混凝土耐久性-专题讲座

1、专题讲座混凝土耐久性DURABILITY of CONCRETE概 念v混凝土耐久性 混凝土材料在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。v混凝土构筑物的服役寿命 混凝土构筑物受到其服役环境因素的侵蚀和破坏，导致其使用性能下降到最低设计值时，所经历的时间(年)。混凝土耐久性的重要性v保证混凝土构筑物运行的安全性v延长混凝土构筑物的服役寿命v节约混凝土构筑物维护成本v节约自然资源，减少消耗v改善人类居住的环境条件混凝土耐久性危机 时间 特点 措施第1次 40年代 盐冻 引气剂 第2次 70年代 离析、泌水 低水胶比 第3次 80年代 早期

2、热裂缝 综合美国大量混凝土路面受冻融循环侵蚀很快发生剥落美国等国家大量混凝土桥面板、路面、停车场和港口设施受侵蚀破坏钢筋混凝土桥梁的侵蚀损毁拆除前的西直门桥一座桥何以只有二十年寿命？冰岛一港口混凝土路面受盐冻剥落混凝土路面受盐冻剥落碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝Map Cracking碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝碱骨料反应引起的错位硫酸盐侵蚀引起的大坝破坏混凝土性能劣化的模式v组成改变v体积膨胀、裂缝v表面开裂v表面剥落v溶蚀v磨损v结构酥松v承载力下降v弹性模量降低v质量损失v体积增长导致混凝土性能劣化的因素v外部环境因素： 水、风化、冻融、化学腐蚀、磨损、气体等；

3、 v材料内部原因： 碱骨料反应、体积变化、吸水性、渗透性等。 混凝土内部可蒸发水的可逆性和随之引起或产生的有害作用是导致混凝土劣化的重要原因。混凝土耐久性的内容v抗渗性 v抗冻性 v耐腐蚀性 v抗碳化性 v碱骨料反应 v耐火性v耐磨性与抗冲刷性混凝土的劣化分为两大类：u 第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土的速率所决定。 化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化； 物理的：冻融、盐结晶、火灾等。u 第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。一、混凝土的抗渗性 Permeability of Concretev定义：混凝土抵抗压力水(油、液体)渗透的能力，称

4、为抗渗性。v评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标准试件，按标准方法进行抗渗试验，以6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压确定，计算式如下： P = 10H 1 式中：P抗渗标号； H6个试件，3个试件出现渗水时的水压力(MPa)。 水的渗透与混凝土的劣化：v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。v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。v混凝土的抗渗性是反映混凝土耐久性的一个重要指标为什么混凝土会渗水v 混凝土内部存在孔隙通道是其渗水的根本原因！v 孔

5、隙通道包括：混凝土中可蒸发水蒸发后留下的孔道；拌合物泌水时在骨料和钢筋下方形成的水囊与水膜；混凝土各种原因引起的体积变形所产生的收缩裂缝；混凝土在荷载作用下的变形混凝土抗渗性的影响因素v混凝土的配合比水灰比胶凝材料(水泥矿物外加剂)用量v浇注成型工艺混凝土的搅拌混凝土的振捣v养护条件湿度温度龄期工程实践证明： 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300350kg/m3、水灰比0.450.55，制备出28d抗压强度为3540MPa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。 最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降几个量级渗透性水灰比的关系临界区高渗透性高

6、水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低渗透性 水灰比是混凝土抗渗性的重要影响因素！为什么？混凝土的抗渗性与吸水性l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。l试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。二、混凝土抗冻性Frost Resistance of Concrete三问？v混凝土抗冻性的含义是什么？v混凝土冻融破坏机理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗冻性？什么是混凝土的抗冻性 定义：在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。冻冻 害害v什么引起冻害?混凝土内部孔中的水结冰水

7、结冰使体积膨胀9%。v冻害破坏影响到水泥石和骨料v冻害破坏的外观模式剥落 龟裂、分层v构筑物的什么位置最易受损?北方气候混凝土路面、桥面板、挡土墙混凝土的冻融破坏原因与模式 原因：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作用于孔缝的壁上，导致孔缝扩展和连接反复的冻融循环使危害扩大和积累，孔缝不断增多，并扩展和连通，造成强度下降破坏模式：表面出现缺棱、掉角、脱皮等现象质量损失强度、弹性模量下降冻害造成D-型裂缝路面受盐冻剥落铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏混凝土冻害机理 水自由流动，作用于玻璃瓶壁的

