各种冻融环境下的混凝土均可不引气,条件是混凝土强度等级需达到C50且骨料符合抗冻要求。北欧和北美各国的规范仍规定严重冻融环境作用下的混凝土需要引气。由于我国国内在这方面尚缺乏相应的研究和工程实际经验,本标准现仍规定严重冻融环境下需要采用引气混凝土。
混凝土引气会导致强度的降低,同时在持续荷载作用下的徐变会加大。研究表明,混凝土采用引气工艺后,在正常引气范围内引气量每增加1%,抗压强度降低2%~6%,抗折强度降低2%~4%,弹性模量降低0.7MPa~1.38MPa。因此引气工艺应用于预应力混凝土时(Ⅱ-D和Ⅱ-E环境),需要特别关注预应力作用下混凝土的徐变变形,以及由此引起的预应力的长期损失。
5.3.2 表5.3.2中仅列出一般冻融(无盐)情况下钢筋的混凝土保护层最小厚度。盐冻情况下的保护层厚度由氯化物环境控制,具体见第6章的有关规定;相应的保护层混凝土质量则要同时满足冻融环境和氯化物环境的要求。有盐冻融条件下的耐久性设计见本标准第6.3.2条的规定及其条文说明。
5.3.3 对于冻融环境下重要工程和大型工程的混凝土,其耐久性质量除需满足本标准第5.3.2条的规定外,应同时满足本条提出的抗冻耐久性指数要求。表5.3.3中的抗冻耐久性指数由快速冻融循环试验结果进行评定。美国ASTM标准定义试件经历300次冻融循环后的动弹模的相对损失为抗冻耐久性指数DF,其计算方法见表注1。在北美,认为有抗冻要求的混凝土DF值不能小于60%。对于年冻融次数不频繁的环境条件或混凝土现场饱水程度不高时,这一要求可能偏严。
混凝土的抗冻性评价可用多种指标表示,如试件经历冻融循环后的动弹性模量损失、质量损失、伸长量或体积膨胀等。多数标准都采用动弹模损失或同时考虑质量损失来确定抗冻级别,但上述指标通常只用来比较混凝土材料的相对抗冻性能,不能直接用来进行结构使用年限的预测。
# 5.4 构造与措施5.4 构造与措施
5.4.1 截面尺寸较小的钢筋混凝土构件和预应力混凝土构件,发生冻融破坏的后果严重,应赋予更大的安全保证率。在耐久性设计时应适当增加钢筋保护层厚度作为补偿,或采取表面附加防护措施。
5.4.2 在接触积雪的构件局部区域采取合理的防护措施,可以解决因为局部较高的作用等级而不得不提高整个构件的混凝土强度等级与保护层厚度的问题。可采用的局部防护措施可参考但不限于本标准附录C的防腐蚀附加措施。
5.4.3 本条给出了在冻融环境中使用了有明确保护年限的防腐蚀附加措施后,混凝土材料要求可降低取用的原则。
# 6 氯化物环境 # 6.1 一般规定6 氯化物环境
6.1 一般规定
6.1.1 环境中的氯化物以水溶氯离子的形式通过扩散、渗透和吸附等途径从混凝土构件表面向内部迁移,可引起混凝土内钢筋的严重锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀难以控制、后果严重,因此是混凝土结构耐久性的重要问题。氯盐对于混凝土材料也有一定的腐蚀作用,但相对较轻。
6.1.2 本条规定所指的海洋和近海氯化物包括海水、大气、地下水与土体中含有的来自海水的氯化物。此外,其他情况下接触海水的混凝土构件也应考虑海洋氯化物的腐蚀,如海洋馆中接触海水的混凝土池壁、管道等。
6.1.3 除冰盐对混凝土的作用机理很复杂。对钢筋混凝土(如桥面板)而言,一方面,除冰盐直接接触混凝土表层,融雪过程中的温度骤降以及渗入混凝土的含盐雪水的蒸发结晶都会导致混凝土表面的开裂剥落;另一方面,雪水中的氯离子不断向混凝土内部迁移,会引起钢筋腐蚀。前者属于盐冻现象,有关的耐久性要求在本标准第5章中已有规定;后者属于钢筋锈蚀问题,相应的要求由本章规定。
