混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容簡(jiǎn)介1.概述2.混凝土的碳化3.混凝土中鋼筋的銹蝕4.堿-骨料反應(yīng)5.混凝土的凍融破壞6.化學(xué)侵蝕7.混凝土的表面磨損第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1概述隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加，其結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的病害。如果混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量不佳或者結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)有缺陷等，都會(huì)加速這些病害的進(jìn)一步發(fā)展?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，在正常維護(hù)下能夠使用，而不需要進(jìn)行維修加固，即指混凝土在抵抗周圍環(huán)境各種因素的作用下，仍能保持原有性能的能力。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1概述1991年召開的第二屆混凝土耐久性國際學(xué)術(shù)會(huì)議上，梅塔教授指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用?！逼渲校治g環(huán)境下的物理化學(xué)作用包括淡水及酸性水侵蝕、混凝土的碳化等。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一混凝土結(jié)構(gòu)材料劣化形式分類材料的耐久性劣化自身因素引起環(huán)境條件引起物理作用化學(xué)作用物理化學(xué)作用化學(xué)作用表面磨損凍融破壞機(jī)械磨耗沖磨空蝕碳化（中性化）鋼筋銹蝕化學(xué)侵蝕堿-骨料反應(yīng)溶出性侵蝕溶解性侵蝕膨脹性侵蝕一般凍融破壞鹽凍破壞碳化（中性化）引起Cl-侵蝕引起雜散電流引起堿-硅酸反應(yīng)堿-碳酸鹽反應(yīng)堿-硅酸鹽反應(yīng)第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1概述從混凝土結(jié)構(gòu)材料的劣化上來看，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞作用有：混凝土的碳化混凝土中鋼筋的銹蝕堿-骨料反應(yīng)混凝土凍融破壞化學(xué)侵蝕混凝土的表面磨損第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一影響結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素內(nèi)部因素外部因素其他因素混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)度、水泥用量、水灰比、氯離子及堿含量、外加劑用量、保護(hù)層厚度等環(huán)境條件，主要包括溫度、濕度、CO2含量、侵蝕劑介質(zhì)等設(shè)計(jì)構(gòu)造上的缺陷、施工質(zhì)量差、使用中維修不當(dāng)?shù)鹊?頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2混凝土的碳化混凝土的中性化過程空氣、土壤、地下水等環(huán)境中的酸性氣體或液體侵入混凝土中，與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使混凝土中pH值下降的過程?；炷恋奶蓟髿猸h(huán)境中的CO2引起的中性化過程。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2混凝土的碳化混凝土的碳化反應(yīng)結(jié)果有兩個(gè)方面：一方面，反應(yīng)生成碳酸鈣和其他固態(tài)物質(zhì)會(huì)堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續(xù)CO2的擴(kuò)散，使混凝土密實(shí)度提高；另一方面，孔隙中的Ca（OH）2濃度及pH值降低，導(dǎo)致鋼筋脫鈍而銹蝕。第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2.1混凝土碳化的影響因素材料因素水灰比，水泥品種和用量，骨料種類和粒徑，外摻加劑，養(yǎng)護(hù)方法和齡期，混凝土強(qiáng)度。環(huán)境條件因素相對(duì)濕度，CO2濃度，溫度施工質(zhì)量第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2.2混凝土碳化深度檢測(cè)方法X射線法用專門的儀器，不僅能測(cè)試完全碳化深度，還能測(cè)試部分碳化深度，但這種方法適用于實(shí)驗(yàn)室的精確測(cè)量?；瘜W(xué)試劑法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，通常在混凝土表面鉆洞，噴上化學(xué)試劑，根據(jù)反應(yīng)的顏色測(cè)量碳化深度。常用1%濃度的酚酞酒精溶液，它以pH=9為界限，已碳化區(qū)呈無色，未碳化區(qū)呈粉紅色，最終測(cè)試完全碳化的深度。另有一種彩虹指示劑，可以根據(jù)反應(yīng)的顏色判別不同的pH值，因此可以測(cè)試完全碳化深度和部分碳化深度。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3混凝土中鋼筋的銹蝕混凝土中水泥水化后，在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，因此在正常情況下鋼筋不會(huì)銹蝕；但鈍化膜一旦破壞，在有足夠水和氧氣條件下會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕?；炷林袖摻钜坏┌l(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，同時(shí)向周圍混凝土孔隙中擴(kuò)散。鋼筋銹蝕，一方面會(huì)使鋼筋有效截面減小，另一方面，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)作用下降，破壞他們共同作用的基礎(chǔ)，從而嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性和正常使用性能。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3.1鋼筋銹蝕機(jī)理鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵問題?；炷林械匿摻钿P蝕實(shí)質(zhì)為電化學(xué)腐蝕。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3.2影響混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的因素pH值溫度Cl-濃度混凝土的電阻抗孔隙水飽和度和相對(duì)濕度水灰比養(yǎng)護(hù)齡期保護(hù)層厚度水泥品種與摻和料第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)混凝土未碳化時(shí)，由于水泥的高堿性，鋼筋表面形成一層致密的氧化膜，阻止了鋼筋銹蝕電化學(xué)過程。