国内外混凝土结构设计规范的氯盐环境作用指标分析.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 1 期 (总 第 2 7 9 期) Nu mb e r 1 in 20 l 3 ( To t a l No 2 7 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLOGY d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 1 0 4 1 国内外混凝土结构设计规范的氯盐环境作用指标分析 蔡荣 1 , 2 ,杨绿峰 1 l 3 ,陈正 ( 1 广西大学 土木建筑工程学院 工程防灾与结构安全教育部重点实验室。广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ; 2 广西财经学院 发展规
2、划与建设处,广西 南宁 5 3 0 0 0 3 ;3 广西住房和城乡建设厅 ,广西 南宁 5 3 0 0 1 3 ) 摘要 : 针对混凝土结构设计规范中环境作用等级和耐久性设计指标开展对 比分析 , 研究了氯盐环境下国内外混凝土结构耐 久性设计规范中环境作用等级划分的方式、 依据和各规范之间的差异 , 以及该差异对混凝土结构耐久性设计指标造成的影响。 通 过案例分析表明 : 各 国标准和规范对混凝土结构在氯盐环境下耐久性设计指标均根据其所处的环境作用等级确定; 环境作用等 级主要根据混凝土结构在腐蚀环境中的空间位置和环境作用强度进行划分; 各国规范对相同环境条件同一混凝土结构的耐久性 设计指标
3、的取值有所区别 , 我国规范对于氯盐环境的作用等级分类更细。 关键词: 混凝土结构;耐久性设计 ;国内外规范 ;氯盐环境 ;环境作用指标 中图分类号: T U5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 1 4 8 0 8 De s i g n i n d e x a n a l y s i s o f c o n c r e t e s t r u c t ur e d e s i g n c o d e s a t h ome a n d a b r o a d i n c h l or i d e e n v i r
4、 o nme n t CAIRo n g 一, YANG Lu f e n g , CHEN Zhe n g ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d S t r u c t u r a l S a f e t y o f C h i n a Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t ur e , Gua ng xi
5、Un i ve r s i t y, Na n n i ng 5 3 0 0 04, Chi n a;2 De v e l o p me nt Pl a n n i nga ndCon s t r u c t i o nDe p a r t me n t , Gu a n g x i Uni v e r s i t yo f Fi n a n c e a ndEc o n o mi c s , Nan n i n g 5 3 0 0 03, Chi n a;3 De p a r t me n to f Ho us i ng a n dUr b a n R u r a l De v e l o
6、p me n t , Gu ang x i Z h u angAu t o n o mo u s Re g i o n , Na n n i n g , 5 3 0 0 1 3 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : E n v i r o n me n t e x p o s u r e c l a s s a n d d u r a b i l i ty d e s i g n i n d e x o f c o n c r e t e s t ruc t u r e c o d e s we r e a n a l y z e d c o n t r a s t i
