14海水中预应力混凝土.docx

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1、海水中预应力混凝土的开裂David C. Stark, George Horeczko, Mort Rowghani自1960年以来，预应力的预制混凝土桩就一直用于南加州的洛杉机港口。为了尽量减 少预制桩在运输、装卸和打桩过程中受损伤，有必要施加预应力。潮差区的承载要求和使 用条件需要结构具有能够承受集装箱货运操作良好的耐久性。在1991年的年度检查中，曾见过一些集装箱货运码头前排承载桩柱开裂的报道。达 3mm宽的纵向裂缝从低潮位的水线向下延伸直到泥线，在高潮位以上一般没有发现裂缝。 有些裂缝一直连到泥线，有些则是间断的，有时像“双重”的或“平行”的裂缝。基于对观测报告和结构的关注，1998年

2、决定进行调查研究，以确定这些预应力混凝土 桩开裂的原因，包括碱-骨料反应（ASR）、钢筋锈蚀以及因浸没于海水而发生的硫酸盐侵 蚀。ASR是可能的原因，依据是混凝土国际杂志上一篇关于ASR是圣地亚哥地区海水 中混凝土桩破坏原因的文章；另外，Stark也报道过海水中普通混凝土桩和预应力混凝土桩 发生纵向开裂的情况。据说凡暴露于海水的结构物中硫酸盐侵蚀都在发展。本调查中，混 凝土冻融不在此列，因为洛杉玑地区的海水一直很温暖。本文总结了对这些混凝土桩的现场和岩相学、力学与化学分析，提出了维修的方案和 预防今后施工隐患的建议。调查用以下一些调查方法表征所发现的裂缝：1. 所选进行检测桩的标志、位置、特征

3、和条件。2. 描述桩在海水中和海水以上部分垂直裂缝出现的日志表和开裂程度的录像。3. 按照ASTM C 856 硬化混凝土岩相检验标准”，对10条所选桩的18个混凝土芯样进 行了岩相检验。4. 根据ASTM C 469 “受压混凝土静弹性模量和泊松比标准检测方法”，检测6个混凝 土芯样的静弹性模量。5. 根据ASTM C 496 “混凝土圆柱体试件劈拉强度标准测试方法”，检测6个混凝土芯样 的劈拉强度。6. 根据ASTM C 1218 “砂浆和混凝土中水溶性氯化物的标准检测方法”，测定从8个混 凝土芯样中选定深度取出的23份粉末样品中水溶性氯化物含量。现场观察从日志数据和录像的观察来看，可以明

4、确以下几点：1. 损坏的主要形式为各混凝土桩立面上分布的纵向裂缝，有的没有，有的只一条，有的 有多条裂缝。图1所示为一根预应力桩上一条长约1.82.4m的裂缝。2, 纵向裂缝的产生仅限于各混凝土桩一直浸在海水中的部分；而海水以上的部分没有受图1浸没在海水中的混凝土桩立面上的一根纵向裂缝，宽度0.81.6mm到破坏。3. 受到影响的混凝土桩使用年限为12至 34年，开始发生纵向裂缝时间不得而 矢口。八角形的桩和方桩一样都出现纵向 裂缝。4. 受破坏和未受破坏的预制预应力混凝 土桩都使用南加州圣加布利尔（San Gabrie 1）峡谷的粗骨料和细骨料。小部 分预应力桩使用来自温哥华的骨料，一 条纵

5、向裂缝也没发现。5. 这次调查中所有的混凝土桩制造时都经过蒸气养护。根据这次调查，对18根直径为100mm 的标准混凝土芯样进行了检测，这些芯样水 平地取自宽度为410或610mm的桩。两组 芯样分别取自8根桩，一组取自水线以上的 部分，一组是水线以下的部分；还有两根芯 样取自另外610mm的八角形桩，都是水中 部分的。岩相检测对18根芯样分别拍照、切片、精细研 磨，加工的新鲜断面可以更好地显露混凝土 的微结构和其它特征。有选择地制成薄片和 粉末载片，用于观察和用岩相显微镜检验来 解释这些特性。检验显示，18根芯样中的5根发现纵向 裂缝，并且只有浸泡在海水中的部分才开裂， 在暴露面最宽达6mm