降雪地区喷洒的除冰盐可以通过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处渗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,还会侵蚀腐蚀混凝土基础。此外,高速行驶的车辆会将路面上含盐的水溅射或转变成盐雾,作用到车道两侧甚至较远的混凝土构件表面;汽车底盘和轮胎上冰冻的含盐雪水进入停车库后融化,还会作用于车库混凝土楼板或地板引起钢筋腐蚀。
地下水土(滨海地区除外)中的氯离子浓度一般较低,当浓度较高且在干湿交替的条件下,则需考虑对混凝土构件的腐蚀。我国西部盐湖和盐渍土地区地下水土中氯盐含量很高,对混凝土构件的腐蚀作用需专门研究处理,不属于本标准的内容。对于游泳池及其周围的混凝土构件,如公共浴室、卫生间地面等,还需要考虑氯盐消毒剂对混凝土构件腐蚀的作用。
除冰盐可对混凝土结构造成极其严重的腐蚀,不进行耐久性设计的桥梁在除冰盐环境下只需几年或十几年就需要大修甚至被迫拆除。发达国家使用含氯除冰盐融化道路积雪已有40年的历史,迄今尚无更为经济的替代方法。考虑今后交通发展对融化道路积雪的需要,应在混凝土桥梁的耐久性设计时考虑除冰盐氯化物的影响。
6.1.4 定期检测可以尽早发现问题,并及时采取补救措施。目前针对钢筋锈蚀的检测技术发展迅速,通过设计阶段置入的钢筋锈蚀传感器、使用阶段无损采集数据、配合电化学保护技术,能够将氯盐引起的钢筋锈蚀控制在保护层开裂之前,降低氯化物环境中钢筋混凝土构件的长期维护成本。
6.1.5 氯盐环境下混凝土结构的构造与措施见本章6.4节的具体要求。
# 6.2 环境作用等级6.2 环境作用等级
Ⅰ 海洋氯化物环境
6.2.1 对于海水中的配筋混凝土结构,氯盐引起钢筋锈蚀的环境可进一步分为水下区、潮汐区、浪溅区、大气区和土中区。长年浸没于海水中的混凝土,由于水中缺氧使锈蚀发展变得极其缓慢甚至停止,所以钢筋锈蚀危险性不大。潮汐区特别是浪溅区的情况则不同,混凝土处于干湿交替状态,混凝土表面的氯离子可通过吸附、扩散、渗透等多种途径进入混凝土内部,而且氧气和水交替供给,使内部的钢筋具备锈蚀发展的所有条件。浪溅区的供氧条件最为充分,锈蚀最严重。
我国《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275在大量调查研究的基础上,分别对浪溅区和潮汐区提出不同的要求。根据海港工程的大量调查表明,平均潮位以下的潮汐区,混凝土在落潮时露出水面时间短,且接触的大气的湿度很高,所含水分较难蒸发,所以混凝土内部饱水程度高、钢筋锈蚀没有浪溅区显著。但本标准考虑到潮汐区内进行修复的难度,将潮汐区与浪溅区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,钢筋锈蚀也会加剧,所以炎热气候应作为一种加剧钢筋锈蚀的因素考虑。
海洋和近海地区的大气中都含有氯离子。海洋大气区处于浪溅区的上方,海浪拍击产生大小为0.1μm~20μm的细小雾滴,较大的雾滴积聚于海面附近,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,而且同时又处于干湿交替的环境中,因此处于很不利的状态。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安全地选用。
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的相近,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。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。根据我国浙东、山东等沿海地区的调查,构件的腐蚀程度与离岸距离以及朝向有很大关系,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100m内的室外混凝土构件中的钢筋均发生严重锈蚀。
表6.2.1中对靠海构件环境作用等级的划分,尚有待积累