7、v e l y T h e me t h o d , t h e o r e t i c a l b a s i s a n d t h e d i f f e r e n c e s o f c a t e g o r i z i n g e x p o s u r e c l a s s e s o n c o n c r e t e s t ruc t u r e i n c h l o r i d e e n v i r o n me n t o f c o n c r e t e d u r a b i l i ty c o d e s a t h o me a n d a b r
8、o a d we r e s t u d i e d T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o we d t h at d ura b i l i ty d e s i g n i n d e x i n c h l o r i d e e n v i r o nm e n t wa s d e t e r mi n e d b y e n v i r o nm e n t e x p o s u r e c l a s s T h e e x p o s u r e c l a s s o f c o n c r e t e s t r u c t
9、u r e i n c h l o r i d e e n v i r o n me n t w a s j u d g e d ma i n l y b y t h e s p a t i a l p o s i t i o n o f c o n c r e t e me mb e r a n d the s e v e r i ty o f c o r r o s i o n o n the c o n c r e t e s t r u c t u r e i n the c o d e s a t h o me a n d a b r o a d T h e v a l u e s
10、o f d u r a b i l ity d e s i gn i n d i c e s f o r s a me e n vi r o nm e n t a nd c o n c r e t e s t r uc t ur e i n c on c r e t e d e s i gn c od e s a t h o me a n d a b r o a d we r e d i f f e r e nt Key w or ds: c o n c r e t e s t r uc t u r e; d ura b i l i t y d e s i gn ; c o d e s a t
11、 h o me a nd a b r oa d; c h l o r i d e e nv i r o nm e nt ; e n v i r o n me n t a l d e s i g n i n de x 0 引 言 处于海洋环境下的港 口码头、 跨海大桥和处于除冰盐条 件下的高速公路 、 桥梁等混凝土结构由于氯盐的侵蚀作用 造成结构 中的钢筋锈蚀 , 从而引起 混凝土开裂 、 剥落 , 最终 导致混凝土结构耐久性破坏 , 造成巨大的经济损失 。 如何针 对氯盐环境下的混凝土结构开展耐久性设计 , 确保其服役 寿命 , 是当前混凝土结构耐久性研究的重点。 所谓结构耐久 性是指在设计确
12、定的环境作用和维修、 使用条件下, 结构构 件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力 1_ 。 在结 构设计中 , 结构耐久性则被定义为在预定作用和预期 的维 修与使用条件下 , 结构及其 构件能在规定期 限内维持所需 技术性能的能力囡 。 环境作用导致结构的材料性能随时间缓 慢衰减, 其强弱会直接影响混凝土结构耐久性劣化 的速率。 规范是结构设计的技术文件 , 在结构设计方面起着重 要的指导作用 , 反映着一个 国家和地区技术和经济发展 的 水平。 技术先进 、 安全 、 适用 、 经济 、 耐用是制定结构设计规 范 的基本原则 。 欧洲 、 美 国 、 日本等 3 _ 】 对混凝 土耐
13、久性设 计相关标准的制订起步较早 , 并不断更新 。 近年来 , 我国相 继颁布 了一批混凝土结构耐久性设计规范 1 ,2 ,1 3 - 1 , 一些学 者对 混凝 土结构设计规范 、 混凝土结构耐久性设计 规 范 、 铁路混凝土结构耐久性设计规范 等进行了解释和 说 明 , 韩秀星 、 刁波【2 】 从混凝 土碳化角度分析 中国与欧 洲规范指标异 同。 环境作用是混凝土结构发生耐久性劣化 的重要诱 因 , 特别是海洋 、 除冰盐等形成的氯盐环境 , 是混 凝土耐久性设计中需要重点考虑的关键因素 。 收稿 日期:2 0 1 2 0 7 2 8 基金项 目: 国 家自 然科学基金( 5 1 1