8、压力较小 水结冰开始，冰膨胀对瓶壁作用一个拉应力 随着结冰进行，瓶壁对冰的约束，产生累计应变能寻求释放 内压很大以至于导致瓶壁破裂让冰膨胀和能量释放冻害机理水结冰产生压力的机理：v水压v渗透压v毛细孔中冰结晶生长压水 压 结冰前，两个孔中的水均处于低压； 冷却前锋到达上面的孔，孔压增加，周围混凝土处于高压水环境中； 冷却前锋继续穿过上面的孔，高压水到达下面的孔，引起流体进入下面的孔，流体通过毛细孔中间高度约束的通道的流动产生水压并加速破坏作用。提高混凝土抗冻性的方法v水泥石抗冻性：低水灰比保证混凝土良好的养护引气剂v骨料的抗冻性选用抗冻骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在v引入的气孔: 搅拌中引入的

9、孔隙孔径为10mm-1cm; 通常是空的。v外加剂引入的气孔孔径为0.1-0.2 mm; 一般是干燥的。v毛细孔：由可蒸发水挥发留下的孔径为0.01-5mm; 含水; 水的冰点为-1C -8C ，取决于孔隙水中离子浓度。v凝胶孔： C-S-H凝胶内部的孔，其孔径为 1-10nm; 含有化学结合水; 由于化学键而抗冻，典型冰点为-78Cv不是混凝土中的孔都对冻害有利。引入的气孔作用机理v水压很高，可使毛细孔间的水泥石破坏；v引入的气孔可以释放水压，避免高压水的产生；v大量的空气泡减小了水释放的平均距离；v引起的气孔有利于混凝土抗冻害性能的改善掺引气剂前掺引气剂后可提高抗冻性混凝土抗冻性试验v方法

10、：用28d龄期、吸水饱和状态下的试件，进行低温冰冻，水中融化循环试验，经过一定循环后测定试件的强度或弹性模量和质量。v评价指标：以强度降低不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指标抗冻标号D或耐久性系数Km： Km = PN / 300 式中：N混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数； P经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。 三、混凝土硫酸盐侵蚀Sulfate Attack on Concrete三问？v混凝土硫酸盐侵蚀的含义是什么？v硫酸盐侵蚀机理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗硫酸盐侵蚀？离子在混凝土中的扩散Diffusion

11、 of Ion in Concretev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.v离子(或原子、分子)在浓度梯度作用下运动，即扩散过程，传输速率由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸盐侵蚀v什么导致混凝土硫酸盐侵蚀： 硫酸根离子与混凝土中水泥水化物之间的化学反应，形成有害化合物，而导致混凝土组成和结构的破坏、强度下降、表面剥离等。v硫酸根离子的来源：海水有机物环境(垃圾、生活污水)工业废料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸盐侵蚀的劣化模式v劣化模式 体积膨胀 开裂 (从构件的边缘和角上开始) 表面剥落、质量损失 强度下降 外观劣化发白v最易发生的部位大坝桥墩地下基础水工

12、设施受硫酸盐侵蚀的混凝土或砂浆试件外观劣化3、混凝土硫酸盐侵蚀机理v钙矾石型v石膏型v碳硫硅钙石型vC-S-H分解型(1)钙矾石型侵蚀机理v外部硫酸根离子渗入水泥石中；v与单硫型硫铝酸钙、氢氧化钙、水反应形成钙矾石： C4AH18+2CH+3SO42+12H = C6A3H32 3C3A3CH+3SO42+29H C6A3H32v钙矾石体积膨胀产生拉应力v拉应力导致混凝土内部开裂破坏钙矾石形成钙矾石形成的膨胀机理v结晶压力机理: 膨胀由钙矾石晶体生长引起的，产生结晶压力作用于水泥石内部和骨料表面过渡区v肿胀理论 Swelling theory: 膨胀是由孔溶液中钙矾石结晶生长引起的，晶体有很大

