混凝土的耐久性

1、混凝土的耐久性 目 录混凝土的渗透性化学迁移化学侵蚀物理侵蚀 概述 混凝土的耐久性的含义：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。混凝土的三个主要成分：集料、浆体和加筋材料，其中任一组分的有害性质都会使混凝土损坏，同时也可由于化学的或物理的因素而损坏。 概述 化学侵蚀：渗滤和盐霜，硫酸盐腐蚀，碱-集料反应，酸类和碱类，金属的腐蚀；物理腐蚀包括：冻融，干湿，温度变化，磨损和磨耗。 破坏的钢筋混凝土结构 第一节：混凝土的渗透性 对耐久性影响最大的单一参数是水灰比W/C（或水胶比W/cm）。如果W/C比减小，则浆体的孔隙率减少，混凝土变得不透水。W/C比的变

2、化对渗透性的影响主要受制于毛细孔的孔隙率，而不是凝胶孔的孔隙率。 第一节：混凝土的渗透性 当W/C比大于0.42后，毛细孔的体积将明显增加。水灰比对渗透性的影响图 第一节：混凝土的渗透性 混凝土的渗透性对混凝土耐久性起着重要的作用，因为渗透性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时也控制混凝过程中受热或冰冻时水的移动。W/C比对混凝土耐久性起双重的作用，因为低W/C比也能增加混凝土的强度，从而改善混凝土抵抗因有害反应而产生内应力的破坏。 第一节：混凝土的渗透性 达西定律反映水流通过水泥浆体的流速规律xhKvp表达式：v 水的速度h 龙头（水压力）x 试件的厚度；Kp 渗透系数

3、第一节：混凝土的渗透性 水泥浆的Kp不是常数，此值决定与W/C比和水泥浆的龄期密实的充分水化的水泥浆体水泥浆体的泥龄对渗透系数的影响（W/C=0.51) 第一节：混凝土的渗透性 经过养护后的浆体渗透系数是非常小的，即使总孔隙率高时，其渗透系数与低孔隙率的岩石同级。因此可总结为水并不能顺利通过细小的胶孔，其渗透性受互相连通的毛细孔网络所控制。如继续水化，则由于C-S-H凝胶的形成而堵塞了互相连通的孔，使毛细管网络变得愈加扭曲，并伴有Kp不断减小。达到出现完全不连通毛细孔所需要的养护时间是W/C的函数。 第一节：混凝土的渗透性 掺入辅助胶凝材料，特别是硅灰，可以显著降低渗透性事实上这种下降比仅降低

4、水胶比W/C的效果更明显。硅灰的掺入同时减小了孔隙率和孔的尺寸。 第二节:化学迁移 大部分混凝土都含有毛细孔水，化学迁移将由孔溶液和化学物质的相互作用控制。酸将溶解水泥浆体的组成和一些集料，从而提高了混凝土的渗透性和扩散系数。一些有机物会形成钙皂，将减小渗透性，但大部分碳氢化合物与混凝土不发生反应。一些无机盐，如氯化钠和氯化钙将对混凝土产生像冻融破坏加剧的物理作用或者与混凝土内部的钢筋反应，使钢筋锈蚀。其他物质，如硫酸盐由于化学侵蚀使混凝土严重损伤。 第三节:化学侵蚀 1.渗滤和盐霜 当水分能经材料渗出时，无论连续或间歇的，或当暴露的表面受干湿交替作用时，混凝土的表面几乎常常出现盐霜。盐霜由沉

5、积的盐类所组成，这些盐类可能是混凝土渗析出的盐经蒸发水分后的结晶，或与大气中二氧化碳相互作用的结晶而生成。典型的盐类为硫酸盐、钠、钾或钙的碳酸盐，其主要组成是碳酸钙。 第三节:化学侵蚀 盐霜的产生表明在混凝土内部发生了明显的渗滤，严重的渗滤导致孔隙率增加，从而降低混凝土的强度和增加了受侵蚀性化合物作用的弱点。氢氧化钙是水化产物，它最易从混凝土中渗出；C-S-H凝胶本来是不分解的，只有长期处于严重渗滤条件下才会分解。因此，氢氧化钙含量多的水泥浆体，更易于渗滤和起霜，在不利条件下损坏的可能性更大。渗出速率取决于渗透水中含有各种溶解盐的总量。 第三节:化学侵蚀 2.硫酸盐侵蚀化学侵蚀最广泛和最普通的