14、6 8 0 0 3 , 5 1 2 0 8 1 2 0 ) ; 广西自 治区主席基金项H( 2 0 1 0 G X NS F D1 6 9 0 0 8 ) ; 广西 自 然科学基金项H ( 2 0 1 I G X NS F B O 1 8 0 1 3 ) ; 广西 自然科学基金重大项 目( 2 0 1 2 G X NS F E A 0 5 3 0 0 2 ) 1 4 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 本研究针对混凝土结构设计规 范中环境作用等级 和 耐久性设计指标开展对 比分析 , 研究了氯盐环境下各混凝 土结构耐久性设计中环境作用等级划分的方式和依据, 分
15、析 了国内外相关规范中环境作用等级划分 的差异 , 以及该 差异对氯盐环境下混凝土结构耐久性设计造成 的影响。 1 国外混凝土结构设计规 范的环境指标 国外 现行混凝土结构设计规范 主要有 欧洲通用标准 ( E N 1 9 9 2 1 1 : 2 0 0 4 E u r o c o d e 2 ) 、 美 国标准 ( A C I 3 1 8 1 1 ) 、 日 本混凝土指南( J S C E G u i d e l i n e s f o r C o n c r e t e N o 1 5 ) ( 2 0 0 7 ) 等。 1 1 欧洲通 用标 准 E N 1 9 9 2 1 1 : 2 0
16、0 4 E u r o c o d e 2 按照欧洲标准化协会( C E N) 的规定 , 欧洲规范具有与欧 洲国家的国家标准同等的地位 , 到 2 0 1 0 年 3 月 , 与欧洲规范 相抵触的国家标准被废除圈。 欧洲规范是一套相互配合使用 的土木工程结构设计规范 , E N 1 9 9 2 1 1 : 2 0 0 4 E u r o c o d e 2 t 中 规定基 于 E N 2 0 6 1的环境类 别分 为 : 无腐蚀或侵 蚀风险 X 0 、 碳化引起的腐蚀 X C、 氯盐引起的腐蚀 X D、 海水氯盐 引起的腐蚀 XS 、 冻融破坏 X F 、 化学侵蚀 X A。 其中由氯盐 引
17、起的腐蚀环境作用等级划分见表 1 。 虽然该标 准把氯 盐环境分 别按照 两类 X D和 X S划 分, 但作用等级均为三级, X D 1 与 X S 1 属于受氯盐环境影 响的区域 , X D 2与 XS 2 属于受氯盐环境直接作用 的区域 , X D 3与 X S 3属 于受氯盐 环境 影 响且 处 于干湿循 环 的区 域 , 且两类环境相同作用等级下最小保护层厚度和结构最 大裂缝宽度等设计参数是相 同的。 1 2 美国混凝土结构规 范 ACI 3 1 8 1 1 美 国 A C I 3 1 8 1 1 8 中对混凝土结构构件所处环境分类 有 : F类一冻融 破坏环 境 ; S类一硫 酸盐
18、环境 ; P类一低渗 透性环境 ; C类一 钢筋混凝土腐蚀 环境。 有关氯盐环境作 用等级见表 2 。 表 1 欧洲通用标准中氯盐环境作用等级划分圈 F冻融循环破坏 c钢筋的防腐可不考虑 可不考虑 中等 严重 非常严重 可不考虑 中等 严重 暴露于冻融循环条件的混凝土 暴露于冻融循环条件且偶尔受潮的混凝土 暴露于冻融循环潮湿条件的混凝土 暴露于冻融循环潮湿条件和除冰盐环境的混凝土 暴露于干燥环境或有 防潮措施的钢筋混凝土 暴露于潮湿环境但无外部氯盐作用的钢筋混凝土 暴露于潮湿环境且受来 自外部除冰盐 、 盐水 、 碱水 、 海 水中的氯盐或上述物质喷溅带来的氯盐作用的钢筋混凝土 该规范将 同时
19、存在潮湿 和氯盐两 种环境作用 的等级 定义为最大作用等级, 充分体现了氯盐环境作用对混凝土 结构耐久性设计的重要性。 1 3 日本 混凝 土指 南 l S C E Gu i d e l i n e s f o r Co n c r e t e N 0 1 5-2 0 07 日 本混凝土指南( J S C EG u i d e l i n e s f o r C o n c r e t e N o 1 5 ) 1 】 中环境分类包括碳化作用 、 冻融循环破坏 、 化学侵袭引起的 混凝土腐蚀和氯离子引起钢筋锈蚀的环境分类 。 该指南认 为 , 虽然通常有两个或更多因素联合影响混凝土结构耐久性 ,
