混凝土耐久性与质量控制

混凝土的耐久性宋少民长期以来，人们认为：混凝土是一种耐久性良好的材料，突出的例子，如法国的地铁建筑,部分已有近200年历史，仍然完好。近些年出现的问题和形势的发展，使人们认识到混凝土材料的耐久性应受到高度重视。一方面国内外大量的混凝土结构物没有达到预期的使用年限，受环境作用而过早破坏。另一方面，随着经济的发展、社会的进步，各类投资巨大、施工期长的大型工程日益增多。例如大跨度桥梁、超高层建筑、大型水工结构物等，所以人们对结构耐久性的期待日益提高，希望混凝土构筑物能够有数百年的使用寿命，做到历久弥坚.同时，由于人类开发领域的不断扩大，地下、海洋、高空环境建筑越来越多，结构物使用的环境可能很苛刻，客观上要求混凝土有优异的耐久性。回顾二十世纪的混凝土工程实践，Mehta教授认为：近一百年的混凝土在品质上不是很成功，存在着较严重的耐久性问题。展望未来，混凝土必须走可持续发展的道路，必须解决好耐久性这一重大课题。唐明述院士指出:节能减排应重视提高基建工程寿命2006年基本数据煤产量（23.8亿t）为世界总量（64.3亿t）的37%钢产量（4.2亿t）占世界（12亿t）的35%水泥产量（12.4亿t）占世界（26.4亿t）的47%GDP（2.51万亿美元）仅占世界（46.7万亿美元）的5%左右CO2排放量达62亿t，约为世界（~300亿t）的21%，并超过美国（58亿t）而居世界首位。混凝土的耐久性混凝土结构设计中不仅要考虑其所承受的荷载，而且要考虑环境的影响，即耐久性。把混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。抗渗性抗冻性抗侵蚀性中性化碱骨料反应1756年建造的爱迭斯顿灯塔(材料为水硬性石灰和火山灰)屹立了126年混凝土的耐久性可表现为由于内部和外部引起的各种损坏。这些因素包括物理作用、化学作用和机械力作用。★物理作用：高温或温度变化引起的热膨胀损坏与冻融循环。★化学作用：各种离子侵蚀、碱集料反应★机械力作用：冲击、磨蚀、冲蚀、气蚀影响混凝土耐久性最重要的是混凝土的孔隙率和渗透性抗渗性混凝土的抗渗性，是指其抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。对混凝土的耐久性起重要的作用。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示：P4、P6、P8、P10、P12共5个等级，分别能抵抗0.6、0.8、1.0、1.2、1.4MPa的水压力而不渗水。提高混凝土抗渗性的措施是增大混凝土的密实度、改变混凝土中的孔隙结构，减小连通孔隙。普通混凝土配合比设计规程（JGJ55—2000）中规定，具有抗渗要求的混凝土，试验要求的抗渗水压值应比设计值高0.2MPa，试验结果应符合下式要求：Pt≥式中：Pt——6个试件中4个未出现渗水的最大水压值，MPa；P——设计要求的抗渗等级值。2.010P抗渗性的重要性：混凝土品质劣化的四个原因依次是钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应。每个原因均与水相关，没有水的直接作用或作为侵蚀性杂质进入混凝土的载体，混凝土病害就不会发生。提高抗渗性的途径1）降低水灰比（水胶比）；2）选择好的骨料级配；3）充分振捣和养护；4）掺用引气剂和优质粉煤灰掺和料。抗冻性混凝土的抗冻性指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。混凝土的密实度、孔隙构造和数量，以及孔隙的充水程度以及从附近自由表面或出口可释放压力的能力是决定抗冻性的重要因素。密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土抗冻性较高。提高混凝土抗冻性的最有效办法是采用加入引气剂、减水剂和防冻剂的混凝土或密实混凝土。2、抗冻性的表征：1）、慢冻法（D50、D100）采用立方体试块，以龄期28天的试块在吸水饱和后承受反复冻融循环（冻4h，融4h），以抗压强度下降不超过25%，质量损失不超过5%时所承受的最大冻融循环次数表示快冻法采用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，以龄期28天后进行试验，试件饱和吸水后承受反复冻融循环，一个循环在2-4h内完成，以相对动弹性模量值不小于60%，而且质量损失率不超过5%时所承受的最大循环次数表示，如F50、F100、F150等。