同济大学土木工程第九章 混凝土结构的使用性能―混凝土结构的耐

1、 第九章混凝土结构的使用性能混凝土结构的耐久性能 一、概述二、影响结构耐久性的因素三、混凝土材料的劣化四、混凝土中的氯离子五、钢筋的锈蚀六、锈蚀钢筋的力学性能七、锈蚀钢筋混凝土构件的性能八、提高混凝土结构耐久性的措施 1. 定义结构在规定的使用年限内,在各种环境作用下,不需要额外的费用进行加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。混凝土结构的耐久性破坏实质为混凝土结构材料与使用环境或结构自身中某些物质相互作用导致结构性能劣化的过程。世界性课题,土木工程领域的关注重点 平均风险率建造期使用期老年期 2. 研究意义据美国报道,仅就桥梁而言,57.5万座钢筋混凝土桥中有一半以上出现腐蚀

2、破坏,40%承载力不足需要修复加固处理。美国标准局1998年调查表明,美国全年各种腐蚀损失约为2500亿美元,其中混凝土桥梁修复费用为1550亿美元。美国公路研究战略计划披露,到20世纪末,为更换或修复冬天撒除冰盐引起的破损公路混凝土桥面板,估计要耗资4000亿美元,其中大部分是由钢筋锈蚀引起的。北欧、加拿大、澳大利亚都存在氯盐为主的盐害。据瑞士联邦公路局统计,瑞士公路系统约有3000座桥梁,每年用于桥面检测及维护的费用达8000万瑞土法郎,至于修理或更换的费用就更高。 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。英国,据

3、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。 我国也存在盐害问题。漫长的海岸线上的海港码头,广阔的盐碱地带以及北方仍大量使用除冰盐的地区,都潜存盐害条件,我国尚缺乏完整的统计数据。据估计我国1999年底一年内由腐蚀造成的损失约在18003600亿元,其中钢筋腐蚀占40%,约为7201440亿元。我国混凝土结构耐久性问题不容忽视。过去为解决居住需要和促进工业生产,建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。对耐久性要求考虑不足,且由于忽视维修保养,现有建筑物老化现象相当严重。截至20世纪末,有近23.4亿m2建筑物进入老龄期,处于提前退役的局面。20世纪50年代不少在混凝土中采

4、用掺入氯化钙快速施工的建筑,损坏更为严重。近几年房屋开发中新建好的商品房反映出的质量问题也很突出。 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 3.工程实例 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。 结构设计材料性质施工质量外部环境条件混凝土孔结构(孔径及孔的分布水、气、溶解

5、物在混凝土空隙和裂缝中的迁移混凝土的劣化钢筋的劣化物理、化学锈蚀承载力下降刚度降低裂缝增大表面损伤影响因素内在条件影响范围耐久性性能 影响因素(1设计构造上的原因1钢筋的混凝土保护层厚度太小;2沉降缝、伸缩缝构造不正确;3构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当;4基础建在滨海盐渍地区;5隔热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。(2材料质量不合格1使用的水泥品种不当,水泥含碱量过大;2使用含有较多的CaS、细度过小的水泥,加水拌合后水化加速,放热加剧干燥收缩增大,导致混凝土开裂;3使用含有碱活性矿物的骨料: 4骨料颗粒级配不当,例如使用花岗岩人工骨料,颗粒形状差、表面粗糙,会造成混凝土用水量增大,用水

6、量高使硬化的混凝土孔隙增加;5外加剂使用不当,例如使用含有氯离子的非高效减水剂、使用含气量过大的引气剂等。(3施工质量低劣1水灰比过大,例如,为便于施工、运输和浇捣,任意加大水灰比,导致增大孔隙率,渗透性加大; 2单方水泥用量过大,例如为缩短工期,提高混凝土早期强度,加大水泥用量,会引起收缩和水化热过大而开裂;3过早拆模,例如为赶工期、加快模板的周转,提前拆模,混凝土养护期的强度不足以承担上部结构自重和施工荷载而引起早期开裂; 4浇捣不当、养护不当,会产生蜂窝、孔洞和沉降微细裂缝,在干燥气候下养护或气温太低未加保护等;5施工组织不当,造成不应出现的施工缝;6使用含有氯离子的早强剂;7使用海水搅

7、拌混凝土等。(4外界环境条件恶化1气候条件异常,如气候突变,干湿环境交替频繁;2自然环境恶化,随着工业化和城市化的发展造成酸雨,空气质量下降,结构物周围遭受到CO2、SO2、H2SO3气体的侵蚀;3建筑场地有害物质的侵入,如地基土有侵蚀性水,碳酸盐及碱溶液侵入等等。一、概述 混凝土结构材料劣化形式分类 1. 混凝土的碳化机理OH CaCO CO OH Ca 2322(+2223223233323CaO SiO H O CO CaCO SiO H O+22232232332CaO SiO H O CO CaCO SiO H O+22232232222CaO SiO H O CO CaCO SiO

