砼耐久性和高性能砼

1、砼耐久性和高性能砼目录一 砼结构耐久性和使用寿命二 砼的劣化三 砼的开裂四 砼的冻融破坏五 砼的化学侵蚀六 砼中钢筋锈蚀七 砼的碱-骨料反应八 砼的磨蚀破坏九 高性能砼一砼结构耐久性和使用寿命(一)砼结构耐久性 砼结构耐久性取决于使用环境条件以及砼结构设计、材料(砼和钢筋)、施工质量和维护.(二)砼结构使用寿命 砼结构使用寿命指砼结构在规定的工作环境和维护条件下，能保持设计使用性能的年限。砼结构使用寿命 取决于砼结构耐久性、使用条件和环境、结构的及时维修。砼结构使用寿命包括结构良好状态,维护阶段,修理阶段。对于耐久性差的砼结构,维修的弗用比建设投资增加许多倍.(国外5倍定率)二 砼的劣化 (一)砼劣化基本条件 (二)砼侵蚀劣化的类型 (三)环境的影响 (四)砼的孔结构 (五)孔中的水气 (六)水气迁移(一)砼劣化基本条件 1.气体、水以及含在水气中的有害物质在砼的孔隙和裂缝中的迁移、结合和变化是砼劣化的基本条件,其中水气的迁移是首要条件。2.水气迁移的动力有:浓度差引起扩散;压力差引起渗透;表面能引起毛细吸引。(二)砼侵蚀劣化的类型v冻融循环破坏v环境水的化学腐蚀v砼内钢筋锈蚀(碳化或

2、氯盐引起)v碱-骨料反应破坏v物理磨损破坏(磨蚀)(三)环境的影响v对砼结构耐久性影响 起决定性作用的是结构砼周围(以厘米距离计)的微观气侯和与砼接触的环境水或环境土的状况.v足够的水份,水中有害物质和温度是环境特征的三个主要因素.1.有害物质及其浓度v二氧化碳-钢筋保护层碳化v氯化物-促进钢筋锈蚀v氧-钢筋锈蚀的条件之一v酸类-砼酸性腐蚀v硫酸盐-砼结晶型腐蚀v碱(钾,钠)-砼碱-骨料反应破坏v镁盐-砼化学腐蚀2.水和湿度的影响v环境水和湿度对砼的碳化过程、氯污染、冻害和化学侵蚀都有重要的影响，但影响程度各不同相。v环境条件相互影响的例子:相对湿度5060%时,砼碳化速度最快;湿度降低时 因水份不足,碳化速度减慢;湿度提高时孔隙水增加,二氧化碳迁移困难,直至湿度95%以上碳化过程几乎停止.但是,对钢筋锈蚀来说,相对湿度5060%时速度很慢,9095%时,锈蚀最快;95%时,由于缺氧,锈蚀速度又下降.可见,相对湿度居中(6585%),是锈蚀危害最大的环境.3.温度的影响 温度影响砼的硬化速度，温度增加1015C度强度增加速度快一倍。同样，砼的化学腐蚀、钢筋锈蚀、碱-骨料反应的破坏速度也

3、与温度的提高成类似的正比关系.砼热天和冷天施工,砼的强度发展和施工技术措施(材料选择,配合比,温控和防冻,养护等)是不同的.砼的内外温差过大和降温过快是砼开裂的重要原因。砼早期受冻和反复冻融破坏是由于环境温度处于负温使砼中水结冰对砼破坏的结果。4.综合影响v砼表面的含水量和温度,环境的空气湿度和温度,风速都会综合影响砼的水份蒸发速度.在砼湿养护和砼盐类结晶破坏情况下,都要考虑.v砼表面水分蒸发量计算例:砼湿养护时砼表面相对湿度为100%,温度27C度,空气相对湿度70%,25C度,水汽分压差为10.5mmHg,当风速2M/sec时水蒸发速率3.8Kg/M2/H.温差越大，湿度差越大，或风速越大，砼表面水份蒸发量就越大。(四)砼的孔结构v砼水泥石孔结构与水气迁移密切相关的两个参数是连通孔隙率和孔径分布.v连通孔隙率是指水泥石中互相连通,水气可以迁移的孔隙所占的体积百分率,相当于最大可逆水含量,通常为2030%.v孔径分布影响水气迁移的类型和速度;微孔主要是凝胶孔;毛细孔和引入的大孔对耐久性影响很大;毛细孔增加,耐久性一般要降低.影响砼性能的三要素v粗细骨料-骨料强度和表面状态,级配及在砼

