混凝土结构耐久性讲稿

中国铁道科学研究院/仲新华高性能混凝土技术1水泥混凝土技术的发展2混凝土耐久性3混凝土原材料4混凝土施工5实体核查1水泥混凝土的发展1）1850年钢筋混凝土技术（1824年英国人获得水泥专利，1886年美国人发明回转窑锻烧工艺）2）1928年预应力混凝土技术3）1970年后外加剂技术钢筋（预应力）混凝土结构成为建筑主导结构、混凝土成为最大宗的建筑材料。1930年以前：水泥生产以及混凝土施工工艺落后。1930－1970年左右：水泥的粉磨技术在用户需求高早期强度的环境下迅速发展，水泥的Wanger细度增加超过50％,出于同样的目的，水泥的化学组成也被迅速改变，水泥熟料中的早强组份C3S含量由1930年前的不到30%很快发展到1970年的50%甚至更多。1950年开始，混凝土的施工工艺发生了重大变化。预拌混凝土、泵送混凝土浇筑以及插入式振动棒振捣技术的发展，对混凝土的工作性要求越来越高。1970年以后，外加剂技术促使混凝土向高强方向发展二十世纪八十年代高强混凝土（HighStrengthConcrete，简称HSC）曾经是混凝土技术中比较热门的技术领域，混凝土的抗压强度一度达到100MPa以上，并有高达152MPa混凝土用于现浇工程。但是二十世纪九十年代初期，HSC工作性差（流动性、可泵性、均匀性等）、脆性（易于开裂和突然破坏）、体积稳定性差（收缩、膨胀）等一味追求强度所带来的负面问题逐渐被认识。于是，提出了HPC的概念。对高性能混凝土的认识1、美、加学派观点：密实度和体积稳定性2、欧洲学派观点：低水胶比和微填充料3、日本学派观点：高流态、自密实2混凝土耐久性规范：国标：GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》2009年5月1日实施中国建筑工业出版社前身：混凝土结构耐久性设计与施工指南CCES01-2004（2005年修订版）铁标：铁建设[2005]157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》历次修订：1、铁建设[2006]141号文2、铁建设[2007]140号文3、铁建设[2009]152号文公路标准：JTG/TB07-01——2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》无粘结接触粘结水泥浆填满缝隙(混凝土，低坍落度)间隔排列的颗粒(混凝土，高坍落度)1824年，英国人AspdinJ取得了波特兰水泥的专利。1886年，美国首先采用回转窑煅烧熟料，使水泥进入大规模工业化生产阶段。1850年，法国人取得钢筋混凝土专利权。1928年，预应力混凝土技术由法国人创造。r(m)10-210-310-410-510-610-710-810-910-10微孔毛细孔大孔mmnmμm与耐久性有关振捣不密实引入气孔毛细孔凝胶孔毛细孔补给蒸发毛细凝结（水充满）——表面积/孔体积水迁移的速度——蒸发——毛细管作用——（水压力）2、环境类别及作用等级（1）碳化环境（2）氯盐环境（3）化学侵蚀环境（4）冻融破坏环境（5）磨蚀环境1、混凝土的碳化影响因素：H2O、CO2——空气中CO2（浓度约0.03%）扩散进入孔隙与溶解的Ca(OH)2反应生成CaCO3(完全饱和，完全干燥)Xc～c·t1/2暴露时间，年混凝土强度碳化深度，mm510152020MPa0.524740MPa4163664碳化检测方法：X射线法（试验室精确测量，能测试部分碳化深度）化学试剂法（1%酚酞酒精溶液）已碳化区无色，未碳化区红色碳化深度的预测模型碳化对结构物的影响——素混凝土：基本无影响——钢筋混凝土：钢筋锈蚀——预应力混凝土：目前方案下基本无影响（1）碳化环境环境作用等级环境条件特征T1室内年平均相对湿度＜60%长期在水下（不包括海水）或土中T2室内年平均相对湿度≥60%室外环境T3水位变动区干湿交替钢筋锈蚀Fe——Fe2++2e2H++2e——H2(反应在碱性环境中受到抑制,极化)O2+2H2O+4e——4OH-（反极化）Fe2++2OH-——FeO·xH2O(体积增加约3倍)4Fe(OH)2+O2+2H2O——4Fe(OH)3·xH2O(体积增加约5倍)氯盐影响：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。