建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)探索

時(shí)間:2022-05-24 11:34:00

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建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)探索

摘要:現(xiàn)代科技的進(jìn)步使建筑工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)不斷發(fā)展,也使社會(huì)大眾對(duì)建筑工程質(zhì)量提出了較之以往更高的要求。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性作為影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵要素,受到廣大工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注。本文以安徽某工廠廠房為例,進(jìn)一步分析影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素及其設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞:建筑工程;混凝土結(jié)構(gòu);耐久性

目前土木工程通常將混凝土作為常用建設(shè)材料,其物理化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣將直接決定工程質(zhì)量,繼而影響工程效益的呈現(xiàn)。在工程實(shí)踐中,應(yīng)考慮如何保持混凝土建材在施工中的耐久性,并采取合理措施加以防范,值得廣大工程技術(shù)人員深思。

1建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究目的

土木工程在應(yīng)用混凝土材料時(shí)需要做好耐久性設(shè)計(jì),確保施工時(shí)混凝土的有效性,避免影響工程質(zhì)量。混凝土結(jié)構(gòu)施工是有一定的科學(xué)原理的,比如在混凝土施工中如果攪拌不均勻、溫度應(yīng)力失衡等,都可能帶來混凝土裂縫、腐蝕等問題,影響混凝土工程項(xiàng)目的硬度、強(qiáng)度和安全性,本文研究對(duì)象安徽某工廠廠房混凝土結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了腐蝕、裂縫等情況(如圖1、圖2所示)。

2建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究方法

2.1研究對(duì)象廠房建筑相關(guān)資料

安徽某工廠廠房為四跨單層排架結(jié)構(gòu),廠房主體部分長(zhǎng)為158m,寬度82m,中間兩跨為高跨部分,兩側(cè)為低跨。同時(shí)每跨度之間有28榀屋架,為混凝土鋼筋結(jié)構(gòu),高度3m。

2.2研究對(duì)象廠房建筑結(jié)構(gòu)功能分析

2.2.1廠房設(shè)計(jì)構(gòu)造①覆蓋在鋼筋上的混凝土防護(hù)層不滿足要求厚度;②伸縮縫與沉降縫構(gòu)造失調(diào);③在開空洞環(huán)節(jié)未正確設(shè)置洞邊緣的配筋;④建筑廠房基礎(chǔ)建設(shè)于鹽漬區(qū)域;⑤針對(duì)廠房混凝土結(jié)構(gòu)的隔熱層、防滑層等施工不合理。2.2.2廠房建筑材料質(zhì)量①所應(yīng)用水泥品種不合適,水泥中的含堿量過高;②應(yīng)用細(xì)度過小的水泥,在加水拌合之后水化加速,其放熱過程導(dǎo)致干燥效果加劇,使收縮增大,造成混凝土開裂;③應(yīng)用含堿活性礦物骨料;④所選擇骨料顆粒的級(jí)配不當(dāng);⑤對(duì)于外加劑的使用不合理,比如減水劑中含有過量的氯離子。2.2.3廠房建筑施工質(zhì)量①水灰比過高,比如為了方便施工和運(yùn)輸過程,未按規(guī)定要求提高水灰比;②單方水泥用量過高,比如為了縮減工期、提升混凝土早強(qiáng),以增加水泥用量,繼而引發(fā)水化熱過高,造成結(jié)構(gòu)開裂;③拆模過早,比如為了追趕工期、加速模板周8轉(zhuǎn),繼而提前拆模,造成混凝土結(jié)構(gòu)承載力不足;④澆注、振搗或者養(yǎng)護(hù)不當(dāng);⑤施工組織不合理,導(dǎo)致不良施工縫的出現(xiàn)。2.2.4廠房建筑外界環(huán)境條件①氣候多變,比如所處環(huán)境溫度經(jīng)常交替,干濕環(huán)境不穩(wěn)定;②所處環(huán)境惡劣,比如工程周邊區(qū)域二氧化碳、二氧化硫等氣體濃度較大;③有害物侵入,比如碳酸鹽、堿溶液侵入地基土等。2.2.5廠房建筑裂縫問題建筑工程施工環(huán)節(jié)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫問題,此問題對(duì)施工有很大影響,容易造成工程質(zhì)量受阻,并且在各大類型建筑工程中都會(huì)或多或少出現(xiàn)。混凝土作為一種基礎(chǔ)建筑材料相較來說具有一定優(yōu)勢(shì),但其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,容易受到外界因素影響,從而出現(xiàn)裂縫。從工程實(shí)踐來看,混凝土裂縫依嚴(yán)重程度會(huì)對(duì)總體工程產(chǎn)生相應(yīng)影響,此類裂縫出現(xiàn)原因多是難以預(yù)料的,且出現(xiàn)裂縫部位和裂縫形態(tài)具有差異性。需要根據(jù)裂縫部位和類型來尋找成因,才能制定有效的處理方案。2.2.6廠房建筑養(yǎng)護(hù)問題建筑工程施工環(huán)節(jié)需要做好廠房養(yǎng)護(hù)工作。混凝土常會(huì)由于內(nèi)外部溫差影響而破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因此養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)要做好混凝土散熱工作,以此降低混凝土裂縫現(xiàn)象的出現(xiàn)。操作人員要在這個(gè)環(huán)節(jié)均勻振搗混凝土,將其熱量散發(fā)出來,而通過這一步驟,還能夠強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu),提高施工性能,進(jìn)而保證建筑建設(shè)質(zhì)量。另外在完成這一工作后,后續(xù)還要實(shí)行混凝土保溫、薄膜放置等工作流程。

