混凝土結構耐久性與壽命預測

壹、混凝土結構壽命評估的準則

建築結構與其他產品一樣，都具有使用壽命，建築結構的使用壽命可以分為自然壽命和無形 壽命[48]。

1. 自然壽命：

稱為結構的使用壽命或耐久年限，是指建築結構在正常使用和正常維護的條件下，仍具有 其預定使用功能的時間。對於已經使用一個時期的舊建築物，將在正常使用和正常維護的條件 下，仍然具有其預定使用功能的時間，稱為結構的殘餘使用壽命或殘餘耐久年限。

2. 無形壽命：

指建築結構尚未達到自然壽命之前，由於種種原因終止其原有使用功能的時間。如工業廠 房結構尚處於完好狀態，但根據技術改造的需要，廠房的使用功能(廠房高度、跨度、吊車重 量等)已不能滿足新工法的要求而不得不拆除重建。

英國的Somerville[49]以使用壽命終結的角度出發，將使用壽命分成以下三類：

(1) 技術性使用壽命：是結構使用到某種技術指標(如結構整體性、承載力等)進入不合格狀態 時的期限，這種狀態可能因為混凝土剝落、鋼筋鏽蝕引起。

(2) 功能性使用壽命：與使用功能有關，指結構物使用到不再滿足功能實用要求的期限，如建 築物抗震能力不能適應新的要求、結構的用途發生改變等。

(3) 經濟性使用壽命：是結構物使用到繼續維修保留，倒不如拆除更為經濟的期限。

混凝土結構使用壽命的評估準則

如前述，影響混凝土結構耐久性的主要因素之一是混凝土中的鋼筋鏽蝕，由於目前 尚未能很好的掌握混凝土中鋼筋鏽蝕的全過程，致使在混凝土結構耐久性極限狀態的確 定上未能達到共識。在混凝土結構耐久性評估中，主要有有下幾種壽命準則。

1. 碳化壽命準則

是以保護層混凝土碳化而失去對剛筋的保護作用，使鋼筋開始產生鏽蝕的時間作為 混凝土結構的壽命。基本上是以混凝土碳化深度達到鋼筋表面作為鋼筋開始鏽蝕的標 準。Funahashi[50]在研究停車場預力構件的使用壽命時，提出了以鋼筋開始鏽蝕作為壽 命終止的標準，並通過有限差分法計算了構件的壽命。

採用碳化壽命準則的理由，主要是考慮鋼筋一旦開始鏽蝕，不大的鏽蝕量、不長的 時間就足以使混凝土開裂，而開裂後鏽蝕受到很多隨機因素的影響，很難做出定量的估 計。這一準則比較適合不允許剛筋腐蝕的鋼筋混凝土構件(如預力構件)，但對大多數混 凝土結構來說，以鋼筋開始鏽蝕作為結構使用壽命終止的標準，顯然過於保守。大量實 際工程的調查表示，混凝土碳化深度達到鋼筋表面並不是鋼筋鏽蝕的充分條件，有許多 使用了二、三十年的構件，碳化深度已達到甚至超過鋼筋表面，而鋼筋尚未發生鏽蝕[48]。

2. 鏽脹開裂壽命準則

是以混凝土表面出現沿筋的鏽脹裂縫所需時間作為結構使用壽命。這一準則認為，

混凝土中的鋼筋鏽蝕使混凝土縱裂以後，鋼筋鏽蝕速度明顯加快。將這界限視為危急結 構安全，需要維護加強維護處理的前兆。Tuutti[51]就提出了基於鋼筋鏽蝕的結構構件之 使用壽命兩階段預測模型，對於一般大氣環境，結構構件使用壽命T=t1+t2，其中t1為混 凝土保護層完全碳化、鋼筋的鈍態膜遭破壞並開始鏽蝕的時間，t2為因鋼筋鏽蝕發生導 致結構構件達到耐久性極限狀態的時間；Morinaga[52]以氯離子引起鋼筋鏽蝕導致混凝 土出現順筋裂縫為失效準則，由試驗建立縱裂時的鋼筋鏽蝕量與鋼筋鏽蝕速度關係來預 測構件的壽命。

但試驗證明，在一般保護層厚度、鋼筋直徑和混凝土強度情況下，保護層開裂所需 的鏽蝕失重率只有0.5%~1.9%，這比規範所允許的鋼筋截面誤差±5%要小的多。對於有 裝修、觀感的結構構件，採用混凝土開裂壽命準則可能較為妥當。

3. 裂縫寬度與鋼筋鏽蝕量限值壽命準則

由於鏽脹開裂的標準很難定量，且鏽脹開裂對於大多數結構的安全性和適用性影響 不大。人們又提出裂縫寬度與鋼筋鏽蝕量控制的壽命原則，即認為鏽脹裂縫寬度或鋼筋

鏽蝕量達到某一界限值時壽命終止。如有人提出以保護層出現0.15~0.25mm 裂縫寬度或 鋼筋截面損失率達到 1%做為耐久性極限狀態的標準[53]。

對於工業廠房或一般民用建築，採用鏽脹開裂壽命準則、裂縫寬度與鋼筋鏽蝕量限值壽命準 則似乎仍偏嚴。在實際工程中有不少這樣的實例，構件混凝土的保護層早已脫落，鋼筋鏽蝕嚴重，

