混凝土材料的耐久性.ppt

第五章 混凝土的性能 Properties of concrete5.3 混凝土的耐久性Durability of oncreteDeterioration of Reinforced Concrete Bridge due to Poor Durability经久耐用？5.3.1 混凝土的耐久性概述v一、定义：混凝土耐久性——混凝土抵抗环境介质作用并长期 保持其良好的使用性能的能力称为混凝土的耐久性混凝土结构耐久性——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v古代混凝土与现代的混凝土过早劣化引发的 思考v土建基础设施工程主要用混凝土建造v基本建设三个阶段：›第 一阶段 大规 模新建阶段›第 二阶段 大规 模新建与维修 改造并重›第 三阶段 维修 改造阶段v发达国家进入第三阶段v统计表明，目前我国处于第二阶段混凝土结 构耐久性不足的问题，要比安全性不足更为严重 ，更迫切需要解决v耐久性研究对新建结构及维修改造都极为重要二、重要性和必要性三、国内外耐久性现状三、国内外耐久性现状v美国Ø1 998年美国土木工 程学会报告：美 国现有29%以上的 桥梁和1/3以上的 道路老化，有 2100个水坝不安 全，估计需有1.3 万亿美元改善其 安全状态。

Ø美 国每年用于基础 设施修复的费用 约为这些基础设 施总资产的10% v英国，据统计有1/3的桥梁需要修复；1996年英国 的损失也超过了6亿英镑v加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程 估计需耗费5000亿美元v日本, 每年用于房屋结构维修的费用达400亿日元 Ø我国现在面临的 耐久性问题是发达 国家早在二、三十 年以前曾经遇到过 的Ø宁波北仑港码头 混凝土梁 ― 建 成后11年就出现大 规模开裂现象宁波北仑港码头混凝土梁-建成后11年v新疆塔城机场:1995年通航仅半年,跑道严重剥蚀v北京西直门立交桥: 10年后严重剥蚀和锈蚀, 1999年重建高速公路不高速安徽省内的合巢芜高速公路……长约100km的高速 公路路面处处千疮百孔、断裂破损京珠高速粤北段 2000.11～12施工2001.5开始出现裂缝广东桂江大桥开裂 裂缝最宽处达10厘米 相关报道：v武汉1座大桥2000年 建成屡次维修后再现裂 缝v大桥维修5个月后仅 使用2月 桥面再次出现 坑洼v南京长江大桥维修不 到位陷入年年大修怪圈混凝土公路和桥梁的使用环境条件与 病害更为严重v2000年全国公路普查: 危桥9597座, 需要维 修费用每年38亿/实际到位8亿v大量水泥混凝土公路需要大修(80％混凝土含碱量的阈值关于碱含量的规定：一般认为：高活性骨料——2.1kg/m3中等活性骨料——3.0kg/m3德国、英国、加拿大、日本规定碱含量限制为： 3.0kg/m3新西兰：2.5kg/m3南非：2.1kg/m3图3-26 典型的碱-骨料反应开裂形式 常见的碱—骨料反应破坏形式 Typical cracking patterns resulting from alkali silica reaction碱骨料反应的破坏特征：时间:一般在混凝土浇筑后2、3年或者更长时间。

变形：整体位移或变形裂缝：网状，顺筋或沿压应力方向凝胶析出：透明或淡黄色凝胶（AAR）部位：越潮湿越明显内部：骨料周围有反应环，内部缝隙界面有凝胶5. 冻害 (Frost damage)破坏机理：混凝土中大毛细孔里的水结冰时，体积 大约要膨胀9%，如果体内没有足够的空间容纳，就 会产生可能引起开裂的压力 此外，因冷冻水蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区 的迁移造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内 应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝 反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断扩大和积累 ，产生开裂与剥落 根本原因：混凝土中含有可结冰的水；如果水从毛细孔中逃逸至 自由空间，则可消除这种 压力； 什么样的水可结冰： 大的 毛细孔中的水随着毛细 孔直径的减小，水结冰的 温度降低；如凝胶孔中- 78℃以上不会结冰思考： 处于我国北方寒冷地区的混凝土建筑，建筑 物的哪个部位容易受到冻害的影响？混凝土不含水或很少时：不会因冻融而破坏 混凝土长期冻结：一般破坏很小混凝土冻融破坏特征v内部微裂纹v表面变酥和剥蚀评定抗冻性的方法 （1）试验方法(快速冻融法）v试件中心冻结温度-15℃v每次循环降温历时1.5-2.5小时v试件中心最高融解温度8℃v每次循环升温历时1.0-1.5小时v整个冻融历时2.5-4.0小时抗冻性：混凝土在水饱和情况下，经受多次冻 融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力（2）评定指标v强度损失:抗压强度损失≤25%v重量损失:≤5%抗冻等级：抗冻砼：≥F50─ F10、F15、F25、F50、F100、F200、F300强度下降≤25% 重量损失≤5%的最大冻融循环次数v影响混凝土抗冻性的因素有： （１）混凝土强度愈高，抵抗冻融破坏的能力越强， 抗冻性越好。