20、 但现在还没有建立 由两个或更多系数联合影响进行评估的 论证技术。 因此 , 日本混凝土指南采用单独的系数描述混凝 土性能的论证方法 , 如果结构受到两个或更多 因素作用 , 则 可选用各因素中最高的环境作用等级进行耐久性设计。 该规范提供 了与环境作用相对应 的混凝土表 面氯离 子浓度 c s 的建议取值 , 如表 3 所示 。 日本混凝土指南按照钢筋混凝土所受环境腐蚀严 重 程度分类为一般环境 、 腐蚀环境和严重腐蚀环境 , 见表 4 所 示 。 包括混凝土裂缝宽度 限值在 内的耐久性设计参数是根 据结构所处环境条件来决定 的。 从 以上美 、 欧 、 日三 国规范和指南可以看出, 欧洲规
21、范 划分更细 , 将腐蚀环境作用等级 由低到高划分为 XS ( D) 1 、 X S ( D) 2 、 XS ( D) 3 三类 ; 而 日、 美 都将腐 蚀环境 作用划 分 为二个等级 ( 日本分 为严重 、 非 常严重 , 美 国分为 中等 、 严 重 ) 。 美 、 欧 、 日普遍将含有干湿循环 ( 包括潮汐、 浪溅作用 ) 的氯盐环境作用定为最高等级。 日、 美标准都将干燥、 或不 受潮湿影响作为一般( 或不考虑腐蚀) 环境的前提条件。 表 3 日本混凝土指南中混凝土表面氯离子浓度 C s t ” 】k m 1 49 H ; 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o
22、m 表 4 日本混凝土指南中钢筋混凝土腐蚀的环境条件分类口 一 般环境 腐蚀环境 严重腐蚀环境 空气 、 土壤中等无盐分的普通室外环境 对比一般环境 , 常处于干湿交替环境, 且在地下水位之下含有腐蚀 ( 有害) 介质的地下环境 , 常产生对钢筋有害的腐蚀 。 处于海水 中的海洋结构环境 、 或没有暴露于严酷海洋环境中的结构等 。 钢筋混凝土处于非常不利影响的环境。 受潮汐 、 浪溅作用或暴露于严酷海风中的海洋结构环境。 2 国 内混凝土结构耐久性设计规 范环境指标 国内现行 关 于 昆 凝 土结 构耐久 性设 计 规范 根据 颁 布时间 的先后顺序主要有 : 交通行 业标准 J T J 2
23、7 5 2 0 0 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 、 土木工程学会标 准 C C E S O 1 : 2 0 0 4 4 混凝土结构耐久性设计与施工指南 ( 2 0 0 5 年修订版 ) 、 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 4 混凝土结构耐久性 设计规范 、 铁路行业标准 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0 4 铁路混凝 土结 构耐久性设计规范 、 交通行业标准 J T G T B 0 7 0 1 2 o 0 6 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 和 J T S 1 5 1 2 0 1 1 水运工程混凝土结构设计规范 等 。 2 1 I T I 2 7 5
24、2 ( ) (】 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技 术规范 该规范1 3 颁布于 2 0 0 0 年 , 专 门适用于新建海港工程混 凝土结构, 其中对海洋环境腐蚀作用的强度按照不同区域 进行划分 , 如表 5 所示 。 表 5 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范中海水环境混凝土部位划分 注: 值为设计高水位时的重现期 5 O 年日 ( 波列累积频率为 1 的波高) 波峰面高度; 有掩护条件是指具有良好天然掩护或人_丁 掩护水域内的海工结构; 无掩护条件是指开敞式 、 无防波堤或天然屏障掩护的海工结构 , 波浪可直接作用在结构上。 该规范规定设计高水位为高潮 累积频率 1 0 的潮位 , 设计低水
25、位为低潮位累积频率 9 0 的潮位 。 这是我 国港工 规范特有的确定方法 。 国家标准 和土木工程学会标准对水 下区、 潮汐 区和浪溅区 、 大气区的划分依据港工规范。 针对不同腐蚀 区域 , 该规范规定 了混凝 土最大裂缝宽 度限值 、 保护层最小厚度 、 水灰 比最大 允许值 、 最低强度等 级 、 最低水泥用量等耐久性设计指标值 , 表 6为普 通钢筋 混凝土构件在南方气候下的耐久性设计指标值汇总。 表 6 普通钢筋混凝土构件在南方气候下的耐久性设计指标值汇总 由表 6 中的耐久性设计指标值可见 , 该规范考虑水下 区的环境腐蚀作用强度最小, 水位变动区次之, 大气区的 环境腐蚀作用强
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