2.3建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案的提出

在混凝土結(jié)構(gòu)施工中,應(yīng)當(dāng)深入了解混凝土施工的技術(shù)原理,制定適合建筑工程項(xiàng)目的施工方案,控制施工中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、溫度應(yīng)力等。比如要依據(jù)工程項(xiàng)目的硬度、強(qiáng)度等要求,確立水泥標(biāo)號(hào)、水泥使用量等;為了控制水泥水化中的熱量釋放問題,可以用低熱水泥進(jìn)行施工。再如在混凝土澆筑過程中,應(yīng)當(dāng)盡量避免在炎炎夏日或過高溫度下施工,以有效控制工程施工中的澆注溫度。要想做好混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì),首先需要明確耐久性設(shè)計(jì)的目標(biāo),同時(shí)結(jié)合工程所在地的環(huán)境勘測(cè)數(shù)據(jù)及施工條件,選擇優(yōu)質(zhì)的材料進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)完善,以便于一次性解決廠房建筑物的耐久度問題。

2.4建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案實(shí)施評(píng)價(jià)

混凝土結(jié)構(gòu)受環(huán)境條件影響,會(huì)導(dǎo)致自身性能失常,如果長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣環(huán)境中,混凝土耐久性發(fā)生劣化。因此在設(shè)計(jì)耐久性的方案中,為控制下降性能,會(huì)將性能水平確定在一個(gè)界限,通過fDLS表示,如果下降的性能處在這一水平時(shí),計(jì)算所得服役時(shí)間可以理解為此性能的應(yīng)用期限,此界限范圍表示為混凝土耐久性極限。具體設(shè)計(jì)時(shí),使用年限控制就是基于耐久性極限這一條件來設(shè)計(jì)材料性能,確保混凝土結(jié)構(gòu)劣化速率在預(yù)定使用年限范圍內(nèi)。也就是說在耐久性設(shè)計(jì)中,需要重點(diǎn)考慮的三大要素為使用年限的設(shè)計(jì)、受環(huán)境影響混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化以及耐久性極限。“結(jié)構(gòu)耐久性”在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有被定義,即混凝土結(jié)構(gòu)在考慮到環(huán)境影響以及日常使用養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)上,其結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的適用性以及安全性能在規(guī)定使用年限中的持續(xù)有效性。是對(duì)上述三要素的覆蓋。耐久性問題的產(chǎn)生原因是由于混凝土及其組成材料受環(huán)境作用而出現(xiàn)劣化。研究發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)劣化成因主要是混凝土孔隙結(jié)構(gòu)在連通外界后,由于化學(xué)活性的作用,而使自身物質(zhì)、能量與外界環(huán)境置換;混凝土鋼材存從性質(zhì)上看存在電化學(xué)活性,受外界條件作用而形成化學(xué)變化。分析緩凝土結(jié)構(gòu)劣化中的環(huán)境影響因素,主要能產(chǎn)生作用的環(huán)境條件有:大氣環(huán)境、腐蝕性介質(zhì)、地下水環(huán)境。而所導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)劣化顯現(xiàn)在混凝土材料上以及混凝土鋼材劣化過程,前者包括反復(fù)凍融、腐蝕性介質(zhì)而導(dǎo)致的性能影響,后者則是混凝土表面中性化或混凝土內(nèi)部被氯離子入侵而腐蝕了鋼筋結(jié)構(gòu)。