混凝土材料的耐久性

第五章混凝土的性能Propertiesofconcrete5.3混凝土的耐久性DurabilityofoncreteDeteriorationofReinforcedConcreteBridgeduetoPoorDurability经久耐用？5.3.1混凝土的耐久性概述一、定义：混凝土耐久性——混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能的能力称为混凝土的耐久性。混凝土结构耐久性——在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。古代混凝土与现代的混凝土过早劣化引发的思考土建基础设施工程主要用混凝土建造基本建设三个阶段：第一阶段大规模新建阶段第二阶段大规模新建与维修改造并重第三阶段维修改造阶段发达国家进入第三阶段统计表明，目前我国处于第二阶段。混凝土结构耐久性不足的问题，要比安全性不足更为严重，更迫切需要解决耐久性研究对新建结构及维修改造都极为重要二、重要性和必要性三、国内外耐久性现状美国1998年美国土木工程学会报告：美国现有29%以上的桥梁和1/3以上的道路老化，有2100个水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全状态。美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的10%。英国，据统计有1/3的桥梁需要修复；1996年英国的损失也超过了6亿英镑。加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费5000亿美元。日本,每年用于房屋结构维修的费用达400亿日元。我国现在面临的耐久性问题是发达国家早在二、三十年以前曾经遇到过的宁波北仑港码头混凝土梁―建成后11年就出现大规模开裂现象。宁波北仑港码头混凝土梁-建成后11年新疆塔城机场:1995年通航仅半年,跑道严重剥蚀北京西直门立交桥:10年后严重剥蚀和锈蚀,1999年重建高速公路不高速安徽省内的合巢芜高速公路……长约100km的高速公路路面处处千疮百孔、断裂破损京珠高速粤北段2000.11～12施工2001.5开始出现裂缝广东桂江大桥开裂裂缝最宽处达10厘米相关报道：武汉1座大桥2000年建成屡次维修后再现裂缝大桥维修5个月后仅使用2月桥面再次出现坑洼南京长江大桥维修不到位陷入年年大修怪圈混凝土公路和桥梁的使用环境条件与病害更为严重。2000年全国公路普查:危桥9597座,需要维修费用每年38亿/实际到位8亿大量水泥混凝土公路需要大修(10年)2002年铁路:7352座桥(18.2%)和3711座隧道(65.5%)出现问题城市立交桥:大多数远未到使用年限就破损严重(5~10年)提高混凝土结构的耐久性的意义：延长结构寿命、减少修复工作量，提高经济效益最重要的是避免安全事故的发生！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。不需要考虑耐久性的建筑：围堰纪念性建筑物，核废料储存设施耐久性要求最高5.3.2混凝土耐久性问题的产生原因内在因素硅酸盐水泥矿相和水化产物：高碱、不稳定混凝土结构：多孔和不均质，有害物质容易进入外在因素环境因素：有害离子、冻融和干湿循环（温度、湿度）等人为因素：设计与施工问题、负荷超标准等混凝土结构耐久性结构设计/形式和构造材料/混凝土和钢筋施工/操作技术养护/湿、热物理孔的性质和分布迁移机理钢筋劣化混凝土劣化锈蚀抵抗力安全表面条件外观刚度使用性能化学和生物5.3.3混凝土的劣化(Degradationofconcrete)劣化：材料性能随时间的逐渐衰减。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。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、化学侵蚀侵蚀介质与水泥水化产物发生反应——酸、硫酸盐和生物。腐蚀速度取决于侵蚀性物质渗透、扩散到混凝土内部的速度。（1）淡水溶蚀（Ca(OH)2溶出）河水、湖水、地下水等淡水*混凝土是多孔材料*Ca(OH)2的溶解度：每100g水溶解0.166g*在静态水中：Ca(OH)2析晶沉淀，稳定存在*在流动水中：混凝土中Ca(OH)2不断溶出，混凝土边疏松、孔洞化；CSH和CAH水化产物分解溶出*在压力水作用下：大坝、地下建筑物等混凝土中Ca(OH)2溶出加速（2）酸腐蚀Acidattack酸在混凝土中的作用就是使所有的钙化合物，如氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙转变成该侵蚀酸的钙盐。有机酸：盐酸——氯化钙（溶解）、硫酸——硫酸钙（沉积为石膏）、硝酸——硝酸钙（溶解）无机酸：乳酸——乳酸钙、醋酸——醋酸钙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。（3）硫酸盐Attackbysulphates硫酸盐侵蚀引起混凝土劣化的机理，是它CH反应生成石膏，与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相（或单硫型水化硫铝酸钙AFm）反应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。