国内外混凝土结构设计规范的氯盐环境作用指标分析.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ， 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 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 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 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 环境腐蚀作用强度较高， 浪溅区最高。 由此可判断， 该规范 将海洋环境作用等级由低到高划分为水下区、 水位变动 区、 大气区和浪溅区四个等级。 普通钢筋混凝土构件在北方气 候下的耐久性设计指标值与南方气候下的规律一致。 2 2 C C E S 0 1 ： 2 0 0 4 凝土结构耐久性设计与施工 指南 ( 2 0 0 5年修订版) 我国土木工程学会标准 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 ) 圆 按照材料 的劣 化机理确定不 同的环境类别 ， 有 I 、 I I 、 I I I 、 、 v， 分别对 应 1 5 0 于一般环境( 保护层混凝土碳化引起钢筋锈蚀 ) 、 冻融环境 ( 反复冻融导致混凝土损伤 ) 、 海洋氯 化物环境 ( 氯 盐引起 钢筋锈蚀 ) 、 除冰盐等其他氯化物环境 ( 来 自海水 的除外 ) 、 化学腐蚀环境( 硫酸盐等化学物质对混凝土的腐蚀 ) 。 在每 一 类别下再按温、 湿度及其严重程度等不同环境条件区分 其环境作用等级 ， 其中氯盐环境包括第 m类和第 类 ， 其作用等级见表 7 。 对于第 1 I I 类即近海或海洋环境 ， 土木工程学会标准参 考 F l u g e 调查挪威海上大桥 及 S o r e n s e n和 Ma a h n调查丹 麦 已建成桥梁的资料 ， 以平均水位上方 1 5 m为界划分轻度 盐雾 区和重度盐雾 区； 参考 日本公路协会手册 、 日本建筑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 混凝土结构耐久性设计与施工指南 中氯盐环境作用等级划分回 注： 地表或地下水氯离子浓度的高、 低区分为： 低 1 0 0 - 5 0 0 rag L ； 较高 5 0 1 5 0 0 0 ra g L ； 高 5 0 0 0 mg L 。 如构件周边永久浸没水中不存 在干湿交替或接触大气 ， 可按环境作用等级 I V C考虑。 其中， C代表中度、 D代表严重 、 E代表非常严重、 F代表极端严重。 协会颁布 的高耐久性混凝土设计 与施工建议 、 日本 土木学 会 混凝土标 准 、 英 国 H o b b s 、 我国烟台地 区对暴露 于室外 混凝土构件的调查等的资料， 以离涨潮岸线 1 0 0 m为界划 分 轻度盐雾区和重度盐雾区嘲 。 而对第 类除冰盐等其他 氯化物环境则是以环境中氯离子浓度划分等级。 土木工程学会标 准也是根据环境作用等级确定 混凝 土最低强度等级、 最大水胶比、 保护层最小厚度、 氯离子的 最大含量、 表面裂缝计算宽度限值、 胶凝材料最小用量等 耐久性设计指标 的。 2 3 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ( 混凝土结构耐久性设计 规 范 国家标准 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结构耐久性设计 规范 1 对于环境类别划分与学会标准一致 。 环境作用等级 参考学会标准 ， 如氯盐环境对配筋混凝土结构构件的作用 等级划分见表 8 。 该规范对水 中和土 中氯离子浓度 的高低进行 了定 量 划分。 满足耐久性要求的混凝土最低强度等级、 保护层最小 厚度 、 最大水胶 比、 混凝土中氯离子的最大含量 、 配筋混凝 土中骨料最大粒径、 表面裂缝计算宽度限值等指标均结合 环境作用等级进行设定。 2 4 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0 ( 铁路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 铁路混凝土结构耐久 性设计规范 将铁路混凝土结构所处的常见环境划分为 碳化环境 、 氯盐环境 、 化学侵蚀环境、 盐类结晶破坏环境、 冻融破坏环境、 磨蚀环境六种类别。 规范规定铁路混凝土结 构处于多种环境共同作用情况下， 应对结构所处的不同环 境作用分别 进行确定 ， 所 采取 的耐久性技术措施应同时满 足每种环境作用 的要求。 