混凝土材料的耐久性_建筑材料

DeteriorationofReinforcedConcreteBridgeduetoPoorDurability§3.5混凝土耐久性DURABILITYofCONCRETE建筑材料的耐久性材料的耐久性——在长期使用过程中维持其内部结构和使用性能在一个可以接受的水平的能力。结构耐久性——结构及其构件在环境作用下长期维持其所需性能的能力。问题1.有没有混凝土结构物不要求很耐久？有。2.哪一类混凝土结构物不要求耐久性？临时建筑（如围堰等）。3.哪一类混凝土结构耐久性要求最高？纪念性建筑物、核废料储存设施等。欧洲的输水故道、君士坦丁的巴西利卡会堂建筑、罗马的万神殿以及那不勒斯等地海岸上的罗马混凝土工程，尽管有的已经被海浪磨光了表面，有的长满了青苔，而混凝土却仍能保持完好。P.K.Metha“InfluenceofFlyAshCharacteristicsontheStrengthofPortlandcement–FlyAshMixture.C.C.R.Vol.15,1985.古罗马时期的混凝土罗马万神殿ThePantheonRome在21世纪建造耐久的结构物以往，通常认为结构物的耐久性不足，既不是设计，也不是材料的原因所引起。大多数情况下，都认为是施工操作不当的责任。混凝土捣实与养护不良、钢筋保护层不足以及接缝漏水是施工存在问题的一些例子。然而现今一个严重的问题是：许多新结构的施工操作与以往保持一致，而过早劣化的现象却在不断增多。这意味着混凝土结构过早劣化的现象还将以很高的速度不断继续下去，除非我们深入地了解现今的建设实践，深刻地认识影响混凝土结构劣化的主要原因。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.CONCRETEINTERNATIONAL.March，2001.劣化现象，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入到混凝土内部时就会发生。在相互隔离的微裂缝、可见裂缝与孔隙相连通时，就产生渗透。因此，渗透与开裂是紧密相关的。开裂的原因有很多，一个导致混凝土结构早期开裂的主要原因，是为满足现代高速施工，而采用高早强水泥及高强混凝土。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.ConcreteInternational.March，2001.发生开裂的主要原因现今混凝土的水灰比减小使得自生收缩加大；早期强度迅速增长引起弹性模量相应快速增大、徐变系数减小，这对混凝土的延伸率又产生不利影响，这就是为什么高早强混凝土比中等和低强度混凝土更易于开裂的原因。3.5.1水与混凝土的劣化对许多建筑材料来说，水是它们生产过程的重要原料之一，同时也是它们破坏过程的主要介质。水也是多数结构混凝土出现耐久性问题的核心。不仅物理劣化过程与水有关；同时作为传输侵蚀性离子的介质，水又是其化学劣化过程的一个根源。1.混凝土的渗透性PermeabilityofConcrete混凝土是一种多孔的物质。流体可以沿着混凝土内部连通的孔隙渗透。混凝土中流体的渗透能力称为混凝土的渗透性。通常测定混凝土抵抗流体渗透的能力，称为混凝土的抗渗性。最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降数个量级图3-24硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（93%水化度）渗透性—水灰比关系存在临界区域采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度为35～40MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性和良好的耐久性能。渗透性与耐久性Permeabilityanddurability2.离子在混凝土中的扩散DiffusionofIoninConcrete离子的扩散行为虽与水在混凝土中的传输不同，但它要以水为载体。离子(或原子、分子）在浓度梯度作用下运动，即扩散过程，传输速率由费克（Fick)定律求得。式中:P为X方向物体单位面积上的传输速率；为浓度梯度，D为扩散系数，量纲为m2/s。与渗透系数K类似，D取决于混凝土的孔结构和扩散介质两方面。CPDX/CXFick定律：3.混凝土的吸水性Sorptivityofconcrete硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。防波堤3.5.2混凝土的劣化(Degradationofconcrete)分为两大类：第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质渗透或扩散进入混凝土的速率所决定。包括化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀；物理的：冻融、盐结晶、火灾等。第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。1.表面损耗造成的劣化(Deteriorationbysurfacewear)包括磨耗、冲磨和空蚀三种作用。磨耗指摩擦引起的损耗，主要为路面和工业地坪由于车辆行驶造成；冲磨发生于水工结构，例如隧道衬砌、溢流面以及给排水管道等，当水夹带砂土颗粒流过混凝土表面，与其碰撞、滑动或滚动引起的损耗；水工混凝土还受到另一种称为空蚀（也称气蚀）的作用。水流夹带气泡在流向突然变化时形成高负压导致爆裂，使表面产生空穴的现象。2.盐结晶引起开裂（Crackingbycrystallizationofsaltinpores)混凝土因孔隙里盐发生结晶的物理作用，可能造成严重的损害，许多多孔材料都可能由于与其接触的饱和溶液析晶过程产生的压力引起开裂。