4、中所占比例.v骨料界面层-富集氢氧化钙和钙矾石结晶,界面层的密实性和厚度很重要.v水泥石-水化硅酸钙凝胶,氢氧化钙和钙矾石晶体,未水化颗粒,其它小颗粒,毛细孔和各种孔隙.(五)孔中的水气 1.孔表面能和毛细凝结 孔的表面能和比表面能-孔壁和固体自由表面一样,由于没有与相邻分子结合而剩余能量,这种能量就是孔的表面能.孔的表面能与孔内体积之比为比表面能.毛细凝结-毛细孔的表面能使孔中水蒸汽分子吸附于孔壁,湿度越大水膜越厚;孔径越小比表面能越大,吸附水与孔体积之比越多,直到孔径小到一定值,孔中完全被水充满,这个过程就是毛细凝结.温 度降低,孔中相对湿度增加,直至相对湿度100%水凝结.越小的孔,水凝结越容易.2.孔的含水量和水泥石含水率 孔中空气含水量与环境湿度成正比,由于毛细凝结而充满水的孔径大小与空气湿度有关,湿度越大凝结充水孔径越大.水泥石中凝胶孔占很大比例,其孔径很小,即使在湿度较低时也充水,因此水泥石具有较高含水率.空气湿度增加,使较大孔也充水,因而减少了气体扩散的有效孔隙,混凝土透气性降低,氧和二氧化碳的扩散减小,直至混凝土水饱和时扩散停止.(六)水气迁移1.潮湿环境下的水气迁移

5、 气、水和含在气水中物质的迁移是扩散过程,动力为浓度差.二氧化碳气扩散进孔,与孔壁的氢氧化钙反应生成碳酸钙,二氧化碳浓度降低.环境湿度增加或混凝土干燥时,水或汽的扩散过程不断进行.水中氯化物的扩散在孔壁水膜或充水孔中进行,扩散速率随混凝土含水率减少而显著减慢.2.雨水环境下的水气迁移 毛细吸引-动力是毛细孔表面能,孔径越小,比表面能越大,竖直吸引高度H越大.水平方向吸引取决于表面水的过剩量.雨水环境下由于毛细吸引和扩散作用,砼表面很快达到水饱和状态,水中物质被迁移,气体扩散停止.水通过毛细吸引被砼吸收的速率远大于被蒸发的速率.3.浸渍环境下的水气迁移 动力-毛细吸引、水压力透渗、蒸发 溶解在水中的氯化物、硫酸盐、碳酸盐一起迁移,在水蒸发区浓度不断增加,直至盐析结晶.在砼中有害盐类的浓缩加剧了化学侵蚀的速度,这是主要的;其次,盐类结晶也产生物理性破坏.但在内陆盐渍土地区,由于环境水矿化度很高,气侯干燥,昼夜温差大,在毛细吸附区砼的盐类结晶性破坏将占主导地位.三 砼的开裂 (一)砼开裂的机理 (二)裂缝类型 1.荷载引起的开裂 2.变形引起的开裂 3.膨胀引起的开裂 4.裂缝和钢筋(一)砼

6、开裂机理 砼受到的拉应变超过其抗拉应变能力(极限延伸率),砼就会开裂.(0.2mm就不允许了)砼抗拉强度约为1/101/12的抗压强度.砼极限延伸率约为0.41.0/万 应变产生的主要原因有:砼由于各种收缩和温差引起的变形;砼由于钢筋锈蚀,硫酸盐腐蚀,碱骨料反应引起的局部膨胀;外部荷载或基础不均匀沉降产生的变形.砼抗拉应变能力随硬化龄期和应变作用速度的改变而变化.砼的收缩变形v1.塑性收缩:砼在终凝前的收缩.包括自生收缩、沉降收缩、蒸发收缩.v2.自生收缩:砼在绝热绝湿条件下水泥水化产生的化学收缩,约为(0.41.0)10-4,如果游离CaO和MgO过量,自缩值可能为负值(膨胀).v3.干燥收缩:即失水收缩,最大可达810-4.v4.温度收缩:热胀冷缩,砼热膨胀系数1010-6.v5.碳化收缩:Ca(OH)2碳化生成CaCO3.(二)裂缝类型1.荷载引起的开裂v纯弯曲v纯拉伸v剪切v扭转v粘结v集中荷载v基础不均匀沉降2.变形引起的开裂温度应力-由于水泥水化热温升,砼内外层温差过大,外层产生的拉应力超过硬化早期的很低抗拉强度,就可能开裂.这类裂缝多为龟裂,很浅;当墙壁这类构件,下部受到

7、限制,当降温过快收缩过大时会产生贯穿构件的竖直大裂缝.收缩应力-由于干燥收缩受到外部限制,当超过砼极限应变就产生分割裂缝;砼表面干燥,内外层产生收缩差,表面产生拉应力内部产生压应力,这类收缩裂缝也是龟裂.干燥收缩率一般为38/万塑性收缩开裂-浇筑24h内,表面蒸发失水超过泌水提供的水时,孔隙水中产生毛细张力而体积缩小,如表面的粗骨料或钢筋产生约束,就可能开裂.路面和楼板常见此类裂缝,宽度大约23mm,分布不规则,多为平行或45度角.塑性沉降开裂-如泌水严重,砼体积沉降收缩并受到钢筋或模板阻碍就可能开裂.这种裂缝多为沿着厚板上部钢筋方向或柱子横截面箍筋处产生.当钢筋间距很小时可能出现水平沉降裂缝,引起钢筋保护层分层,以后如偶冻害或钢筋锈蚀,保护层可能无预兆剥落.3.膨胀引起的开裂v钢筋锈蚀引起v硫酸盐腐蚀引起v碱-骨料反应引起v水泥安定性不良v膨胀剂掺加不均匀或不适量四 砼的冻融破坏 1.孔中水结冰v 水变冰体积增加9%,充满水的孔结冰膨胀会引起水泥石开裂;v 由于孔表面能使孔中水的冰点下降,孔径越小冰点越低,许多凝胶孔中水在很低的负温下都不结冰;v 不完全充水的孔,温度降低过程中,由于