8、 H O+结合水数溶解在孔隙水中的CO 2与氢氧化钙和水化硅酸钙发生化学反应 碳化反应的结果,一方面生成的CaCO3和其他固态物质堵塞在混凝土孔隙中,使混摄土的孔隙率下降,大孔减少,从而减弱了后续的CO2扩散,并使混凝土的密实度提高;另一方面,孔隙水中Ca(OH2浓度及pH值降低,导致钢筋脱钝而锈蚀。 碳化使混凝土的抗压强度明显提高,劈拉强度略有提高,弹性模量有所提高,受压应力应变曲线上升段和下降段变陡,混凝土的脆性变大,峰值应力提高,峰值应变变化不明显。混凝土碳化后,梁的承裁力有所提高。但极限挠度减小,构件的延性有所降低。由于一般情况下混凝土的碳化深度较浅,大致与钢筋保护层厚度相当,混凝土碳

9、化对混凝土结构的主要负面影响在于其引起的钢筋锈蚀耐久性问题。 1. 混凝土的碳化影响因素(材料因素 (1水灰比 水灰比是决定CO2有效扩敞系数及混凝土碳化速度的主要因素之一。水灰比增加,则混凝土的孔隙率加大,CO有效2扩散系数扩大,混凝土的碳化速度也加大。 (2水泥品种与用量水泥用量越大,则单位体积混凝土中可碳化物质的也越多,从而使碳化速度越慢。含量越多,消耗的CO2 (3骨料品种与粒径骨料粒径的大小对骨料水泥浆粘结有重要影响,粗骨料与水泥浆粘结较差,CO2易从骨料水泥浆界面扩散。另外,很多人造或天然的轻骨料中的火山灰在加热养护过程中会与Ca(OH2结合,某些硅质骨料发生碱骨料反应时也消耗Ca

10、(OH2。这些因素都会使碳化速度加快。(4外加剂混凝土中掺加减水剂,能直接减少用水量,而引气剂使混凝土中形成很多封闭的气泡,切断毛细管的通路,两者均可以使C02有效扩散系数显著减小,从而大大降低混凝土的碳化速度,见上表。 (5养护方法与龄期养护方法与龄期的不同导致水泥水化程度不同,在水泥熟料一定的条件下生成的可碳化物质含量不等,因此也影响混凝土碳化速度。若混凝土早期养护不良,会使水泥水化不充分,从而加快碳化速度。(6混凝土强度混凝土强度能反映其孔隙率、密实度的大小,因此混凝土强度能宏观地反映其抗碳化性能。总体说来,混凝土强度越高,碳化速度越小。但试验结果离散性较大,主要原因是混凝土强度难以反映

11、水泥用量等因素对碳化速度的影响。 1. 混凝土的碳化影响因素(环境条件因素(1相对湿度若环境相对湿度过高,混凝土接近饱水状态,则CO2的扩散速度缓慢,碳化发展很慢;若相对湿度过低,混凝土处于干燥状态,虽然CO2的扩散速度很快,但缺少碳化化学反应所需的液相环境,碳化难以发展;70%80%左右的中等湿度时,碳化速度最快。 (2CO2浓度环境中CO2浓度越大,混凝土内外CO2浓度梯度就越大,CO2越易扩散进入孔隙,同时也使化学反应速度加快。因此,CO2浓度是决定碳化速度的主要环境因素之。一般农村室外大气中CO2浓度为0.03%,城市为0.04%,而室内可达0.1%。一般来讲,碳化速度与CO2浓度的平

12、方根近似成正比,混凝土快速碳化试验正是根据这一原理设计的。(3温度温度的升高可促进碳化反应速度的提高,更主要的是加快了CO2的扩散速度,温度的交替变化也有利于CO2的扩散。 1. 混凝土的碳化影响因素:覆盖层表面覆盖层对碳化起延缓作用。混凝土的表面覆盖层通常分为两类:一类是含可碳化物质的,如砂浆、纸筋石膏灰等;另一类是不含可碳化物质的,如沥青、涂料、瓷砖等。含可碳化物质的覆盖层,其内部的可碳化物质先与从环境扩散进入的CO2发生碳化反应,消耗CO2,延迟CO2接触混凝土表面的时间即混凝土开始碳化的时间,同时,使混凝土表面的CO2浓度比环境中CO2浓度降低,从而降低混凝土的碳化速度。沥青、涂料、瓷