盐结晶只能发生在一定温度下溶质的浓度超过饱和浓度的时候。过饱和度越大，结晶压越大。例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8℃下产生的结晶压可达55.4MPa，足以让岩石或混凝土开裂。盐结晶引起开裂因含盐地下水通过毛细作用上升在混凝土电线杆内部产生膨胀而开裂采用含盐砂的混凝土路面因膨胀而在预留的胀缝处被挤碎3.硫酸盐与海水的腐蚀Attackbysulphatesandseawater硫酸盐侵蚀引起混凝土劣化的机理，是它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3C·H32产生硫酸盐腐蚀的三个条件体系中存在硫酸盐（内部存在或外部侵入）；足够的水分；预先存在的空隙。4.酸腐蚀Acidattack由于混凝土中硬化水泥浆体呈高碱性，没有任何硅酸盐水泥混凝土可以耐酸腐蚀。但如果注意降低渗透性并且养护良好，也能够生产出在弱酸环境中足够耐久的混凝土。5.碱-骨料反应(AAR)Alkali-AggregateReaction最常见、最重要的AAR是碱—硅反应（简称ASR），它是骨料中所含的无定形硅与孔隙里含碱（钠、钾、钙的氢氧化物）的溶液反应，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝胶，当结构物暴露在潮湿环境中，混凝土体内相对湿度超过85%时，就会出现膨胀，直到引起混凝土开裂与破坏。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Typicalcrackingpatternsresultingfromalkalisilicareaction碱—骨料反应影响因素Factorsinfluencingtheamountandrateofreaction1）水泥或混凝土的含碱量；2）活性氧化硅含量；3）骨料粒径；4）水分来源；5）环境温度。混凝土含碱量的阈值碱－骨料破坏性膨胀从整体方法论看待碱－骨料反应的发生和发展混凝土匀质性差温度与干燥收缩预制预应力构件内应力过大微裂缝发生碱－骨料反应高碱水泥骨料有碱活性水分来源充分临水结构相对湿度大6.冻害(Frostdamage)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。反复的冻融循环使危害扩大和积累，产生开裂与剥落。引气与抗冻融循环性能的关系示意图混凝土受热，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。7.抗火性（fireresistance）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。3.5.3混凝土中钢材的锈蚀影响结构物寿命的第一大因素。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。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。钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式混凝土中钢材的锈蚀CorrosionofSteelinConcrete1）碳化引起的锈蚀（均匀腐蚀）条件：CO2、水分（相对湿度50~70%时最迅速）微电池腐蚀2）氯化物引起的锈蚀（点蚀）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。宏电池腐蚀T0：开始锈蚀;T1：混凝土开裂；T0T11）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对于重要结构物，常用t0作为设计寿命；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CorrosionofSteelinConcrete下列几种措施，可以在原材料选择、配合比设计、保护层厚度与施工过程的优化基础上，进一步改善对钢材的防护作用：1）在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙；2）用不锈钢作为配筋，或用环氧涂层钢筋；3）混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入；4）对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处于阴极区。混凝土中钢材锈蚀的防护DefendthecorrosionofSteelinConcrete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%）图3-34在潮汐或浪溅区暴露时混凝土不同深度的氯离子浓度(a)(b)a暴露时间的影响（硅酸盐水泥，湿养护3d）b粉煤灰掺量的影响（湿养护1d，28d后暴露2年）粉煤灰减小氯离子扩散的作用Theeffectofflyashonreducingdiffusionrateofchlorideion素混凝土与钢筋混凝土结构的劣化Deteriorationofplainandreinforcedconcretestructures一、表面损耗造成的劣化：磨耗、冲磨、空蚀二、由水、空气和其它侵蚀性介质渗透或扩散进入混凝土的速率所决定。包括化学的（钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀）和物理的（冻融、盐结晶等）。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