根据快速冻融最大次数，按以下公式可以求出混凝土的耐久性系数。式中：Kn——混凝土耐久性系数；N——满足快冻法控制指标要求的最大冻融循环次数，次；P——经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量。300nnNPK冻融破坏的大坝坝面使用20年的高速公路桥梁【案例】混凝土受冻破坏概况某省一十层砖混结构写字楼，砖墙承重，楼盖为现浇钢筋混凝土，施工时间为1990年初，期间气温为0～5℃。此楼在拆模后出现严重冻害现象，具体表现为：混凝土表面酥松、剥落、裂缝遍布，强度严重不足。分析取样发现混凝土中骨料表面有明显的结冰痕迹，很显然是混凝土在凝结硬化过程中受了冻害。在低温环境下浇注混凝土，混凝土在硬化前受冻，水泥水化反应很弱，而且生成的水泥水化物少，强度低。此时水结冰冻胀，混凝土内部结构遭到破坏，因而使得强度严重不足。除冰盐对混凝土的盐冻破坏在冬季，高速公路和城市道路为防止因结冰和积雪使汽车打滑造成交通事故，在路面撒盐（NaCl或CaCl2）以降低冰点去除冰雪。近年来，国内外交通行业和学术界越来越注意到除冰盐对混凝土路面和桥面造成的严重破坏，即不仅引起路面破坏，渗入混凝土中的氯盐又导致严重的钢筋锈蚀，加速碱骨料反应。(1)破坏机理1)渗透压增大导致混凝土孔隙饱和吸水度提高，结冰压增大；2)盐的结晶压力；3)盐的浓度梯度使受冻时因分层结冰产生应力差。4)浓度大于20%的CaCl2水溶液，当环境温度超过30℃时生成3CaO·CaCl2·15H2O复盐而溶出，而低于30℃时生成的3CaO·CaCl2·15H2O复盐消耗Ca(OH)2的同时结晶析出，使混凝土结构产生剥蚀破坏。(2)破坏特征1)破坏从表面开始，逐渐向内部发展，表面砂浆剥落，集料暴露；2)剥落层内部的混凝土保持坚硬完好；3)这种破坏非常快，少则一冬，多则数冬，可产生严重剥蚀破坏；4)剥蚀表面及裂纹内可见白色粉末NaCl晶体。【案例4-7】沈大高速公路的盐冻破坏概况沈大高速公路两侧路缘石和排水槽等设施出现混凝土脱皮、开裂、剥蚀等现象，其中某些路段构件损坏更为严重。分析2003年调查发现造成破坏的主要原因是设计未考虑包括冻融在内的相关混凝土耐久性问题。在北方地区冬季大量使用除冰盐，除冰盐引发混凝土盐冻剥蚀而破坏。除冰盐造成的混凝土冻融剥蚀是最危险的冻融破坏形式(3)主要预防措施1)混凝土必须引气，含气量应在5%以上；2)要使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；3)适量掺粉煤灰、矿渣，但提倡掺硅灰；4)适当增加保护层厚度。提高混凝土抗冻性的措施1)降低混凝土水胶比，降低孔隙率；2)掺加引气剂，保持含气量在5-6%；3)提高混凝土强度，在相同含气量的情况下，混凝土强度越高，抗冻性越好。4)尽量使用粒径比较小的粗骨料；避免使用吸水率大，4-5微米孔比较多的骨料。抗侵蚀性抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受到化学侵蚀、物理作用不破坏的能力。混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥的品种、混凝土密实度与孔隙特征等。青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土墩混凝土的碳化（中性化）主要指环境中的CO2和水与混凝土中的Ca(OH)2反应，生成CaCO3和水，从而使混凝土的碱度降低（中性化）现象。碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。未经碳化的混凝土PH=12～13，碳化后PH=8.5～10，接近中性。混凝土碳化程度常用碳化深度表示。有利作用：碳化放出水分有助于水泥的进一步水化，减少水泥石内部的孔隙，提高混凝土抗压强度。不利作用：使钢筋失去碱性保护而锈蚀，碳化收缩会引起微细裂缝，使混凝土抗拉强度降低等。