（2）氯盐环境环境作用等级环境条件特征L1长期在海水水下区离平均水位15m以上的海上大气区离涨潮岸线100m～300m的陆上近海区土中氯离子………..,水中氯例子………L2离平均水位15m以内的海上大气区离涨潮岸线100m以内的陆上近海区海水潮汐区或浪溅区（非炎热地区）L3海水潮汐区或浪溅区（南方炎热地区）盐渍土地区露出地表的毛细吸附区遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位腐蚀侵蚀介质与水泥水化产物发生反应——酸、硫酸盐和生物。腐蚀速度取决于钙盐的溶解速度。硫酸盐侵蚀：仅与水泥中某些组分起反应。硫酸根离子与铝酸盐组分发生化学反应C3A的水化产物水化铝酸钙和水化单硫铝酸钙都能与石膏发生反应生成水化三硫铝酸钙（钙矾石，体积增大，溶解度低（3）化学侵蚀环境化学侵蚀类型环境作用等级H1H2H3H4硫酸盐侵蚀环境水中SO42-含量，mg/L≥200≤600＞600≤3000＞3000≤6000＞6000强透水性环境土中SO42-含量，mg/kg≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000≤24000＞24000弱透水性环境土中SO42-含量，mg/kg≥3000≤12000＞12000≤24000＞24000盐类结晶侵蚀环境土中SO42-含量，mg/kg≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000酸性侵蚀环境水中pH值≤6.5≥5.5＜5.5≥4.5＜4.5≥4.0二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量，mg/L≥15≤40＞40≤100＞100镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量，mg/L≥300≤1000＞1000≤3000＞3000冻融破坏饱水＋冻融循环特征：冻胀开裂和表面剥蚀——静水压假说——渗透压假说静水压假说毛细孔水结冰，约－12℃，有害孔。凝胶孔水结冰，低于－78℃。气泡间距系数渗透压假说大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。浓度差使小孔中的溶液向大孔迁移。两个重要参数平均气泡间距：直线导线法－250微米？300微米？临界水饱和度：临界水饱和度：抗冻试验方法（1）快速冻融法水冻水融法、气冻水融法耐久性指数DF=E/E0×N/M（2）慢冻法（3）临界膨胀试验法（4）临界水饱和度法（4）冻融破坏环境环境作用等级环境条件特征D1微冻地区+频繁接触水D2微冻地区+水位变动区严寒和寒冷地区+频繁接触水微冻地区+氯盐环境+频繁接触水D3严寒和寒冷地区+水位变动区微冻地区+氯盐环境+水位变动区严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水D4严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区严寒：t≤-8oC，寒冷：-8oC＜t＜-3oC，微冻：-3oC≤t≤2.5oC磨蚀磨损侵蚀：车轮、松散材料的冲击——夹砂的风主要由粗骨料承担——混凝土磨耗率空穴侵蚀：液体——水空蚀——水流静水压力小于水的蒸汽压时，产生气泡，流到静水压力大于蒸汽压时，蒸汽在气泡中冷凝，气泡崩坍（类似于爆炸）。主要由细质砂浆承担——砂浆磨耗率（5）磨蚀环境环境作用等级环境条件特征M1风蚀（有砂情况）风力等级≥7级，且年累计刮风时间大于90天M2风蚀（有砂情况）风力等级≥9级，且年累计刮风时间大于90天流冰冲刷被强烈流冰撞击、磨损、冲刷（冰层水位下0.5m～冰层水位上1.0m）M3风蚀（有砂情况）风力等级≥11级，且年累计刮风时间大于90天泥砂冲刷被大量夹杂泥砂或物体磨损、冲刷3、混凝土耐久性指标（1）混凝土的耐久性一般包括混凝土抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱－骨料反应性等。混凝土的耐久性指标应根据结构的设计使用年限、所处的环境类别及作用等级等确定。