除此之外,特殊情況混凝土硬化后內(nèi)部會(huì)發(fā)生反應(yīng),造成材料劣化,具體反應(yīng)有硫酸鹽和堿-骨料反應(yīng)等,并且也將此當(dāng)做耐久性問題。結(jié)合上述內(nèi)容,有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有說明,將混凝土材料與結(jié)構(gòu)從耐久性角度來分析,依據(jù)其構(gòu)造肌理受環(huán)境類別影響而導(dǎo)致的不同結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的劃分,大體如下:①正常環(huán)境,混凝土鋼筋受一般大氣影響而出現(xiàn)腐蝕;②溫度異常環(huán)境,混凝土反復(fù)受凍后融化而導(dǎo)致材料損傷;③④被一起歸類為海洋氯化物、除冰鹽以及掐他氯化物環(huán)境,此環(huán)境下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到氯離子侵蝕;⑤化學(xué)腐蝕環(huán)境,混凝土遭遇地下水、大氣污染物侵蝕而劣化。因此,要想做好廠房混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì),首先需要明確耐久性設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在混凝土材料中,不同材料的選擇,要根據(jù)建筑工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合工程所在地的環(huán)境勘測(cè)數(shù)據(jù)及施工條件,選擇優(yōu)質(zhì)的材料。水泥材料,水泥砂漿的強(qiáng)度關(guān)系到整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。水泥砂漿質(zhì)量越好,各項(xiàng)工程性能指標(biāo)也越高。對(duì)水泥的選擇要科學(xué)合理,降低水泥的干縮性、堿含量,提升水泥的抗凍性、耐腐蝕性,更好地確保混凝土耐久性。同時(shí)需要參照GB50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì),同時(shí)用澆筑試件的鋼制模具如圖3做混凝土抗裂實(shí)驗(yàn)去評(píng)定,要結(jié)合項(xiàng)目工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),做到充分研判,科學(xué)施工。影響耐久性的因素很多,在施工前,要做好項(xiàng)目勘測(cè),明確混凝土抗凍、抗?jié)B、抗化學(xué)腐蝕、耐磨等指標(biāo)。結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)等級(jí),對(duì)混凝土材料進(jìn)行科學(xué)配比。影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的另一個(gè)重要因素就是混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋結(jié)構(gòu)的銹蝕現(xiàn)象,現(xiàn)階段常用的防護(hù)鋼筋銹蝕的方式為使用鋼筋銹蝕阻銹劑。混凝土劣化具有多樣性,設(shè)計(jì)不良、施工不當(dāng)、材料應(yīng)用失調(diào)等都會(huì)引發(fā)混凝土劣化,在工程實(shí)踐中也會(huì)存在結(jié)構(gòu)維護(hù)不良、所依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不合適等方面的原因。就微觀層面來說,導(dǎo)致混凝土劣化最為主要的原因在于氯離子向混凝土中的滲入,繼而引發(fā)鋼筋銹蝕,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。

3建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)具體實(shí)施方案

3.1明確設(shè)計(jì)目標(biāo)

