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1、混凝土结构的耐久性,辅导资料,内容简介,1.概述2.混凝土的碳化3.混凝土中钢筋的锈蚀4.碱-骨料反应5.混凝土的冻融破坏6.化学侵蚀7.混凝土的表面磨损,1 概述,随着钢筋混凝土结构服役时间的增加，其结构中会出现各种各样的病害。如果混凝土结构的施工质量不佳或者结构物设计有缺陷等，都会加速这些病害的进一步发展。混凝土结构的耐久性是指混凝土在设计寿命周期内，在正常维护下能够使用，而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境各种因素的作用下，仍能保持原有性能的能力。,破坏的钢筋混凝土结构,1 概述,1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，梅塔教授指出：“当今世界混凝土破坏原因按重要性递
2、减顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。”其中，侵蚀环境下的物理化学作用包括淡水及酸性水侵蚀、混凝土的碳化等。,混凝土结构材料劣化形式分类,1 概述,从混凝土结构材料的劣化上来看，混凝土结构耐久性破坏作用有：混凝土的碳化 混凝土中钢筋的锈蚀 碱-骨料反应 混凝土冻融破坏 化学侵蚀 混凝土的表面磨损,影响结构耐久性能的主要因素,内部因素,外部因素,其他因素,混凝土的强度、密实度、水泥用量、水灰比、氯离子及碱含量、外加剂用量、保护层厚度等,环境条件，主要包括温度、湿度、CO2含量、侵蚀剂介质等,设计构造上的缺陷、施工质量差、使用中维修不当等,2 混凝土的碳化,混凝土的中
3、性化过程 空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中pH值下降的过程。混凝土的碳化 大气环境中的CO2引起的中性化过程。,2 混凝土的碳化,混凝土的碳化反应结果有两个方面：一方面，反应生成碳酸钙和其他固态物质会堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续CO2的扩散，使混凝土密实度提高；另一方面，孔隙中的Ca（OH）2浓度及pH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。,2.1 混凝土碳化的影响因素,材料因素 水灰比，水泥品种和用量，骨料种类和粒径，外掺加剂，养护方法和龄期，混凝土强度。环境条件因素 相对湿度，CO2浓度，温度施工质
4、量,2.2 混凝土碳化深度检测方法,X射线法 用专门的仪器，不仅能测试完全碳化深度，还能测试部分碳化深度，但这种方法适用于实验室的精确测量。化学试剂法 现场检测时，通常在混凝土表面钻洞，喷上化学试剂，根据反应的颜色测量碳化深度。常用1%浓度的酚酞酒精溶液，它以pH=9为界限，已碳化区呈无色，未碳化区呈粉红色，最终测试完全碳化的深度。另有一种彩虹指示剂，可以根据反应的颜色判别不同的pH值，因此可以测试完全碳化深度和部分碳化深度。,3 混凝土中钢筋的锈蚀,混凝土中水泥水化后，在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，因此在正常情况下钢筋不会锈蚀；但钝化膜一旦破坏，在有足够水和氧气条件下会产生电化学腐蚀。混凝
5、土中钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。钢筋锈蚀，一方面会使钢筋有效截面减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋和混凝土之间的粘结作用下降，破坏他们共同作用的基础，从而严重影响混凝土结构物的安全性和正常使用性能。,3.1 钢筋锈蚀机理,钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。混凝土中的钢筋锈蚀实质为电化学腐蚀。,3.2 影响混凝土结构钢筋锈蚀的因素,pH值温度Cl-浓度混凝土的电阻抗孔隙水饱和度和相对湿度水灰比养护龄期保护层厚度水泥品种与掺和料,当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢
6、筋锈蚀电化学过程。当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加24倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能。当构件使用环境很干燥（湿度40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。,3.3 钢筋锈蚀的非破损检测方法,物理法 主要是通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况。有电阻棒法、涡流探测法、射线法、声