6、形式是硫酸盐的侵蚀。图为被硫酸盐腐蚀土壤破坏的混泥土柱 第三节:化学侵蚀 硫酸盐侵蚀的机理 硫酸盐侵蚀引起的危害性包括混凝土的整体开裂和膨胀以及水泥浆体的软化和分解。 水泥中的C3A含量过高将使混凝土遭受硫酸盐腐蚀，其主要原因是单硫型铝酸盐形成钙矾石。32362123162HSACHHSCHSAC 此反应伴有固体体积增加55%，引起浆体内部体积膨胀，并同时产生内应力，最后导致开裂。体积膨胀也可由微晶状态的钙矾石吸水引起。（1） 第三节:化学侵蚀 硫酸盐腐蚀开始是硫酸根离子和氢氧化钙反应：)(2)(224aqOHHSCaqSOCH（2） 此反应又称为石膏腐蚀，因为它伴随固体体积产生约120%的膨

7、胀。对于较高的硫酸盐浓度，在10年甚至更长的时间内，石膏腐蚀与式（1）所表达的钙矾石结晶腐蚀相比仍处于次要地位。然而，长期暴露在硫酸盐环境中，即使硅酸盐水泥中铝酸盐浓度较低，石膏腐蚀也将称为破坏的主要原因。 第三节:化学侵蚀 不同硫酸盐的影响 硫酸镁腐蚀性较强，因为由于存在镁离子，有可能增加额外的腐蚀反应，从而使C-S-H和硫铝酸钙分解：xSHMHHSCaqSMHSC233)(323233212434)(3AHMHHSCaqSMHSAC（3）（4） 所形成的硅胶，如反应式（3）所示，可以与MH缓慢反应形成无胶凝性的硅酸镁晶体。当MgSO4 浓度很高时，硫铝酸盐腐蚀完全被镁盐腐蚀所取代。 反应式

8、（3）和（4）由于氢氧化镁的不溶性而继续进行。MH的沉淀也增加了石膏腐蚀的速率：MHHSCaqSMCH2)(（5） 第三节:化学侵蚀 硫酸盐腐蚀的三个过程：1、硫酸盐离子扩散进入混凝土孔中，扩散由渗透系数Kp和硫酸根离子的扩散系数Kd所控制。2、在其开始阶段，石膏腐蚀实际上是有利的，因为石膏比氢氧化钙更容易溶解，溶解结晶反应将允许石膏首先结晶而不产生膨胀。3、因硫酸盐腐蚀引起内部开裂，顾混凝土有效的Kp将增加，从而更进一步加速硫酸盐的腐蚀。 第三节:化学侵蚀 硫酸盐腐蚀的控制 防止硫酸盐侵蚀需同时具备优质的混凝土和低C3A含量的水泥。选择胶凝材料时，其条件必须满足：（1）在混凝土早期C3A全部

9、转化为钙矾石，以防止发生32362123162HSACHHSCHSAC（2）CH转化为C-S-H凝胶以防止发生)(2)(224aqOHHSCaqSOCHMHHSCaqSMCH2)(和（3）使用火山灰或者高炉矿渣。 第三节:化学侵蚀 3.酸和碱的腐蚀 水化水泥浆体是一种碱性材料，因此一般不会遭受各类碱性材料特定的腐蚀。而对于酸性溶液情况就完全不同，酸很容易侵蚀碱性材料。 氢离子将加速氢氧化钙的渗滤：OHCaHOHCa22222)(6) 如果浓度高时，C-S-H也可受侵蚀而形成硅胶与氢离子伴生的阴离子，其本质可能会进一步加重侵蚀现象。 第三节:化学侵蚀 OHOnHSiOCaHOHSiOCaOOH2