（2）混凝土耐久性的一般要求：混凝土的电通量设计使用年限级别一(100年)56d电通量（C）C301500C30～C451200≥C501000混凝土的抗碱—骨料反应性能（1）骨料的碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱—碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0.10%；（2）当骨料的碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.10%～0.20%时，混凝土的碱含量应满足要求；当骨料的砂浆棒膨胀率在0.20%～0.30%时，除了混凝土的碱含量应满足要求外，混凝土中还应掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和外加剂，并经试验证明抑制有效。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后果：混凝土体积膨胀和开裂，混凝土微结构被改变，强度和弹性模量等力学性能降低——癌症三种类型：碱－硅酸反应（Alkali-SilicaReaction）碱－碳酸盐反应（Alkali-CarbonateReaction）碱－硅酸盐反应（Alkali-SilicateReaction）碱—硅酸反应骨料中的活性SiO2与碱发生的膨胀反应。是迄今为止分布最广、研究最多的碱－骨料反应。活性SiO2包括蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英和隐晶、微晶或玻璃质石英。在火成岩、变质岩和沉积岩中均有分布常见在花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、石英岩、燧石、硅藻土等膨胀机制：2ROH+nSiO2-----R2O·nSiO2·H2O吸水肿胀理论和渗透压理论：碱与活性SiO2反应生成凝胶，外界水通过渗透压和肿胀压进入凝胶，使其体积增大碱—碳酸盐反应黏土质白云石质石灰石与碱发生的膨胀反应。美国在1957年首次在加拿大发现，美国的多个地方存在。白云石与石灰石含量大致相等，黏土含量约为5~20％，白云石颗粒粒径约在50微米以下且被微晶方解石和黏土包围。CaCO3MgCO3+2ROH-----Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3(白云石)R2CO3+Ca(OH)2-----2ROH+CaCO3膨胀来源：包裹在白云石晶体内的黏土吸水膨胀碱—骨料发生的条件（1）混凝土中的碱含量。水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水或环境（2）骨料的碱活性与地域有关：美国、加拿大、英国、日本、新西兰、南非等已建立了区域性的碱活性骨料分布图。我国建立了京津塘地区碱活性骨料分布图。（3）潮湿环境高湿度环境，80％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骨料的碱活性检测方法：（1）岩相法：鉴定岩石种类、矿物组成和各组分含量缺点：不能对骨料碱活性做定量分析，必须与其他方法配合使用。（2）化学法：通过测试溶出的SiO2浓度Sc和溶液碱度的降低值Rc进行判断。Rc70，ScRc（3）砂浆棒法：(P3m0.05%,P6m0.1%)（4）岩石柱法：(P0.1%)（5）快速砂浆棒法：(P14d0.1%)（6）混凝土棱柱体法：(P3m0.02%,P6m0.03%或P12m0.04%)（7）压蒸法：(P6h0.1%)（3）氯盐环境下混凝土的电通量。设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三（30年)环境作用等级L1L2、L3L1L2、L3电通量（56d），C100080015001000环境类别评价指标环境作用等级100年60年30年氯盐环境56d龄期混凝土氯离子扩散系数DRCML171010L2588L3344表5.4.2氯盐环境下混凝土抗氯离子渗透性指标（4）化学侵蚀环境下混凝土的电通量。设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三（30年)环境作用等级H1、H2H3、H4H1、H2H3、H4电通量（56d），C1200100015001000（5）冻融破坏环境下混凝土的抗冻性。设计使用年限级别一(100年)二(60年)三(30年)环境作用等级D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4抗冻等级（56d）≥F300≥F250≥F200评价指标环境作用等级100年60年30年抗冻等级（56d）D1≥F300≥F250≥F200D2≥F350≥F30