该规范 中氯盐环境 的作用等级参 考 国家标准 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ( 混凝土结构耐久性设计规 范 按 侵蚀部位 、 距离海岸线远近 、 湿度 、 水 中和土 中氯离 子浓 度进行 L 1 、 L 2 和 L 3三级划分 ， 其 中 L 1 、 L 2 和 L 3环 境作 用等级下水 中和土 中氯离子浓度的范 围分别对应于 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结构耐久性设计规范 中较低、 较高和高氯离子浓度， 见表 9 。 2 5 1 T G T B 0 7 0 1 2 0 0 6 公路工程混凝土结构 防腐蚀技 术规 范 交通行业标准 J T G T B O 7 - 1 2 0 0 6 公路工程混凝土 结构防腐蚀技术规范 适用于普通混凝土建造的公路桥梁、 隧道 、 涵洞 、 支档构筑物等工程结构 ， 其环境作用等级主要 根据结构所 处部位 ， 并结合 气候进行确定 ， 并进 而确定 耐 久性设计指标， 其中氯盐环境作用等级见表 1 0 。 2 6 J T S 1 5 1 2 0 1 1 水运工程混凝土结构设计规范 交通运输部颁布的 J T S 1 5 1 2 0 1 1 水运工程混凝土结 构设计规范 ， 适用于水运工程水工建筑物钢筋混凝土、 预 应力混凝土和素混凝 土结构的设计 。 该规范对海水环境腐 蚀作用强度的划分方法、 对耐久性设计指标的规定均参考 了J T J 2 7 5 -2 0 0 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 。 水运工程混凝土结构设计规范 仍将海水腐蚀环境划分为 大气 区、 浪溅 区 、 水位 变动区和水下 区等 四类 ， 与 海港工 程混凝土结构防腐蚀技术规范 完全一致 ， 尽管不同区域 的耐久性设计指标规定部分有改变 ， 如 水运工程混凝土 结构设计规范 关于水下区的保护层最小厚度值增大至 4 0 mm， 水位变动区和水下区的混凝土最低强度等级分别 1 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 8混凝土结构耐久性设计规范中氯盐环境作用等级划分1 注 ： 水 中氯离子浓度的高低划分为 ： 较低 1 0 0 5 0 0m g L ； 较高 5 0 0 5 0 0 0 mg L； 高 5 0 0 0 mg L； 土 中氯离子浓度的高低划分 为： 较低 1 5 0 7 5 0 mg k g ； 较高 7 5 0 7 5 0 0 m g k g ； 高 7 5 0 0 m g k g 。 表 9 铁路混凝土结构耐久性设计规范中氯盐环境作用等级划分 环境作用等级 环境条件 L1 长期在海水 、 盐湖水 的水下或土中 ； 高于平均水位 1 5 m 的海上大气区 ； 离涨潮岸线 1 0 0 3 0 0 1 1 1_ 的陆上近海 区； 水 中氯离子浓度 1 0 0 mg L且 5 0 0 mg L ， 并有干湿交替； 土中氯离子浓度 1 5 0 mg k g且 5 0 0 mg L且 5 0 0 0 mg L ，并有干湿交替 ；土中氯离子浓度 7 5 0 mg k g 且7 5 0 0 mg k g ， 并有干湿交替。 海水潮汐区和浪溅区( 炎热地区) ； 盐渍土地 区露出地表的毛细吸附区； 水 中氯离子浓度 5 0 0 0 mg L ， 并有干湿 交替 ； 土中氯离子浓度 7 5 0 0 mg k g ， 并有干湿交替。 除冰盐( 氯盐) 环境 近海或海洋环境 混凝土中度饱和水( 偶受除冰盐轻度作用时按 D级 ) E 混凝土高度水饱和 F 轻度盐雾 区 离平均水位 1 5 m以上的海上大气区， 离涨潮 D 岸线 1 0 0 2 0 0 m 内的陆上环境 大气区 重度盐雾 区 离平均水位 1 5 m以下的海上大气区，离涨 E 潮岸线 1 0 0 m内的陆上环境 土 中 区 水下区 潮汐区和浪溅 区， 非炎热地区 潮汐区和浪溅区， 南方炎热地区 D D E F 受除冰盐溅射的构件竖向表面 直接接触除冰盐的构件水平表面 靠海的陆上结构 ， 桥梁上部结构 近海土中或海底的桥墩基础 长期浸没于水中的桥墩 、 桩 与含盐土壤接触的墩柱等构件露 出地面以上的“ 吸附区” 注： 地表或地下水中的氯离子对钢筋混凝土构件 的作用等级如下 ： 氯离子浓度 1 0 0mg L H 5 0 0 mg L 时， 可按 C级 ； 5 0 0me, L且 5 0 0 0 mg L时可按 E级。 以上适用于受干湿交替的情况 ， 如永久处于水下 ， 可按降低一级考虑。 