掺60％低钙粉煤灰砂浆人工碳化14d掺60％低钙粉煤灰砂浆人工碳化28d【案例】碳化导致混凝土腐蚀破坏概况内地某4层住宅楼工程设有1层地下室，采用C18-C23混凝土，楼板厚100mm，该工程于1994年主体框架建成后一直裸露在外而未装修使用，直至2002年复工时，发现较严重的钢筋锈蚀和混凝土剥落现象。分析混凝土表面离析、漏浆、蜂窝、麻面、松散、含水泥量小的现象较为普遍，钢筋裸露现象严重，使空气中的C02和水分极易侵入混凝土保护层，导致钢筋锈蚀。而该房屋长期空置且混凝土结构未作任何表层防护，加剧了混凝土的碳化的进行，从而加剧了钢筋的锈蚀膨胀，导致混凝土剥落现象。钢筋锈蚀及对混凝土的影响钢筋表层保护膜破坏时，在氧、水分存在的条件下，钢筋表面发生电化学腐蚀，在阳极铁离子发生化学反应生成氧化亚铁、氢氧化铁等腐蚀物。钢筋锈蚀后，有效直径减小，直接危及到混凝土结构的安全性；同时，钢筋锈蚀后，锈蚀生成物的体积膨胀，致使混凝土保护层顺筋开裂，混凝土自身免疫性大幅降低，品质迅速劣化。氯离子对钢筋锈蚀的影响氯离子是一种极强的钢筋腐蚀因子，扩散能力很强，混凝土中含有1.2-2.5kg/m3氯离子时足以破坏钢筋钝化膜，腐蚀钢筋。美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况氯离子呈游离状态时会破坏潮湿混凝土中钢筋的保护膜使钢筋产生锈蚀，其反应过程如下：钢筋在水泥水化的碱性介质中会形成稳定的钝化膜，但是当PH值＜11.5时钝化膜就开始不稳定，PH值到9.88时这种钝化膜就会逐渐分解。当混凝土有Cl离子存在、并处于潮湿环境时，Cl离子会被吸附在钢筋钝化膜表面，使该处的PH值下降至4以下，于是该处钝化膜被破坏。因此氯离子就象催化剂一样,既促进钢筋的锈蚀又不消耗自己,同时氯离子的存在还强化了离子电路,加速了电化学腐蚀过程；南方某海港码头混凝土被锈蚀外加剂碱骨料反应(活性SiO2)骨料碱(NaOH、KOH)Na2O·SiO2·nH2O碱-硅酸凝胶K2O·SiO2·nH2O水泥无限吸水膨胀避免碱骨料反应措施：①选择非活性骨料；②选用低碱量水泥，慎用含碱外加剂；③掺用活性掺和料；④提高混凝土密实度。1)鹼骨材反應花蓮港表3-34鹼骨材反應之症狀建于1984年大型钢筋混凝土立交桥，1990年开始发现部分盖梁和主梁开裂。1996年盖梁开裂部分占一半以上。盖梁混凝土设计强度等级为C30，使用42.5普通硅酸盐水泥，北京河砂河卵石和UNF2高效减水剂。冬季施工，加入占水泥重5%的防冻剂、阻锈剂NaNO2。碱骨料反应危害实例（1）——北京三元桥三元桥墩岩芯的开裂（91年取出试验室养护）北京三元桥建于1984年，因碱集料反应、冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀而破坏，现已部分拆除重建。三元桥梁的开裂Theworld’smostsophisticatedfighter,theF-117,operatesfromHollomanAirForceBase,wherethepavementsareriddledwithalkali-silicareactioncracking.【案例4-21】碱－骨料反应致使混凝土开裂破坏概况某钢筋混凝土桥梁于1988年建成，于1990年交付使用。1991年底发现该桥某段排水管道损坏，混凝土梁表面出现不同程度的裂缝，且裂缝在继续发展，使得混凝土梁上常有雨水浸渍。分析混凝土发生碱－骨料反应致使开裂破坏。经调查发现该桥梁采用水泥为325号快硬水泥，水泥碱含量高达1.3%（换算成当量Na2O+K2O总百分含量），单方混凝土水泥用量约为500Kg/m3左右。因此单方混凝土碱含量约6.5Kg/m3，超过了3.5Kg/m3的混凝土碱含量限定值。这为碱－骨料反应提供了条件，混凝土发生碱－骨料反应，反应产物吸水膨胀导致混凝土开裂。混凝土中碱—集料反应一旦发生，不易修复，损失大。预防措施如下：1)避免使用碱活性骨料。2)限制混凝土中碱总含量，一般≤3.5kg/m3。3)掺用矿物细粉掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣，但至少要替代25%以上的水泥。4)掺用引气剂。5)保证混凝土在使用期一直处于干燥状态，注意隔绝水的侵入。提高混凝土耐久性的措施1.减少拌和水及水泥浆的用量将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量要求的一种标志，要比用最大水胶比（或水