6、，如图2所示。显微镜 观察显示裂缝从裸露的外表面向内延伸达25 到125mm，呈锥形深入成非常细而杂乱的微 裂缝，局限在混凝土的浆体部分和浆体与骨料 的界面。这些微裂缝呈现在芯样的表面及锯开 的和精磨的表面，与其它类似微裂缝相交叉， 且充满了白色的二次反应产物。图2直径100mm的混凝土 12#芯样，其 断面有一条纵向裂缝，从混凝土成型面向内延伸 约6 mm，然后不连续地、随机地发展达64mm 的深度。芯样表面骨料颗粒周围（箭头所指）薄 薄的白色沉淀是钙矶石。图3 1#芯样薄片的照片，显示沿浆 体-骨料界面上蓝色、黄色、紫红色的DEF （箭头所指）带。实心紫红色区域是石英 细骨料颗粒（200

7、X）填充在水泥浆体中。钙矶石一般显现为极细薄片检验显示在出现纵向裂缝的混凝土 中，有钙矶石存在，与周围为裂缝相互联系，的针状到板状，通常在浆体-骨料界面的微裂 缝表面正取向（或垂直），并整个填充于混凝 土中浆体的微裂缝。这些微裂缝的宽度为3到 40p m。图4 6#芯样薄片照片，显示含有黄色（箭 头所指）和兰色钙矶石晶体的环形紫红色气 孔。这种形式的钙矶石在混凝土中是常见的， 对结构性能没有重要影响（200 X）钙矶石是一种水化硫铝酸钙，通常是水泥 在常温下水化期间形成的。当采用蒸养加速水 泥的水化和强度发展时，混凝土内部的温度达 到7075C的条件下，水化硫铝酸钙可能会变 得不稳定，正如He

8、inz和Ludwig所述，在以 后的数月或数年再形成就会产生不同的效果。如果未水化水泥的SO3 / Al2O3摩尔比超过0.60，又足够地潮湿，则不稳定的水化产物会缓慢地又重新生成硫铝酸盐，因而导致混凝土的膨胀和开裂。这种所谓的延迟钙矶石生成 （DEF）已证实是形成并填充于骨料颗粒边缘和混凝土浆体中杂乱分布的微裂缝里的一种 反应产物。原有的气孔可能会与钙矶石相连接，但这不代表发生了引起裂缝和膨胀的DEF。 这种反应现象直到八十年代才有了较好的解释。受DEF影响的混凝土芯样中，钙矶石的典型形貌示于图3至图5。图片中的着色是由 于在岩相显微镜下用石膏板通过透入交叉极化光在薄片部分看到的二次折射（以

9、双折射为 特征）矿物的光学效果。这些色彩不是混凝土组分的任何天然色。钙矶石的存在用岩相显 微镜通过粉末载片和折射标志油从光学上得到证实。浆体和骨料界面的一条钙矶石带如图3所示，为薄的蓝色、黄色、紫红色层（箭头处）， 互相平行，且垂直于均匀的紫红色石英颗粒。这一特性表征了在高温蒸养后出现裂缝和形 成钙矶石界面处的晶体形貌。钙矶石以外的其它杂色的区域是相邻的水泥浆体。裂缝宽40p m，长13至U 25mm 或更长。在图4中，一个薄片显示与气孔相连的钙 矶石（箭头处）。在这个部位，黄色的和蓝色的 晶体在气孔表面取向，而均匀的紫红色是气孔 的空敞处。这样的形貌是开裂的或不开裂的混 凝土中常见的钙矶石，

10、对混凝土的性能和破坏 几乎没有关系。图51#芯样薄片的照片，显示在水泥浆体与片麻花岗岩骨料中长石晶体间界面达 40微米宽的微裂缝（双箭头）。一个达20微 米宽的二次微裂缝（单箭头）穿过浆体，与 一次微裂缝相互交叉，二者均由裂缝表面取 向的针状钙矶石填充（200 X）图5中显示的宽达40p m的微裂缝从混凝 土的水泥浆体中穿过，而且在浆体与花岗岩片 麻岩骨料颗粒中长石晶体的界面处（箭头处）。 这些微裂缝充满了钙矶石，显示黄色、紫红色。 这些观察和大量在别处的其它类似特征成为 DEF的证据。还进行了岩相研究，以确定ASR是否可能促进或引起了混凝土桩的纵向裂缝或其它形 式的裂缝。采用双氧铀丙酮一UV