13、的表面，吸附水而肿胀，导致膨胀压力。(2)石膏型侵蚀机理v化学反应： 硫酸根离子渗入混凝土中的水泥石内；与氢氧化钙CH反应，形成二水石膏： CH + + H = CH2v石膏的形成导致强度降低，接着膨胀、开裂，将水泥石转变为糊状、无胶结力的物质。v硫酸盐溶液中阳离子(Na+ 、Mg2+ )的不同，可能将C-S-H凝胶转变为石膏。硫酸钠侵蚀:Na2SO4+CH+2H = CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸镁侵蚀：MgSO4+CH+2H = CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H = 3(CaSO4).2H2O +3Mg(OH)2 +2SiO2.H2O(3)碳硫硅

14、钙石型硫酸盐侵蚀v硫酸根离子SO42侵入硬化混凝土中，在碳酸盐或CO32或CO2的存在下，与C-S-H凝胶反应就形成碳硫硅钙石 ：3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O v碳硫硅钙石是一种糊状、松软、毫无胶凝能力的物质,因而能使水泥石变成糊状、无粘结力的物体，严重破坏混凝土的结构，降低混凝土的强度。同时也会伴有膨胀性破坏，但膨胀性破坏不是碳硫硅钙石导致的典型破坏。 碳硫硅钙石的形成反应机理图碳化层，pH7-8反应区水泥水化物硫酸盐溶液碳硫硅钙石碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀v最易发生的部位低温环境下的结构物潮湿环境下的结构物地下

15、基础桥墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸盐侵蚀v当硫酸盐溶液或含硫酸盐的地下水、污水作用于混凝土，将导致混凝土表面水泥石中C-S-H凝胶分解成硅凝胶： 2CaOSiO21.17H2O + SO42 2.83H2O 2CaSO42H2O + SiO2nH2O + OH v破坏C-S-H的胶凝结构，因而使水泥石丧失了粘结性，混凝土强度降低，表面软化 4、如何阻止混凝土的硫酸盐侵蚀v提高混凝土的质量和抗渗性(减水剂)v限制水泥中 C3A 矿物含量5中低热水泥抗硫酸盐水泥 v掺加火山灰质矿物外加剂15% 偏高岭土35% 磨细矿渣6% 硅灰 20% 低钙粉煤灰v表面涂层保护2. 盐结晶引起开裂v混凝土因孔

16、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。v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。v例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8C下产生的结晶压可达55.4MPa，足以让岩石或混凝土开裂四、混凝土的酸腐蚀 v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。v酸腐蚀机理：加速溶蚀 Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2H2OC-S-H 分解成硅凝胶： 3Cao2SiO23H2O + 6

17、H+ 3Ca2+ 2(SiO23nH2O) +6H2Ov破坏模式：表面溶蚀为主五、碱骨料反应 Alkali-Aggregate Reaction (AAR)v什么是碱骨料反应？v碱骨料反应的破坏形式和机理有哪些？v如何抑制混凝土中的碱骨料反应什么是碱骨料反应？ 最常见、最重要的反应是碱硅反应(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。扫描电镜下的碱性反应凝胶碱硅反应 (ASR)“混凝土的癌症”v碱硅反应是下列物质间的反应 硅

18、酸盐水泥中的碱金属离子 氢氧根离子 骨料中的硅成分碱骨料反应的破坏形式？vASR破坏形式膨胀与开裂 Expansion and cracking损失强度 Loss of strength粘性碱硅物质的溢出 或渗出Pop-outs and exudation of viscous alkali-silicate fluidv发生的部位湿环境 (大坝dams, 桥墩bridge piers, 海堤sea walls)暴露环境Exposed environments (道路roads, 建筑物外部结构building exteriors)常见的碱骨料反应破坏形式ASR 膨胀机理膨胀机理v氢氧根离子破

19、坏了骨料中的硅氧结构.v硅形成碱硅凝胶(AS gel)v碱硅凝胶与水接触产生肿胀v反应速度取决于：骨料中硅的活性水泥中碱含量vAS 凝胶是膨胀的主体v吸附肿胀理论: 骨料周围形成的碱硅凝胶的吸水肿胀和混凝土孔中水的迁移受阻，因而产生膨胀压。v渗透压理论 Osmotic pressure theory: 骨料周围形成的AS 凝胶是一个半透膜，它只允许一个方向流动：碱金属离子和OH离子扩散进入骨料表面，但硅离子不能从骨料表面渗出，产生渗透压。ASR 膨胀机理膨胀机理ASR 膨胀机理v当膨胀压超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将开裂。ASR劣化机理混凝土模型： 水泥石paste 活性硅骨料水泥石中的碱金