當(dāng)混凝土被碳化，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水份和氧氣的條件下，就會(huì)發(fā)生銹蝕的電化學(xué)反應(yīng)。鋼筋銹蝕產(chǎn)生的鐵銹，體積比鐵增加2~4倍，保護(hù)層被擠裂，使空氣中的水份更易進(jìn)入，促使銹蝕加快發(fā)展。氧氣和水份是鋼筋銹蝕必要條件，混凝土的碳化僅是為鋼筋銹蝕提供了可能。當(dāng)構(gòu)件使用環(huán)境很干燥（濕度<40%），或完全處于水中，鋼筋的銹蝕極慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。而裂縫的發(fā)生為氧氣和水份的浸入創(chuàng)造了條件，同時(shí)也使混凝土的碳化形成立體發(fā)展。第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3.3鋼筋銹蝕的非破損檢測(cè)方法物理法主要是通過測(cè)定鋼筋銹蝕引起電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來反映鋼筋銹蝕情況。有電阻棒法、渦流探測(cè)法、射線法、聲發(fā)射探測(cè)法及紅外熱像法等。電化學(xué)法主要是通過測(cè)定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學(xué)特性來確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。與物理法比較，電化學(xué)法有測(cè)試速度快、靈敏度高、可連續(xù)跟蹤和原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。常用的方法有自然電位法、交流阻抗譜法和極化測(cè)量技術(shù)等。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4堿-骨料反應(yīng)混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生的膨脹性反應(yīng)。這種反應(yīng)引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能明顯下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全使用性，而其反應(yīng)一旦發(fā)生很難阻止，更不易修補(bǔ)和挽救，被稱為混凝土的“癌癥”。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4.1堿-骨料反應(yīng)機(jī)理堿-硅酸反應(yīng)骨料中的活性二氧化硅與堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)?？煞譃楣橇媳砻娴幕钚远趸柙趬A溶液中的溶解、化學(xué)反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠、反應(yīng)生成物的體積膨脹、進(jìn)一步反應(yīng)形成液態(tài)溶膠等幾個(gè)階段。堿-碳酸鹽反應(yīng)黏土質(zhì)白云石質(zhì)石灰石與水泥中的堿發(fā)生的反應(yīng)。堿-硅酸鹽反應(yīng)堿與某些層狀硅酸鹽骨料反應(yīng)，使層狀硅酸鹽層間距離增大，骨料發(fā)生膨脹，造成混凝土膨脹、開裂。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4.2堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生條件堿-骨料反應(yīng)發(fā)生所必備的三個(gè)條件：混凝土中含有過量的堿骨料中含有堿活性礦物混凝土處在潮濕環(huán)境中第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5混凝土的凍融破壞混凝土發(fā)生凍融破壞的條件混凝土處于飽水狀態(tài)混凝土受凍融交替作用凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞作用凍脹開裂表面剝蝕

第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5.1凍融循環(huán)破壞機(jī)理1945年，Powers提出了混凝土凍融破壞的靜水壓假說，此后又與Helmuth一起提出了滲透壓假說。這兩個(gè)假說合在一起，較為成功地解釋了混凝土凍融破壞的機(jī)理，奠定了混凝土抗凍性研究的理論基礎(chǔ)。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5.2影響混凝土抗凍性的因素平均氣泡間距水灰比外加劑強(qiáng)度骨料水泥品種和用量混合材凍結(jié)溫度和降溫速度第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5.3混凝土的鹽凍破壞為防止高速公路和城市道路上冰雪致滑造成交通事故，經(jīng)常采用在路面撒除冰鹽（NaCl或CaCl2）的辦法，因?yàn)辂}能降低水的冰點(diǎn)，達(dá)到自動(dòng)融化雪的目的，但除冰鹽的使用將引起路面混凝土剝蝕和鋼筋銹蝕。影響混凝土抗鹽凍耐久性的因素含氣量，水灰比，水泥品種與混合材，鹽的種類第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6化學(xué)侵蝕在一些侵蝕性介質(zhì)（包括酸、堿、硫酸鹽、壓力流動(dòng)水等）中的混凝土，可能遭受化學(xué)侵蝕而破壞?；瘜W(xué)侵蝕分為三類：溶出性侵蝕溶解性侵蝕膨脹性侵蝕第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6.1溶出性侵蝕密實(shí)性較差、滲透性較大的混凝土，在一定壓力的流動(dòng)水中，水化產(chǎn)物Ca（OH）2會(huì)不斷溶出并流失。Ca（OH）2的溶出使水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣失去穩(wěn)定性而水解、溶出，這些水化產(chǎn)物的溶出使混凝土的強(qiáng)度不斷降低?；炷寥艹鲂郧治g速度主要取決于混凝土的滲透性、Ca（OH）2含量，水泥熟料的礦物組成和摻合料的成分等。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6.2溶解性侵蝕酸侵蝕實(shí)踐表明，環(huán)境水的pH值小于6.5時(shí)就會(huì)對(duì)混凝土造成酸侵蝕。這樣的酸性水在一般自然環(huán)境中式不多見的。堿侵蝕堿的濃度不大（15%以下），溫度不高（低于50℃）時(shí)，堿對(duì)混凝土的侵蝕作用很小，但高濃度的堿溶液或熔融狀堿會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6.3膨脹性侵蝕硫酸鹽與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)混凝土產(chǎn)生膨脹破壞作用，是典型的膨脹性侵蝕。硫酸鹽侵蝕是混凝土化學(xué)侵蝕中最廣泛和最普通的形式。硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣、硫酸鎂等硫酸鹽均會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用，通常是硫酸鈉、硫酸鈉和硫酸鎂的侵蝕。土壤的地下水是一種硫酸鹽溶液，土壤的硫酸鹽濃度超過一定限值時(shí)就會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。在污水處理廠、化纖工業(yè)、制鹽、制皂業(yè)等廠房附近的地下水中，硫酸鹽濃度