11、光法检测每一芯样新鲜断面上可能的ASR凝胶，如果发 现有，可用岩相显微镜进一步证实。检测的结果表明，在断面上只有很少量可能是ASR胶 体的很小范围的膜，但都不能被岩相显微镜证实其存在。同样，在可能有ASR的水泥浆体 和骨料颗粒中没有微裂缝。另外还调查了混凝土桩中预应力钢绞线和钢筋锈蚀破坏的可能原因。有两个芯样在预 应力钢绞线处仅有轻微的点蚀。其它没有与其有关的裂缝，几乎没有钢筋锈蚀产物粘结于 所形成的混凝土表面。氯离子浓度表1混凝土芯样氯离子含量的测定芯样编号龄期（年）海水-高潮位纵向裂缝宽度（in）试样深度（in）Cl （%试样质量的）混凝土 *水泥*120以下0.250.5 1.02.0

12、2.53.0 3.50.4340.4030.3781.371.271.19415以下无1.0 1.53.75 4.256.5 7.00.2780.0790.0040.880.250.01612以下0.061.0 1.53.0 3.55.0 5.50.1200.0150.0050.380.050.02715以下无1.0 1.54.5 5.07.5 8.00.0020.0020.0010.010.010.011234以下0.081.0 1.53.0 3.50.5690.4681.801.481412以下无1.0 1.53.5 4.06.5 7.00.0640.0020.0020.2020.010.

13、011620以下0.081.0 1.53.5 4.57.58.50.5140.3720.2700.621.170.851812以下无1.0 1.53.5 4.56.5 7.00.0980.0040.0010.310.010.01*所有试样结果的百分数（%）基于报道过的混凝土单位重2460kg / m3和混凝土的水泥用量475kg/m3（ASTM C 1218 砂浆和混凝十中水溶性氯化物标准实验方法”）收取水溶性氯化物含量以确定其浓度是否达到了一般认为使混凝土桩预应力钢绞线发 生锈蚀的水平。表1中所有的测试数据以混凝土试样的质量百分比和波特兰水泥的质量百 分比表示。为此，采用了报道过的单位重24

14、60kg/m3和水泥用量475kg/m3。粉末样品取自 16根芯样中的8根，每一个样品取自13到200mm三种深度的部位。ACI 222委员会（混凝土中的金属腐蚀)建议：超过波特兰水泥质量0.06%的水溶性氯化物含量可能引起混凝 土中预应力筋在适当的条件下发生快速锈蚀4。 #由这些结果看来，8根芯样中的4根(1#、4#、12#、16#)在预应力筋上方保护层75mm 以上深处的水溶性氯化物含量都超过了 0.06%的快速锈蚀极限。这4根芯样却没有沿预应 #力钢绞线发生锈蚀引起的纵向裂缝。相反，6#、7#、14#、18#芯样的水溶性氯化物含量在 临界水平以下，其中三个在低潮位处，一个在高潮位以上。曾

15、有报道只有在8#芯样中发现 了可测出的锈蚀产物(没有测氯化物)，并且有6mm宽的纵向裂缝。此处，DEF引起的微 裂缝很多，可能在后期引起了所观察到的钢筋锈蚀。总之，可以得出结论，尽管在这些混 凝土桩中有很高的氯离子浓度，即使有锈蚀，也几乎没引起桩产生可观察到的纵向裂缝。表2混凝土芯样的力学性质芯样 编号龄期(天)海水-高潮位纵向裂缝宽度(in)静弹性模量(GPa)抗压强度(MPa)劈拉强度(MPa)120以下0.256220以上无6612以下0.0623.967715以上无6815以下0.2523.4591012以下无71134以上无23.45571234以上0.0830.1611412以下无

16、81520以上无27.7611720以下无31.071力学性质静弹性模量、抗压强度、劈拉强度的结果示于表2。数据表明静弹性模量从23到31 GPa， 与桩中有无裂缝没有关系。同样地，进行静弹性模量测试后芯样的抗压强度与裂缝的出现 与否没有一定的关系，为59到71MPa。无筋的芯样劈拉强度也与裂缝的出现没有固定的关 系，为6到8MPa。讨论调查研究表明，纵向裂缝可能是由于钙矶石在混凝土于高温蒸养后延迟生成的。观察 到的钙矶石是针状到柱状的晶体，正取向于浆体骨料界面，以及在混凝土水泥浆体中纵横 延伸的极细小的微裂缝中。由于DEF造成的微裂缝的发展，正如所描述的似乎在程度和严重性上相对较小。裸露 在