20、属离子与骨料中的活性硅反应在骨料表面形成碱硅凝胶ASR 膨胀机理膨胀机理v当裂缝到达混凝土构件表面，就产生“龟裂” “map cracking” .ASR 膨胀机理膨胀机理v骨料界面过渡区未受损的混凝土ASR损坏的混凝土ASR 破坏实例ASR破坏的铁路轨枕ASR破坏的桥墩ASR破坏的防护板，并导致钢筋锈蚀破坏ASR破坏的道路路面碱骨料反应影响因素v水泥或混凝土的含碱量 ；v活性氧化硅含量 ；v骨料粒径 ；v水分来源 ；v环境温度。如果碱含量低于0.6%,膨胀不会发生水泥中碱含量对ASR引起的破坏的影响混凝土中的碱含量与其膨胀的关系相对湿度低于80，膨胀很小相对湿度对ASR破坏的影响抑制ASR的

21、措施v限制碱含量低碱水泥限制其它来源：l盐污染的骨料l防止海水渗入l化冰盐溶液渗入混凝土中水泥用量v限制活性骨料v保持干燥抑制ASR的措施v利用火山灰质矿物外加剂 25%低钙粉煤灰 40-50%)的矿渣 7-15%硅灰 7-15%天然火山灰v引气剂 引入气泡缓解膨胀压力，减少有害膨胀v结构设计限制水渗入(排水)避免化冰盐的积累提高密实度表面质量抑制碱骨料反应的措施选择非活性骨料；选择含碱量0.6的水泥；掺加活性混合材，如：硅灰、粉煤灰等；提高混凝土的密实性或阻止水分渗入。六、混凝土的抗碳化性 v定义：碳化是指环境中的CO2与混凝土水泥石中的Ca(OH) 2作用生成碳酸钙和水，从而降低混凝土中碱

22、度的现象。v危害：由于碱度的降低，混凝土中的钢筋失去保护膜，引起钢筋锈蚀；混凝土表面出现碳化收缩，导致微裂缝的产生，降低混凝土的强度和耐久性。v影响因素：CO2浓度、相对湿度、混凝土的密实度、水泥品种和掺和料等。七 、混凝土的 抗火性 随着温度升高，发生以下三种变化：l 升温时混凝土内的水分逐渐蒸发，接着结合比较牢固的水分也逐步逸出；l 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。石灰石和轻骨料混凝土抗火性能较优异。l 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。 混凝土强度随温度的变化八、混凝土中钢材的锈

23、蚀v由于混凝土内的强碱性使得钢筋表面形成钝化膜，从而钢筋在混凝土中不会锈蚀。v如果钢筋表面钝化膜被破坏，则钢筋就会发生电化学腐蚀锈蚀破坏v混凝土中钢筋锈蚀，引起体积膨胀27倍，导致混凝土保护层开裂破坏v混凝土中钢材的钝化会由于下列原因被破坏：混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去碱性；道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。 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Steel Corrosion in Concrete1)碳化引起的锈蚀条件：CO2 、水分(相对湿度5070%时最迅速)；2)氯化物引起的锈蚀

24、条件：氯离子扩散、氧与水分；与保护层厚度、水灰比、水泥用量等有关。 产生开裂的时间分两个阶段: 1)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； 2)锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的时间T1。 混凝土中钢材的锈蚀过程T0：开始锈蚀; T1：混凝土开裂； T0 T1混凝土中钢筋锈蚀引起的破坏发展图l 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。l 保护层的厚度和性质对尽可能地延长t0很关键，低水灰比、水泥用量适当与足够地养护对增大t0、降低吸收与扩散系数有关。 混凝土中钢材的锈蚀 下列几种新措施，可以在原材料选择、配合比

25、设计、保护层厚度与施工过程的基础上，进一步改善对钢材腐蚀的防护作用： 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措施一个不透水，但存在非一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构环境作用环境作用( (第一阶段第一阶段) )( (无可见损伤无可见损伤) )1. 1. 侵蚀作用侵蚀作用( (冷热循环、干湿循环冷热循环、干湿循环) )2. 2. 荷载作用荷载作用( (循环荷载、冲击荷载循环荷载、冲击荷载) 由于微裂缝和孔隙由于微裂缝和孔