（２）混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量密实 度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压力越 大，抗冻性越差 （３）混凝土孔隙充水程度饱水程度愈高，冻结后 产生的冻胀作用就大，抗冻性越差 （４）引气剂的作用在混凝土中掺入引气剂，可在 水泥石中形成无数细小、均匀的气泡，使之成为压力 水进出的“水库”，使静水压力和渗透压力得以释放 ，对冰冻破坏起到很好的缓冲作用适宜的引气量以 ４％～６％为宜盐冻——更严重（1）含盐混凝土的初始饱水度提高（2）盐的浓度差使孔隙中的渗透压加大 （3）由于盐产生的过冷水处于不稳定状态，结冰 速度更快，产生更大的静水压4）含盐混凝土在水分蒸发失水干燥时，孔中盐 过饱和而结晶，产生一个额外的结晶压力混凝土受热，发生以下三种变化：1）升温时混凝土内毛细孔内的水分逐渐蒸发， 接着水化产物分解，其中结合牢固的水分也逐步 逸出；2）由于硬化水泥浆体和骨料热膨胀系数的差异 ，产生温度应力并导致过渡区开裂，这是500℃ 以上时强度迅速丧失的主要原因3）硬化水泥浆体的水化产物到接近1000℃的时 候分解完毕，强度完全丧失 6. 抗火性 （（fire resistancefire resistance））问题：1. 与普通强度混凝土相比，高强混凝土抗 火性较差还是较好？为什么？2. 为什么用轻骨料的混凝土抗火性能较好？高强混凝土结构致密，内部孔隙率低。

当混 凝土受热后，水化产物分解，产生的水蒸气 不能及时排出，在内部形成大的压力，可导 致混凝土爆裂5.3.4 混凝土中钢材的锈蚀影响结构物寿命的第一大因素钢筋腐蚀种类：①化学腐蚀 ②电化学腐蚀(湿腐蚀，主要)条件： ①电解质溶液—水、溶有CO2的水②局部原电池—不同元素和杂质电化学腐蚀过程：阳极区：Fe = Fe++ +2e阴极区：2H2O + 2e + ½O2 = 2OH — +H2O溶液区： Fe++ +2OH = Fe(OH) 24 Fe(OH) 2 + O2 + 2H2O = 4 Fe(OH) 3 FeFeOFe2O3Fe3O4Fe(OH)2Fe(OH)3Fe(OH)3 3H2O钢筋锈蚀的后果在混凝土内部的碱性环境（pH＞13）中， 钢材表面生成一层致密的钝化膜，保护钢材不 被锈蚀钢筋锈蚀产生的必要条件 ●钢筋表面钝化膜破坏（先决条件） ●有氧气存在 ●有水存在混凝土中钢材的钝化膜由于下 列原因而被破坏1）混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和（pH＜9）而失去碱性；2）海水或道面撒除冰盐所引入的氯离子的作用混凝土中钢材的锈蚀 Corrosion of Steel in Concrete1）碳化引起的锈蚀（均匀腐蚀） 条件：CO2 、水分（相对湿度50~80%时最迅速 ）2）氯化物引起的锈蚀（点蚀）：可溶的氯化铁生 成，当氯离子与氢氧根离子浓度比大于0.6时，即 使pH高达11.5，钢筋的锈蚀也得不到保证。