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）镁盐侵蚀（5）生物侵蚀：机械性——植物沿孔隙生长生物侵蚀——硫酸盐或蛋白质在缺氧条件下生成硫化氢，硫化氢经细菌氧化生成硫酸化学侵蚀的防治技术混凝土为高碱性材料水化产物只在碱性环境才稳定在自然使用环境中：水化产物不稳定，溶出和分解防治技术：提高水化产物稳定性减少不稳定的产物量提高混凝土的抗渗性4、碱-骨料反应(AAR)Alkali-AggregateReaction定义：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）最常见、最重要的AAR是碱—硅酸反应（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。SiO2＋2mNaOH→mNaOSiO2nH2O(吸水膨胀)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。常见在花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、石英岩、燧石、硅藻土等碱—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—硅酸盐反应碱与某些沉状硅酸盐骨料反应，使沉状硅酸盐层间距增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。因发生反应机理与碱－硅酸反应不同，而被新命名。唐明述观点：大部分（页腊石、蛇纹石、云母、高岭石、蛭石等）具有层状结构的硅酸盐矿物都不具有碱活性，个别能产生膨胀反应的层状硅酸盐中均含有微晶石英和玉髓，其膨胀反应实质是碱－硅酸反应碱—骨料发生的条件（1）混凝土中的碱含量过量。水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水或环境（2）骨料中的有活性骨料存在与地域有关：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）有水存在（潮湿环境）高湿度环境，80％混凝土含碱量的阈值关于碱含量的规定：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碱骨料反应的破坏特征：时间:一般在混凝土浇筑后2、3年或者更长时间。变形：整体位移或变形裂缝：网状，顺筋或沿压应力方向凝胶析出：透明或淡黄色凝胶（AAR）部位：越潮湿越明显内部：骨料周围有反应环，内部缝隙界面有凝胶5.冻害(Frostdamage)破坏机理：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。此外，因冷冻水蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力，当这两种压力所产生的内应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断扩大和积累，产生开裂与剥落。根本原因：混凝土中含有可结冰的水；如果水从毛细孔中逃逸至自由空间，则可消除这种压力；什么样的水可结冰：大的毛细孔中的水。随着毛细孔直径的减小，水结冰的温度降低；如凝胶孔中-78℃以上不会结冰思考：处于我国北方寒冷地区的混凝土建筑，建筑物的哪个部位容易受到冻害的影响？混凝土不含水或很少时：不会因冻融而破坏混凝土长期冻结：一般破坏很小混凝土冻融破坏特征内部微裂纹表面变酥和剥蚀评定抗冻性的方法（1）试验方法(快速冻融法）试件中心冻结温度-15℃每次循环降温历时1.5-2.5小时试件中心最高融解温度8℃每次循环升温历时1.0-1.5小时整个冻融历时2.5-4.0小时抗冻性：混凝土在水饱和情况下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力（2）评定指标强度损失:抗压强度损失≤25%重量损失:≤5%抗冻等级：抗冻砼：≥F50─F10、F15、F25、F50、F100、F200、F300强度下降≤25%重量损失≤5%的最大冻融循环次数影响混凝土抗冻性的因素有：（１）混凝土强度愈高，抵抗冻融破坏的能力越强，抗冻性越好。（２）混凝土密实度、混凝土孔隙构造及数量。密实度越小，开口孔隙愈多，水分愈易渗入，静水压力越大，抗冻性越差。（３）混凝土孔隙充水程度。饱水程度愈高，冻结后产生的冻胀作用就大，抗冻性越差。（４）引气剂的作用。在混凝土中掺入引气剂，可在水泥石中形成无数细小、均匀的气泡，使之成为压力水进出的“水库”，使静水压力和渗透压力得以释放，对冰冻破坏起到很好的缓冲作用。适宜的引气量以４％～６％为宜。盐冻——更严重（1）含盐混凝土的初始饱水度提高（2）盐的浓度差使孔隙中的渗透压加大（3）由于盐产生的过冷水处于不稳定状态，结冰速度更快，产生更大的静水压。（4）含盐混凝土在水分蒸发失水干燥时，孔中盐过饱和而结晶，产生一个额外的结晶压力。混