但構件仍在"正常"使用。因此，對於一般混凝土構件，已受力破壞作為評定壽命終止的標準則會 更合理些。

4. 承載力壽命準則

是考慮鋼筋鏽蝕等引起的抗力退化，以構件的承載力降低到某一界限值作為耐久性極限狀 態。結構構件殘餘壽命取結構目前狀態到可靠指標β 值下降到某一水平時所需的時間 Tβ，或從結 構目前狀態到耐久性失效所需時間TD中取小值(其中TD為混凝土碳化深度到達鋼筋表面時間T1 與鋼筋開始鏽蝕到出現鋼筋裂縫時間T2 之和)[54]。

如圖2-17 所示[56]，對混凝土結構耐久性破壞準則的合理選擇是進行耐久性評估與壽命預測 的重要前提。由於混凝土結構的性能退化過程是一個極其複雜的演化過程，不僅取決於結構本身，

而且與結構所處環境有非常密切的關係，故在有些情況下，鋼筋鏽蝕並不嚴重，但卻發生了構件 破壞現象；而有實鋼筋鏽實已出現明顯的斷面損失，卻未發生破壞，構件還在"正常"使用。因此，

並不存在一個規定不變的耐久性評估準則，對不同類型的結構、不同的使用環境等應區別處理。

以上四種壽命準則基本上屬於結構的技術性使用壽命，主要是從結構的安全性和適用性方面 給出了評定結構耐久性終結的標準，而未能考慮經濟因素等在結構耐久性評估中的作用。更為合 理的耐久性終結標準不應單純從結構的安全性與適用性的角度考慮，還應綜合考慮結構的經濟效 益與社會效益、結構耐久性破壞及功能喪失所造成的損失以及社會經濟發展水平等諸多因素，採 用風險決策方法來設置耐久性極限標準[55]。

圖2-17 結構的使用壽命示意圖[56]

(資料來源：文獻[56]) 貳、混凝土結構使用壽命的預測方法

混凝土結構耐久性分析的目的主要是進行新建混凝土結構使用壽命預測與現有混凝土結構的 使用壽命評估。

一、 新建混凝土結構使用壽命預測

使用壽命因其與材料性能、細部構造、暴露狀態、劣化機理等許多因素及其相互作用有關而 甚難量化。混凝土的劣化往往是多種因素的綜合作用結果，至少是一種侵蝕過程和荷載的共同作 用。由於綜合作用的影響機理相當複雜且不明瞭，所以，目前對混凝土使用壽命的預測還只能考 慮其中的一個主要因素。現在有各類預測方法，通常組合起來應用，其中最有價值的是利用數學 模型並應用隨機概念的預測方法。

1. 基於經驗的預測方法

這是根據試驗室和現場大量試驗結果與以往經驗的累積，對使用壽命作評定量的預測，其中 包含了經驗知識與推理。目前的一些混凝土標準實際也是這樣來評估壽命的，認為如果能夠按照 標準提出的原則和工法，混凝土就將具有所需的壽命。要是設計壽命比較長，使用環境條件惡劣，

或者遇到一種新的情況而缺少經驗，這種預測方法就不太可靠。

2. 基於比較的預測方法

這種方法用的甚少，其中假定混凝土在某一期限內是耐久的，則相似環境下的相似混凝土也 將有同樣的壽命。由於材料、形狀、施工質量、荷載和環境的變異性，每一種混凝土結構往往是 獨一無二的，不同的小氣候條件也會影響混凝土的使用壽命。所以即便有相似的使用條件，將過 去的經驗直接用來做比較則不甚合理。

3. 加速試驗預測方法

混凝土的耐久性試驗多採用加速試驗，如採用較高的侵蝕物質濃度、較高的溫度或濕度以加 速劣化過程。加速試驗的劣化機理應該與使用條件下的相同。應用加速試驗結果的主要困難在於 缺乏使用狀態下的長期數據，但至少可用來解決預測使用壽命的數學模型問題。美國墾務局曾將 硫酸鹽侵蝕的加速試驗與長期試驗作過比較，其中將試件長期連續的至於2.1%的硫酸鈉溶液中，

直至達到0.5%的膨脹率並定義為破壞，得到這一期限為 18~24 年；另外將試件至於同樣濃溶液中 16h，然後取出在 54℃溫度下強使乾燥後再繼續循環浸泡乾燥，直至達到同樣的膨脹率。結果發 現加速試驗一年相當於長期試驗八年。

4. 數學模型預測方法

利用數學模型預測使用壽命是目前較多被採用的方法，其預測的可靠度與模型合理性以及材 料與環境參數選取的準確性有關。現在已發展了考慮不同的侵蝕介質(水、鹽類或氣體)從混凝土 表面向內部侵入過程的數學模型用於壽命預測。

5. 壽命預測的隨機方法

上述的壽命預測方法都屬於確定性方法，即將影響結構使用壽命的各因素均作為確定的量 值，由此得到的壽命預測結果只能是均值意義上的使用壽命。在耐久性評估中，無論採用哪一種 壽命準則，由於影響結構使用壽命的各因素都是隨機變量，甚至是隨時間變化的隨機過程，如混 凝土保護層厚度經實測統計是符合常態分佈的隨機變量，當由於混凝土腐蝕或鋼筋鏽蝕而使混凝

上述的壽命預測方法都屬於確定性方法，即將影響結構使用壽命的各因素均作為確定的量 值，由此得到的壽命預測結果只能是均值意義上的使用壽命。在耐久性評估中，無論採用哪一種 壽命準則，由於影響結構使用壽命的各因素都是隨機變量，甚至是隨時間變化的隨機過程，如混 凝土保護層厚度經實測統計是符合常態分佈的隨機變量，當由於混凝土腐蝕或鋼筋鏽蝕而使混凝