17、桩表面的纵向裂缝形貌是以锥形向里延伸约75mm或略小，这些裂缝的形式似乎是由于 平行于预应力钢绞线的膨胀受到约束，再加上对预应力钢绞线周围的箍筋环状约束而产生 的，因此，所观察到的细小微裂缝是随机的。同样，纵向裂缝在表面有较大的宽度主要是 因为自然的或其它表面磨损所造成。如前所述，必须具备以下3个条件，才能使混凝土桩产生DEF及其相关的裂缝：水泥 中硫与铝的摩尔比明显超过约0.60，一般可由水泥氧化物成分进行计算得知；混凝土制备 过程中蒸养温度超过75C,而在后期现场安装时环境相对湿度超过95%。如果装配以前没 有长期暴露于潮湿环境并且已经开裂，那么一旦开始安装，其发展就取决可得到的水分。 浸

18、泡在海水中，即100%相对湿度下，则可能产生DEF和纵向裂缝。反之，在水线以上可 得到的水分有限，就不存在因DEF而造成的异常开裂。由于DEF造成的开裂在混凝土桩 中并不是无限的或无止境的，不像冻融那样。确切地说，一旦钙矶石和相关产物在蒸养和 安装后已经形成，开裂是一次性现象，不是日益加剧的。在本例中，海水中混凝土桩的寿 命有12到34年。那么，钙矶石造成的破坏可能在多年前已结束。对这些桩的混凝土芯样 进行力学性能检测结果可以证明这一结论。静弹性模量，、抗压强度、劈拉强度结果表明， 目前的混凝土有相对高的质量，海水中和海水以上的都没有明显的进展性劣化。ASR和预应力钢绞线的锈蚀也是混凝土桩发生

19、纵向开裂可能的原因。海水中含有可观 的碱量，主要是钠，而混凝土中使用了硅质的粗细骨料，因此有些人认为ASR是一种影响 因素。但是没有证据表明ASR与桩的破坏有关。主要原因是海水中和原始的混凝土拌和水 中缺少氢氧根离子。氢氧根，或OH商子是溶液中引起基于钠钾碱离子的ASR的成分。在 混凝土拌和水中，碱离子主要由氢氧根离子产生电平衡；在海水中，碱离子主要由氯离子， 而不是氢氧根离子电平衡。因此，海水中的钠或其它碱离子不可能造成ASR破坏。同样潮 位以上因为缺少水分和氢氧根离子，也不会有ASR破坏发生。第二个被认为可能引起纵向开裂的因素是混凝土桩中预应力钢绞线的锈蚀。岩相检测 没有得出与预应力钢绞线

20、或普通钢筋锈蚀有关损坏的证据。在一芯样中，发现有根缆索的 几根钢绞线存在局部点蚀和轻微的剥落，但混凝土表面临近钢绞线处则完全没有发现锈蚀 的迹象。芯样中也没有发现其它部分严重锈蚀的证据。在某些桩位，氯离子含量远超过ACI 222低于水泥重0.06%的规定，但其锈蚀似乎仍未发展到可测量到的程度。这种情况可能与 海水中溶解氧的浓度不足以使混凝土受腐蚀有关。结论和建议基于以上调查研究得出以下结论和建议：1. 海水中预应力混凝土桩上的纵向开裂和相关的随机微裂缝是由于混凝土受高温蒸养引 起钙矶石延迟生成而造成。2. 混凝土较高的力学性能表明DEF、锈蚀和ASR对这些桩没有影响或影响很小。3. 这些混凝土桩由于DEF产生纵向裂缝是海水暴露条件下的一次性开裂，而不是持续的、 正在进行的，或需要长期不断维修的劣化的原由。4. 在预应力桩和其它混凝土结构制造过程的蒸气养护，必须在新拌混凝土关键部位预埋热 电偶进行监测，蒸养期间和蒸养刚结束时混凝土体内的温度不能超过60到65Co覃肖译自 Cracking of Prestressed Concrete in Seawater. Concrete International, December 1999.