1 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由C 3 0 和 C 2 5 提高至 C 3 5和 C 3 0 ， 浪溅区氯离子渗透性限 值降低至 1 5 0 0 C， 而对水灰比和最小水泥用量没有做定量 规定 ， 但根据这些设计指标规定得 出的不 同区域 的环境腐 蚀作用等级划分结果与 海港工程混凝土结构防腐蚀技术 规 范 完全相同。 从以上国内规范可以看 出 ， 我 国规范对氯盐腐蚀环境 的作用 等级规定 比美 、 日、 欧标准更加详细 ， 混凝 土结构 耐久性设计规范 将海洋环境作用等级划分为四级 ， 同时 将其他 氯盐环境作用划分为三级 ， 海港工程混凝土结构 防腐蚀技术规 范 和 水运工程混凝土结构设计规范 将海 洋环境作用按 照有无掩 护条件各划分为 四个等级 ； 混凝 土结构耐久性设计与施工指南 将海洋环境作用和其他氯 盐环境作用各划分为三类 ， 铁路混凝土结构耐久性设计 规范 、 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 将氯盐环 境作用等级划分为三类 ， 而且每一类 中都根据氯离子浓度 或与海水 的距 离加 以细分 。 但上述定量划分的依据并没有 通过试验或数值模拟得到验证。 应注意的是 海港工程混 凝土结构 防腐蚀技术规范 和 水运工 程混凝 土结构设计 规范 规定的海水环境水位变动区与国内其他规范的海洋 潮汐区存在区别 。 这两部规范将水位 变动区单 独列 出 ， 且 其腐蚀作用等级低于浪溅 区， 没有提及潮汐 区。 3 案例分析 3 1 案 例 设 计 某 海工混凝土结构处 于亚热带海洋环境 ， 年均气温为 2 2 7 ， 该结构设计使用年限为 5 0 年 ， 该工程 的现浇混凝 土柱位于海岸浪溅区。 结合 国内外混凝 土耐久性设计 规范 的指标 和相关规定 ， 对该柱进行耐久性设计。 3 1 1 环境作用等级选取 根 据表 1 欧洲通用 标准 ( E N 1 9 9 2 ： 2 0 0 4 E u r o c o d e 2 、 E N2 0 6 1 ) 的规定 ， 该混凝 土结 构现浇柱所处 的环境为 “ 海 洋氯盐环境下潮汐区、 浪溅区” ， 其对应的环境作用等级为 X S 3 ； 根据表 7 我国 混凝土结构耐久性设计与施工指南 和表 8 混凝土结构耐久陛设计规范 的规定， 该混凝土结构 现浇柱所处的环境为 “ 南方炎热潮湿地 区的近海或海洋环 境下 的潮汐区和浪溅 区” ， 其对应 的环境作用 等级为 I I I F ； 其他标 准和规范 中该混凝土结构现 浇柱所 处的环境对应 3 1 2 结构耐久性设计指标确定 在欧洲通用标准 中 ， 根据环境作用 等级 X S 3 、 结 构服 役寿命 5 0 年 、 柱形构件条件， 查该标准中相关表格可得该 混凝土结构现浇柱 的最小保护层厚度为 5 5 n u 1 ， 最大裂缝 宽度 限值 为 O - 3 mm， 混凝 土最 低强度等级为 C 3 5 ， 并进 而 可 以根据配套欧洲标准 E N2 0 6 1 查得最大水灰 比为 0 4 5 ， 最小水泥用量为 3 4 0 k g m ； 我国 混凝土结构耐久性设计 与施工指南 和 混凝土结构耐久性设计规范 ， 根据环境 作用等级 I I I F 、 柱形构件、 结构服役寿命 5 0年， 查该标准 中相关表格可得到混凝土最低强度等级为 C 5 0 ， 最 大水胶 比为 0 3 6 ， 最小保 护层厚 度分别 为 6 5 、 5 5 n q l 1 ， 表 面裂缝 计算 宽度 限值分别为 0 1 5 、 0 1 0 mm， 最小胶凝材料用量为 3 6 0 k g m3 o 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 规定粗 骨料 最大粒径不大于保护层厚度的 2 3 ， 计算得 到骨料最 大粒径 4 3 m m。 根据其他标准和规范中相应环境作用等级 查表或计算得到的结构耐久性设计 指标如表 1 1 中所示。 3 2 分析与讨论 3 2 1 环境作用等级 由表 1 1 可以看出 ， 各国标准和规范对氯盐环境下混凝 土结构 的耐久性设计指标 均根据其所处 的环境作用等级 确定 ， 即在进行氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计之前 ， 必须先确定该混凝土结构所处的环境作用等级。 氯盐环 境下混凝土结构的环境作用等级根据结构所 处的空间位置、 气候条件、 氯盐浓度等因素确定， 但各国指 南 、 标准和规范在氯盐环境下混凝土结构所处 的环境作用 等级的分类和具体划分依据上存在差异： ( 1 ) 部分规范在海洋环境下环境作用等级根据混凝土 结构所处的空间位置划分 。 