7、发射探测法及红外热像法等。电化学法 主要是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。与物理法比较，电化学法有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点。常用的方法有自然电位法、交流阻抗谱法和极化测量技术等。,4 碱-骨料反应,混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性，而其反应一旦发生很难阻止，更不易修补和挽救，被称为混凝土的“癌症”。,4.1 碱-骨料反应机理,碱-硅酸反应 骨料中的活性二氧化硅与碱发生的膨胀
8、反应。可分为骨料表面的活性二氧化硅在碱溶液中的溶解、化学反应生成硅酸盐凝胶、反应生成物的体积膨胀、进一步反应形成液态溶胶等几个阶段。碱-碳酸盐反应 黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。碱-硅酸盐反应 碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。,4.2 碱-骨料反应的发生条件,碱-骨料反应发生所必备的三个条件：混凝土中含有过量的碱骨料中含有碱活性矿物混凝土处在潮湿环境中,5 混凝土的冻融破坏,混凝土发生冻融破坏的条件 混凝土处于饱水状态 混凝土受冻融交替作用冻融循环产生的破坏作用 冻胀开裂 表面剥蚀,5.1 冻融循环破坏机理,1945年，P
9、owers提出了混凝土冻融破坏的静水压假说，此后又与Helmuth一起提出了渗透压假说。这两个假说合在一起，较为成功地解释了混凝土冻融破坏的机理，奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。,5.2 影响混凝土抗冻性的因素,平均气泡间距水灰比外加剂强度骨料水泥品种和用量混合材冻结温度和降温速度,5.3 混凝土的盐冻破坏,为防止高速公路和城市道路上冰雪致滑造成交通事故，经常采用在路面撒除冰盐（NaCl或CaCl2）的办法，因为盐能降低水的冰点，达到自动融化雪的目的，但除冰盐的使用将引起路面混凝土剥蚀和钢筋锈蚀。影响混凝土抗盐冻耐久性的因素 含气量，水灰比，水泥品种与混合材，盐的种类,6 化学侵蚀,在一些侵
10、蚀性介质（包括酸、碱、硫酸盐、压力流动水等）中的混凝土，可能遭受化学侵蚀而破坏。化学侵蚀分为三类：溶出性侵蚀 溶解性侵蚀 膨胀性侵蚀,6.1 溶出性侵蚀,密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动水中，水化产物Ca（OH）2会不断溶出并流失。Ca（OH）2的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，这些水化产物的溶出使混凝土的强度不断降低。混凝土溶出性侵蚀速度主要取决于混凝土的渗透性、Ca（OH）2含量，水泥熟料的矿物组成和掺合料的成分等。,6.2 溶解性侵蚀,酸侵蚀 实践表明，环境水的pH值小于6.5时就会对混凝土造成酸侵蚀。这样的酸性水在一般自然环境中式不多见的。碱侵蚀 碱
11、的浓度不大（15%以下），温度不高（低于50）时，碱对混凝土的侵蚀作用很小，但高浓度的碱溶液或熔融状碱会对混凝土产生侵蚀作用。,6.3 膨胀性侵蚀,硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的膨胀性侵蚀。硫酸盐侵蚀是混凝土化学侵蚀中最广泛和最普通的形式。硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁等硫酸盐均会对混凝土产生侵蚀作用，通常是硫酸钠、硫酸钠和硫酸镁的侵蚀。土壤的地下水是一种硫酸盐溶液，土壤的硫酸盐浓度超过一定限值时就会对混凝土产生侵蚀作用。在污水处理厂、化纤工业、制盐、制皂业等厂房附近的地下水中，硫酸盐浓度较高，经常发现混凝土结构物的硫酸盐侵蚀破坏现象。硫酸盐也是海水的主要成分。,7 混凝土的表面磨损,机械磨耗 如路面、机场跑道、厂房地坪混凝土受到反复摩擦、冲击造成的；冲磨 如桥墩、水工泄水结构物受高速水流中夹带的泥砂、砾石颗粒的冲刷、撞击和摩擦造成的；空蚀 如水工泄水结构物受水流速度和方向改变形成的空穴冲击作用造成的。,