①根據(jù)設(shè)計(jì)三要素對(duì)混凝土耐久性極限以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行確定,基于強(qiáng)度以及極限值要求來選擇組成混凝土的基礎(chǔ)材料。②了解實(shí)際混凝土施工環(huán)境,例如施工場(chǎng)地的氣候變化預(yù)測(cè)、雨水酸堿度、地下水酸堿鹽度等指標(biāo),調(diào)查后根據(jù)所得數(shù)據(jù)來對(duì)混凝土配比等進(jìn)行調(diào)整。③如果混凝土需要在較低溫度條件下進(jìn)行使用,例如在海拔高地區(qū)建造公路,要分析歷往此區(qū)域凍融平均年數(shù),在科學(xué)合理的引進(jìn)引氣劑,為混凝土耐久性提供保障。④如果施工場(chǎng)地的環(huán)境條件存在較大化學(xué)腐蝕現(xiàn)象,比如雨水酸堿度較低或地下水含鹽量較高等,要在具體應(yīng)用時(shí),先針對(duì)混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)做好抗腐蝕做事,像是在其表層涂環(huán)氧涂層。⑤如果周圍環(huán)境變化幅度大,基于環(huán)境的不同有針對(duì)性的調(diào)整與優(yōu)化耐久性方案設(shè)計(jì)。⑥通過對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行排水設(shè)計(jì),來強(qiáng)化混凝土耐久性。

3.2結(jié)合現(xiàn)場(chǎng),提升混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于廠房建筑集料,著重關(guān)注集料的堿活性、耐腐蝕性和吸水性。對(duì)集料的級(jí)配進(jìn)行合理設(shè)計(jì),測(cè)量集料中各成分的含量,提升集料的和易性。需要強(qiáng)調(diào)的是,針對(duì)集料級(jí)配比例,要控制整體酸堿性,避免因環(huán)境pH值而影響混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性。針對(duì)外加劑的處理,通過調(diào)控外加劑,來改善混凝土的性能。如適當(dāng)增加減水劑,以改善混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度,為耐久性提供保障;通過適當(dāng)增加引氣劑,以降低混凝土內(nèi)部的氣孔數(shù)量,增強(qiáng)耐凍性;通過適當(dāng)增加膨脹劑,以減少混凝土的收縮率,提升抗?jié)B性;通過適當(dāng)增加緩凝劑,以降低混凝土的極限溫升,減少因溫度降低而導(dǎo)致的混凝土裂縫問題。混凝土礦物摻合料,如硅灰、粉煤灰、沸石粉、石英砂等,主要用于改善混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性,適當(dāng)增加摻合料,可以增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度。

3.3做好周密勘測(cè),科學(xué)組織施工

通常,對(duì)各類外加劑的使用,氯離子含量要低于0.02%;對(duì)高效減水劑的使用,以減水劑干重為基準(zhǔn),硫酸鈉在其干重的20%以內(nèi)。混凝土在進(jìn)行澆筑前,需要先檢查鋼筋、保護(hù)層墊塊等,確保保護(hù)層厚度達(dá)標(biāo)。如果澆筑的為大面積混凝土,還要科學(xué)設(shè)計(jì)施工縫位置,避免冷縫。在混凝土澆筑后,要做好科學(xué)養(yǎng)護(hù),嚴(yán)禁過早拆除支撐。對(duì)冬季等惡劣天氣,要對(duì)整個(gè)施工項(xiàng)目做好防潮、防凍處理。充分考慮建筑工程周邊環(huán)境要素,做好建筑物防水、排水工作。

3.4混凝土保護(hù)層厚度

混凝土具有高堿度特性,會(huì)使鋼筋表面形成一層鈍化膜,從而對(duì)鋼筋形成保護(hù)作用。混凝土保護(hù)層能夠起到阻止外界氧氣、水分以及腐蝕介質(zhì)滲入的作用,而所起到的保護(hù)效果跟混凝土保護(hù)層厚度、密實(shí)程度等相關(guān)。因此,適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度屬于在建筑工程中提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、促進(jìn)結(jié)構(gòu)使用壽命延長(zhǎng)的關(guān)鍵舉措。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中,對(duì)于混凝土保護(hù)層最小厚度值的確定,應(yīng)該具體考慮下述幾點(diǎn):①為了避免箍筋先銹蝕,保護(hù)層厚度應(yīng)該從箍筋的外表面開始計(jì)算;②保護(hù)層最小厚度設(shè)計(jì)除了要充分考量外部環(huán)境因素之外,還應(yīng)具體依據(jù)設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行確定;③要將國(guó)家相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置的保護(hù)層最小厚度理解成標(biāo)定值,并將工程設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)明的厚度值計(jì)入到施工允許公差值之內(nèi);④不管在任何工況之下,保護(hù)層的最小厚度都不應(yīng)該低于15mm,并保證保護(hù)層厚度大于鋼筋直徑;⑤要關(guān)注預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕作用所具備的危害性,采用先張法時(shí)保護(hù)層厚度不應(yīng)該低于20mm,采用后張法時(shí)保護(hù)層厚度不應(yīng)該低于管道直徑。通常情況下,針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,其保護(hù)層厚度應(yīng)該比普通混凝土構(gòu)件大5-10mm,而封閉錨具處于干濕交替環(huán)境之下的保護(hù)層厚度不應(yīng)該低于50mm;⑥直接澆注于土壤中的結(jié)構(gòu)(比如柱基礎(chǔ)等)、設(shè)置于海水環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土,其保護(hù)層最小厚度不應(yīng)該低于75mm;⑦對(duì)于輕骨料混凝土,其保護(hù)層厚度要適當(dāng)增加5-10mm;⑧倘若混凝土結(jié)構(gòu)表面存在粉飾覆蓋層,對(duì)其保護(hù)層最小厚度的設(shè)計(jì)可以降一級(jí),亦或是以減小5mm計(jì)算。