13、砖等不含可碳化物质的覆盖层,通常比较致密,能封堵混凝土表面部分开口孔隙,阻止CO2扩散,从而延缓碳化速度。 1. 混凝土的碳化影响因素:应力状态时会使由于微裂缝的开展加剧,压应力超过0.7fc碳化速度加快。在拉应力作用下,当拉应力不超过0.3f t时,应力作用不明显,当拉应力为0.7f t时,碳化深度增大近30%。可见,不管是拉应力还是压应力,在高应力水平时必须考虑应力对碳化的不利影响。 1. 混凝土的碳化影响因素:施工质量密实性差及存在蜂窝、麻面、漏浆、裂缝等缺陷部位的碳化深度比振捣密实、表面无缺陷部位大得多。可见实际工程的施工质量对碳化的影响可能比材料和环境因素更大,确保工程施工质量是提高

14、结构耐久性的重要环节。 1. 混凝土的碳化碳化深度的预测模型同济大学张誉等提出的模型mm (34.0(1(83901.1t n C C WRH x c HD c c =相对湿度水泥水化程度修正系数,超过90d 养护取1,28d 养护取0.85,中间插值水泥品种修正系数,波特兰水泥取1,其它品种水泥取1-掺合料含量CO 2体积浓度碳化时间(d 1. 混凝土的碳化碳化界面的划分同济大学张誉等提出 1. 混凝土的碳化碳化深度的检测方法混凝土碳化深度的检测方法有两种,一种是X射线法,另一种是化学试剂法。X射线法要用专门的仪器,它不仅能测试完全碳化深度,还能测试部分碳化深度,这种方法适用于试验室的精确测

15、量、现场检测主要采用化学试剂法,检测时在混凝土表面钻洞,喷上化学试剂,根据反应的颜色测量碳化深度。化学试剂法测试混凝土碳化深度的常用试剂是1%浓度的酚酞酒精溶液,它以pH=9为界线,已碳化区呈无色,未碳化区呈粉红色,这种方法仅能测试完全碳化的深度。另有一种彩虹指示剂(Rainbow Indicator,可以根据反应的颜色判别不同的pH值(pH=513,因此可以测试完全碳化和部分碳化的深度。 2. 混凝土的碱骨料反应混凝土的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应引起混凝土的体积膨胀和开裂,改变混凝土的微结构,使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降。严重影响结构的安全使用性,而且

16、一旦发生很难阻止,更不易修补和挽救,被称为混凝土的“癌症”。 2. 混凝土的碱骨料反应机理根据骨料中活性成分的不同,碱骨料反应可分为三种类型:碱硅酸反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸盐反应。碱硅酸反应是迄今分布最广、研究最多的碱骨料反应,指骨料中的活性二氧化硅与混凝土孔隙中的碱性溶液发生反应,生成吸水性硅酸盐凝胶,吸水发生体积膨胀最终导致混凝土开裂或胀大移位,化学反应式为:式中,R代表Na或K。22222ROH nSiO R O nSiO H O + 活性二氧化硅包括蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英和隐晶、微晶或玻璃质石英等,破裂严重或受力的粗晶石英也可能具有碱活性。含这类矿物的岩石分布很广,有火成岩、变

17、质岩和沉积岩,如花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、玄武岩、石英岩、燧石、硅藻土等。碱碳酸盐反应是指黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。碱与白云石之间发生如下的去白云石化反应,生成水镁石和方解石:反应生成物与水泥水化生成的Ca(OH2,继续反应生成ROH :(3332322CaCO MgCO ROH Mg OH CaCO R CO +(23322R CO Ca OH ROH CaCO + 这样,ROH还能继续与白云石发生去白云石化反应。在这个反应中,碱被还原而循环使用。因为上述去白云石化反应是一个固相体积减小的过程,因此去白云石化反应本身并不引起膨胀。白云石晶体中包裹有干燥的黏土,去白云石

18、化反应使菱形白云石晶体遭受破坏,使黏土暴露出来,黏土吸水膨胀,从而造成破坏作用。在这个机制中,干燥黏土吸水是膨胀的本质根源,而去白云石化反应只不过提供了黏土吸水的前提条件。 碱硅酸盐反应是指碱与某些层状硅酸盐骨料反应,使层状硅酸盐层间距离增大,骨料发生膨胀,造成混凝土膨胀、开裂。1965年,Gillott等在加拿大一大坝发现碱与骨料中的层状硅酸盐发生反应导致混凝土开裂后,认为这种碱骨料反应机理不同于碱硅酸反应,从此提出了一类新的碱骨料反应:碱硅酸盐反应。但是,目前很多人反对将这种碱骨料反应划分为新的一类。 2. 混凝土的碱骨料反应发生条件(1混凝土中的碱含量混凝土中的碱可以来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分,也可来自周围环境,其中水泥中的含碱