10、222226)(2363232 碳酸因能形成可溶性重碳酸钙故腐蚀性也较强：OHHCOCaCOHOHCa223322)()( 任何酸如能以类似方式形成可溶性钙盐，则侵蚀性强烈，而如果酸能形成不溶性钙盐，则在酸侵蚀过程中，其沉淀物能保护混凝土免受进一步破坏。 第三节:化学侵蚀 4.盐类的结晶 当混凝土与含有大量溶质的水想接触时，就会发生结晶腐蚀。这些盐类渗入混凝土，并且由于经过蒸发、浓缩而在孔内结晶，如此反复或连续蒸发，将引起盐的沉积而造成开裂点。 第三节:化学侵蚀 限制盐结晶问题可采取的措施：（1）使用低水灰比低渗透性混凝土限制水分的渗透；（2）密封混凝土；（3）在结构件制造一层障碍层以防止毛细

11、管效应发生。 第三节:化学侵蚀 5.污水管的腐蚀 混凝土污水管处于非常严重的腐蚀条件下，污水管不仅可以被地下水中的物质（硫酸盐或酸类）腐蚀，更易受污水本身的腐蚀。 第三节:化学侵蚀 污水管表面的保护性处理:（1）采用沥青、柏油和树脂作为涂层，以及使用铝酸钙水泥；（2）使用水玻璃（硅酸钠）、不溶性皂类、氯盐以及铁盐使混凝土表面孔隙为不溶性盐沉淀物所填充或形成一个耐久的表面涂层；（3）用二氧化碳气体或四氟化硅蒸汽进行防护处理；（4）对于长期的保护，也有使用厚的衬套（聚氯乙烯薄片）或者涂层（环氧树脂砂浆）；（5）最常用的的有效方法，还包括对污水管进行氯化处理以防止磺化酸的形成，加入石灰提高PH值，清

12、除管内的粘土和淤泥保持良好的通风以提高水流速度等。 第三节:化学侵蚀 6.金属的腐蚀钢筋发生腐蚀时，铁锈产生的膨胀反应会导致锈蚀钢筋上部的混凝土产生开裂和剥落。 第三节:化学侵蚀 防腐措施：（1）降低混凝土渗透性；（2）在混凝土上涂保护层；（3）钢筋上涂保护层；（4）遏制电化学过程。 第四节:物理侵蚀 混凝土发生冻融破坏的条件 混凝土处于饱水状态 混凝土受冻融交替作用1.冻融冻融侵蚀产生的破坏作用 冻胀开裂 表面剥蚀抵抗冻融破坏，必须同时具有适当含气量的浆体和耐久的集料 第四节:物理侵蚀 水泥浆体的冰冻 当水饱和混凝土冷却至0以下时，水泥浆体中大部分的水不会立即结冰。浆体内的孔径分布范围很大，

13、可由热力学证明毛细管孔中的水不会冰冻，一直要到温度低于0的一定数值才会冻冰，所降低的数值视孔径而定。如果毛细孔水中有碱存在。则冰点温度下降。有时虽然温度降至冰点，混凝土中相当一部分水不是结冰而形成过冷水，因为初始结冰需要晶柱。晶核将在混凝土外部或混凝土内较大空隙中形成，并随温度的下降而渗入水泥浆体内部。结晶体并不能容易的渗入细小的毛细孔，只有当温度降到零度以下才能做到。最后水分被造成浆体内部毛细孔和微孔表面的C-S-H表面所吸附，它们永远不会结冰，虽然水可以移至毛细管内，并可在其中结冰。 第四节:物理侵蚀 温度下降时，水泥浆体的体积变化 不加保护的浆体内伴随着冰冻会产生严重的膨胀，导致内部产生拉伸应力直至破坏。对于引气浆体，在降温冰冻时膨胀极小并有相当程度的收缩 第四节:物理侵蚀 静水压假说 当冰在毛细管中形成时所伴随的体积增加引起剩余水被压缩。如果水能够从毛细管经过没有冰冻的孔扩散外逸至自由空间，则可以消除这种压力。但假如水移动外逸至边缘的距离太远，则毛细管有膨胀的趋势，同时周围的材料会受到压力作用。叠加邻近毛细管的压力则最后将引起浆体超过抗拉强度并发生破裂。如温度逐渐下降，较多的毛细管水要发生冰冻，并增加水压力，因而增加了微裂缝和膨胀冻融侵蚀机理 第四节:物理侵蚀 大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中