3.5混凝土材料及其配合比

①原材料基本要求。在對(duì)混凝土進(jìn)行耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要合理選擇與配置各種混凝土原料,確保得到更加密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu),針對(duì)混凝土自身具有的抗裂性、抗凍性以及抗?jié)B性等性能要進(jìn)一步對(duì)其強(qiáng)化。通常判斷混凝土耐久性程度可以通過向混凝土中摻入水、二氧化碳或相應(yīng)化學(xué)介質(zhì),通過觀察滲透度就可分析其結(jié)構(gòu)的耐久性高低。為了獲得理想的抗?jié)B性能,必須科學(xué)選擇水泥品種,采用充足的水泥用量同時(shí)應(yīng)盡量降低水灰自由配比,同時(shí)合理選擇骨料及其級(jí)配;②應(yīng)用具有良好性能的外加劑。在混凝土中適當(dāng)添加一些外加劑,比如阻銹劑、減水劑、養(yǎng)護(hù)劑以及引氣劑等,能夠起到改善與提升混凝土結(jié)構(gòu)整體耐久性效果的作用。在選用外加劑時(shí),要明確生產(chǎn)廠家所推薦的摻入量,同時(shí)關(guān)注其化學(xué)成分、減水率、含堿量、含氯離子量以及使用方法等,各項(xiàng)技術(shù)性能要充分符合國(guó)家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求;③限制氯鹽含量。當(dāng)存在氯離子時(shí),即便是高堿度混凝土鋼筋,也會(huì)被腐蝕。氯離子侵入混凝土的途徑一般有兩種。其一為“混合摻入”,比如摻拌含有氯鹽的外加劑、含氯鹽的水、在含鹽環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行混凝土拌制等;其二為“滲入”,環(huán)境當(dāng)中的氯鹽經(jīng)過混凝土宏觀及微觀上的缺陷,逐步滲入到混凝土當(dāng)中達(dá)到鋼筋表面。其中,前者一般屬于施工管理中的問題,表面看比較好解決,但是在工程實(shí)踐中時(shí)有發(fā)生。而后者則屬于一種綜合性技術(shù)問題,跟混凝土本質(zhì)、密實(shí)性、混凝土層厚度以及工程建設(shè)質(zhì)量等多種因素直接相關(guān)。混凝土內(nèi)部屬于高堿環(huán)境,氯離子滲入混凝土內(nèi)并抵達(dá)鋼筋表面,需要達(dá)到一定濃度才會(huì)使鋼筋發(fā)生銹蝕。具體來說,在工程實(shí)踐中,對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土,應(yīng)該將其氯離子重量控制于水泥重量的0.06%以內(nèi),而普通混凝土的氯離子總量不應(yīng)該超過水泥重量的0.1%。

4結(jié)論

綜上所述,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是影響建筑工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵要素,必須從工程設(shè)計(jì)管理和技術(shù)應(yīng)用等方面加大投入,合理優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性效果,促進(jìn)工程整體建設(shè)質(zhì)量的提升,在為社會(huì)提供更為優(yōu)質(zhì)工程產(chǎn)品的同時(shí),獲得更好的工程效益。

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作者:汪晨 單位:安徽實(shí)華工程技術(shù)股份有限公司