条件：氯离子扩散速度、氧与水分；与保护层厚 度、水灰比、水泥用量等有关T0：开始锈蚀; T1：混凝土开裂； T0 T11）脱钝介质 (酸性氧化物 或氯化物) 到 达钢材表面并 开始锈蚀的时 间T0产生开裂的时间分两个阶段2）锈蚀到达 临界水平，即 混凝土出现开 裂的时间T1钢筋混凝土的使用寿命v对于重要结构物，常用t0作为设计寿命；v对于一般结构物，可用t1作为设计寿命，但 应有定期的维护制度氯化物对结构物暴露于潮汐区与浪溅 区混凝土的作用，在很大程度上取决暴露 时间、条件和混凝土性能保护层的厚度 和性质对尽可能地延长t0很关键低水灰 比、适当的水泥用量与足够的养护对增大 t0、降低吸收与扩散系数有利 混凝土中钢材的锈蚀 Corrosion of Steel in Concrete钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式除冰盐所导致的钢筋混凝土桥梁破坏钢筋锈蚀后体积膨胀导致混凝土保护层发 生顺筋开裂离岸码头立柱在浪溅区的破坏MacDill AFB, Florida锈蚀导致结构破坏的实例 - 四川宜宾南门大桥v大桥长384米，宽13米， 为单孔跨径240米的钢筋 混凝土中承式公路拱桥， 桥面由17对钢缆吊杆凌空 悬挂，于1990年6月竣工 通车。

v2001年11月7日凌晨4点 半，连接拱体和桥面预制 板的4对8根钢缆吊杆断裂 ，北端长10米、南端长20 余米的桥面预制板发生坍 塌锈蚀导致结构破坏的实例 - 四川宜宾南门大桥v吊杆起着悬挂桥面的关键 性作用，由承重钢缆和套 于其外的钢管组成v现场对断裂的4对8根吊杆 所作检查发现，坍塌断裂 之处露出一层薄薄的钢筋 网，悬吊的承重钢管中露 出了锈迹斑斑的钢缆 承 重钢缆部分生锈，影响了 承重能力1、降低混凝土渗透性 2、限制氯盐含量钢筋混凝土：0.10%预应力混凝土： 0.06% 3、加入阻锈剂，如亚硝酸钙 4、加大混凝土保护层厚度 5、镀锌钢筋、环氧涂层钢筋、阴极保护等混凝土中钢材锈蚀的防护 Defend the corrosion of Steel in Concrete选择改善混凝土结构耐久性的措施，要考虑到 性能与费用两方面下面列出许多防护和延缓混凝 土因钢筋锈蚀引起劣化的措施及费用增加比例（以 增加一次投资的百分数表示）：1) 掺用粉煤灰和矿渣，减少水泥用量（0%）2) 预冷混凝土拌合物（3%）3) 用硅灰和高效减水剂（5%）4) 增大保护层厚度15mm（4%）5) 掺加阻锈剂（8%） 6) 采用环氧涂层钢筋（8%）7) 外表涂刷涂层（20%）8) 阴极保护（30%）一个不透水，但存在非 连续微裂缝，且多孔的 钢筋混凝土结构由于微裂缝和孔隙 连通起来，不透水性逐 渐丧失环境作用（第二阶段） （损伤的开始与扩展） 水的渗入 O2、CO2渗入 酸性离子（Cl- 、 SO4-)渗入A：以下原因使孔隙内的静 水压增大、混凝土膨胀： 钢筋锈蚀、碱-骨料反应、 水结冰、硫酸盐侵蚀; B：混凝土强度与刚度降低开裂、剥落与整体性丧失环境作用（第一阶段） （无可见损伤） 1. 侵蚀作用 （冷热循环、干湿循环） 2. 荷载作用 （循环荷载、冲击荷载）5.3.5混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型图5 一种钢筋混凝土结构的耐久性的整体论方法钢筋混凝土结构耐久性的整体论观 耐久性设计的极限状态v钢筋锈蚀预应力钢筋－开始锈蚀普通钢筋－混凝土表面锈痕，顺筋开裂（0.1mm, ---,1mm）保护层剥落v混凝土腐蚀轻微，不影响混凝土对钢筋的保护5.3.6耐久性设计方法Ø 传统方法Ø 指数(评分)法Ø 因子法Ø 基于材料劣化模型的计算方法 传统方法 Deem-to-satisfy Method针对不同环境类别和环境作用等级，对混凝土材料和结构构造规定不同要求。

回避使用寿命要求）n混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、－－）n混凝。