8、孔表面能,小孔中相对湿度提高更多,在水变冰过程中有相当数量水由小孔向大孔蒸发迁移出去,使小孔中未结冰的水向大孔中扩散.孔径越小,水的冷凝温度越高(相对湿度100%),即降温过程中,小孔中水先冷凝,大孔中水后冷凝,小孔中水向大孔中扩散.2.临界水饱和度 由于孔中水冷却过程中水从小孔向大孔扩散,大孔中水量在增加,结冰时体积又要增加,为了防止冻胀破坏,要有一定数量的未充满水的孔.为防止砼冻害,孔隙中不能超过的极限含水量称临界水饱和度,主要取决于:v孔径大小和分布v环境条件v冷却速率和冻融循环次数v冻融循环间的干燥v砼的龄期3.引气作用v引气剂引入的封闭气孔,即使在砼处于水饱和状态也不会充水.v孔中水冻结过程中,由于水向大孔扩散作用,封闭气孔可以作为膨胀空间容纳正在结冰的水,缓解了对水泥石的压力.v为了保证封闭孔系统充分发挥作用,孔的间距要足够小.冻害越严重,这个临界孔间距就应更小.一般含气量越大(46%),孔间距越小（少于250微米),砼抗冻性越好.v水冻结时向大孔扩散是不可逆过程,随着冻融循环增加大孔充水程度不断增加,如不能干燥,冻融循环进行到一定次数后,冻害仍会发生.5.骨料对抗冻性影响

9、 吸水严重的砂岩粗骨料在冻结过程中产生膨胀并破坏水泥石,典型现象是粗骨料处表面局部剥落爆裂.6.影响砼抗冻性的因素 1.砼的组成:水灰比,水泥用量,含气量,骨料级配,掺合料数量.2.砼的水饱和度:冻结前即使轻微的干燥都可保证相当高的抗冻性,只有饱水的砼才会严重影响抗冻性.3.砼龄期:龄期越长,强度和孔结构变得更有利于抗冻.五 砼的化学侵蚀v溶出型腐蚀:淡水浸析,氢氧化钙溶出v离子交换型腐蚀:分镁盐,碳酸和一般酸性腐蚀v结晶膨胀型腐蚀:分硫酸盐腐蚀,盐类物理结晶腐蚀 (一)硫酸盐侵蚀 1.硫酸盐结晶破坏原因 环境水中硫酸盐与水泥石中氢氧化钙和水化铝酸钙反应,生成硫铝酸钙(钙矾石)和硫酸钙(石膏)产生内应力引起砼的破坏.2.主要反应式 NaSO410H2O+Ca(OH)2 =CaSO42H2O+2NaOH+8H2O 石膏结晶 4CaOAI2O312H2O+3(CaSO42H2O)+14H2O=3CaOAI2O33CaSO431H2O+Ca(OH)2钙矾石结晶 环境水中SO4-2浓度(/l)不同,结晶类型也不同.SO4-2 2501500 15005000 500010000 结晶 钙矾石

10、钙矾石和石膏 石膏3.抗硫酸盐腐蚀措施v 降低水泥熟料中铝酸三钙的含量(12.5),此时钢筋表面形成一层很薄的钝化膜,阻止铁元素的溶解,即使提供足够的氧和水,钢筋也不会生锈.v脱钝原因-钝化膜溶解:1.钢筋保护层中性化(碳化),PH12.5降到PH9.v 二氧化碳由表及里的扩散决定碳化的速度,碳化深度和时间的平方根相关.v 砼渗透性可以衡量碳化快慢,渗透性取决于砼孔结构.v 二氧化碳只能在孔隙内空气中扩散,完全水饱和的砼是不会碳化的.3.氯离子的危害v 氯离子是通过砼孔隙的水由表及里的扩散,氯离子浓度随深度而降低,扩散深度也与时间平方根相关.v 部分氯盐可被水泥石结合,但水泥石碳化后,被结合的氯离子又会释放出来,所以,砼碳化后氯盐对钢筋的锈蚀危害会明显增大.v 砼表面的干湿交替使氯盐不断富集,氯离子侵入砼的深度与保护层渗透性即孔结构密切相关.4.钢筋锈蚀模型v阳极过程:铁元素溶解,产生带正电的铁离子进入溶液,还有两个多余电子;v阴极过程:多余电子在阴极与水和氧气结合形成氢氧根离子;v经过若干中间过程,铁离子与氢氧根化合生成铁锈(带水氧化铁),消耗氧气从空气中通过保护层向钢筋扩散,水只是

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