欧洲标准根据结构空间位置 ， 将位 于海洋环境下潮汐浪溅 区的海工结构柱环境作用等 级划分为 X S 3 ； 我国 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规 范 和 水运工程混凝土结构设计规范 根据结构空间位置 和气候条件 ， 将位于海洋环境下潮汐浪溅 区的海工结构柱 环境作用等 级划分为南方气候浪溅区等级 ； 混凝土结 构 耐久性设计与施工指南 、 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 和 公路工程混凝土结 构防腐蚀技术规范 根据结构空间位置， 将位于海洋环境 下潮 汐 浪溅 区 的海 工结 构柱 环境 作用 等级 分别 划分 为 I I I F、 L 3和 F级。 ( 2 ) 部分规 范对于除海洋环境 以外的其他氯盐环境下 环境作用等级根据混凝土结构所处环境腐蚀严重程度划 分。 美 国混凝土结构规 范对暴露于潮湿环境且受来 自外部 海水 或受海 水喷溅 的海工结 构柱划分 为严重 腐蚀 的 C 2 级 ； 日本指南对处 于非常不利影 响的环境 、 潮汐 和浪溅 区 的海工结构柱划分为严重腐蚀环境作用等级。 ( 3 ) 上述两种分类方式尽管在表现 形式上有差异 ， 但 对于以定性分析为主要手段的混凝土耐久性设计而言 ， 其 效果基本相同。 ( 4 ) 综上所述 ， 虽然各 国混凝土设计标 准或规范对 同 一 腐蚀环境确定环境作用等级方式有差异 但应用于本文 算例时 ， 都达到海洋环境腐蚀 的最高作用等级 。 造成上述结论的主要原 因是 ， 由于各 国在区域地理位 置 、 气候条 件 、 混凝 土原材料 、 试 验方法等方 面 的实践 经 验 、 统计数 据和参 考文献不 同所 导致 ； 且 由于混凝 土结构 耐久性影响因素存在随机性， 各国标准或规范是以定性分 析为主的经验方法 ， 对这些影响因素缺乏标准化和量化处 理 ， 造成处于具体环境 中的混凝土结构环境作用等级难以 做 出准确判断 ， 也为后续结构耐久性指标设计带来一定难 度和误差 。 3 2 2 混凝土耐久性设计指标 各 国标 准或 规范对 混凝 土结构在氯盐环境下环境作 用等级划分的差异 ， 导致选取的混凝土结构耐久性设计指 1 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 1 某海工结构柱在各国混凝土设计规范 中的耐久性设计指标取值 欧洲通用标准 ( E N 1 9 9 2 ： 2 0 0 4 E u r o c o d e 2 、 E N2 0 6 1 ： 2 0 0 0 ) 美国( A C I 3 l 8 1 1 、 ACI 3 5 7 R 8 4 ) 日本 ( J S CE Gu i d e l i n e s f o r C o n c r e t e No 1 5 、 No 1 6 ) 海港工程混凝土结 构防腐蚀技术规范 ( J T J 2 7 5 - - 2 0 0 0) 混凝土结构耐久性 设计规范 ( GB T 5 0 4 7 0 0 8 ) 混凝土结构耐久性 设计与施工指南 ( C CE S 0 1 - - 2 0 0 4) ( 2 0 0 5 年修订版) 铁路混凝土结构耐 久陛设计规范 ( T B 1 0 0 0 5 _2 0 1 0 ) 公路工程混凝土结构 防腐蚀技术规范 ( J T G TB 0 7 l -2 0 0 6 ) 水运工程混凝土结 构设计规范 J TS】 51 - 2 O1 1 XS3 0 4 5 ， 3 40 、 一 C35 C45 5 5 0 3 0 一 ( T k L L )( 水泥) 一 一 C2 04 0 严重腐蚀 0 4 5 3 3 0 环境 ( 水灰 t L ) ( 水泥 ) 南方气候0 4 4 0 0 浪溅区( 水灰比) ( 水泥 ) F 0_ 3 6 3 6 0 南方气候 浪溅区 3 5MPa 6 5 6 0 0 2 0 2 O 或 2 5 浓度 1 2 ， m ( 参考) 钢筋腐蚀临界氯离子 抗氯离子渗透电通量 C4 0 65 020 43 2 0 0 0C C5 0 6 5 0 1 5 25 C5 0 5 5 0 1 0 2 3 氯离子扩散系数( 5 6 d ) C45 6 0 0 1 5 3 0 DRCM 41 0 一 l m2 s 氯离子扩散系数( 2 8 d ) DRCM 6xl O m2 s C5 O 55 0 1 0 25 抗氯离子渗透电通 量 1 5 0 0 C C4 0 6 5 O- 2 0 一 注 ： 根据欧洲规范 E N2 0 6 1 ： 2 0 0 0 ， C 3 5 C 4 5 表示分别采用混凝土圆柱体试件( 1 5 o mm x 3 O O mm) 和 昆 凝土立方体试件( 1 5 0 mm x l 5 0 i n mx 1 5 0 m m) 进行标准抗压强度试验时的 2