混凝土结构及材料安全与耐久性2018

1、混凝土结构及材料安全与耐久性中铁建股份公司总工程师培训班西南交通大学二0一八年五月1、混凝土结构安全性 混凝土结构安全性的定义 混凝土结构的安全性是指在正常施工和正常使用下混凝土结构及其构件承受可能出现的各种外界作用、并能防止破坏、倒塌、保护人员和设备安全的能力，包括偶然突发事件发生时和发生后，仍然保持必要的整体稳定性的能力。概述第一种情况：正常第二种情况：偶然突发保证安全性能稳定混凝土结构安全性设计原则显然，荷载的标准值和荷载与材料强度的安全系数规定得越高，就表示结构的安全设置水准越高，设计的结构就越安全。混凝土结构的安全性是建筑工程质量的重要保证，是命根结构需要承受的负荷以及结构的材料性能

2、、设计计算方法、施工质量等均存在着许多不确定性结构必须承受的负荷设计值应该是荷载标准值乘以大于1的荷载安全系数的放大值因同时在确定结构构件所具有的承载能力时应该将材料强度的标准值除以大于1的材料强度分项系数的缩小值规范规定做预为什么要做安全性设计-要有安全依据，心中有底两个富余量：1、构件承受荷载能力富余量；2、材料性能的富余量2、混凝土耐久性概念及结构服役寿命混凝土耐久性 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。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

3、间(年)。混凝土耐久性的重要性 保证运行安全长期使用性能不变环境严酷经历时间性能失限各种环境保证混凝土构筑物运行的安全性延长混凝土构筑物的服役寿命节约混凝土构筑物维护成本节约自然资源，减少消耗改善人类居住的环境条件延长服役寿命节约维护成本减少资源消耗改善居住环境时髦的话:保证美好生活的长久性桥梁病害钢筋混凝土的侵蚀损毁大量的混凝土耐久性问题开裂剥落碎掉钢筋锈蚀冰岛一港口混凝土路面受盐冻剥落大量的混凝土耐久性问题剥落坑洼硫酸盐侵蚀引起的大坝破坏碱骨料反应引起的错位碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝大量的混凝土耐久性问题错位破碎脱落裂缝裂缝3、混凝土性能劣化的模式性能劣化模式组成改变体积膨

4、胀结构酥松强度下降弹模降低开裂剥落质量损失溶蚀磨损环境因素水风化冻融化学腐蚀磨损气体4、导致混凝土性能劣化的因素内部原因化学反应体积变化吸水吸湿渗透渗流5、混凝土耐久性的内容两大类内容第一类：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第二类：是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。 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。主要涉及工作抗渗性、抗冻性 耐腐蚀性、抗碳化性 抑制碱骨料反应 耐火性、耐磨性与抗冲刷性对配筋混凝土结构的环境类别及作用等级环境类别环境作用等级环 境 条 件结构构件示例一般环境-A室内干燥环境常年干燥、低

5、湿度环境中的室内构件；所有表面均永久处于静水下的构件永久的静水浸没环境-B非干湿交替的室内潮湿环境中、高湿度环境中的室内构件；不接触或偶尔接触雨水的室外构件；长期与水或湿润土体接触的构件非干湿交替的露天环境长期湿润环境-C干湿交替环境与冷凝水、露水或与蒸汽频繁接触的室内构件；地下室顶板构件；表面频繁淋雨或频繁与水接触的室外构件；处于水位变动区的构件冻融环境-C微冻地区的无盐环境混凝土高度饱水微冻地区的水位变动区构件和频繁受雨淋的构件水平表面严寒和寒冷地区的无盐环境混凝土中度饱水严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面-D严寒和寒冷地区的无盐环境混凝土高度饱水严寒和寒冷地区的水位变动区构件和频繁受雨淋

6、的构件水平表面微冻地区的有盐环境混凝土高度饱水有氯盐微冻地区的水位变动区构件和频繁受雨淋的构件水平表面严寒和寒冷地区的有盐环境混凝土高度饱水有氯盐严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面-E严寒和寒冷地区的有盐环境混凝土高度饱水有氯盐严寒和寒冷地区的水位变动区构件和频繁受雨淋的构件水平表面6、混凝土耐久性设计环境类别环境作用等级环 境 条 件结构构件示例氯化物环境-C水下区和土中区；周边永久浸没于海水或埋于土中桥墩，基础-D大气区（轻度盐雾）距平均水位15 m高度以上的海上大气区；涨潮岸线以外100300 m内的陆上室外环境桥墩，桥梁上部结构构件；靠海的陆上建筑外墙及室外构件-E大气区（重度盐雾）距

7、平均水位上方15 m高度以内的海上大气区；离涨潮岸线100 m以内、低于水平面以上15 m的陆上室外环境桥梁上部结构构件；靠海的陆上建筑外墙及室外构件潮汐区和浪溅区，非炎热地区桥墩，码头-F潮汐区和浪溅区，非炎热地区桥墩，码头除冰盐氯化物环境-C受除冰盐盐雾轻度作用离开行车道10 m以外接触盐雾的构件四周浸没于含氯化物水中地下水中构件接触较低浓度氯离子水体，且有干湿交替处于水位变动区，或部分暴露于大气、部分在地下水土中的构件-D受除冰盐水溶液轻度溅射作用桥梁护墙、立交桥桥墩接触较高浓度氯离子水体，且有干湿交替海水游泳池壁；处于水位变动区，或部分暴露于大气、部分在地下水土中的构件-E直接接触除冰

8、盐溶液路面，桥面板，与含盐渗漏水接触的桥梁帽梁、墩柱顶面受除冰盐水溶液重度溅射或重度盐雾作用桥梁护栏、护墙，立交桥桥墩；车道两侧10 m以内的构件接触高浓度氯离子水体，有干湿交替处于水位变动区，或部分暴露于大气、部分在地下水土中的构件化学腐蚀环境-C汽车或机车废气受废气直射的结构构件，处于封闭空间内受废气作用的车库或隧道构件-D酸雨（雾、露）pH值4.5遭酸雨频繁作用的构件-E酸雨pH值 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

9、.H2OXRD分析证明：上图，未受侵蚀的水泥石的XRD图谱；中图，表明石膏型硫酸盐侵蚀，在水泥石中形成大量石膏；下图，表明钙矾石和石膏混合型硫酸盐侵蚀G: 石膏E: 钙矾石碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀碳硫硅钙石的形成硫酸根离子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 碳硫硅钙石的破坏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

10、，但膨胀性破坏不是碳硫硅钙石导致的典型破坏。腐蚀最易发生部位 低温环境下的结构物 地下基础 潮湿环境下的结构物 桥墩隧道碳硫硅钙石4、如何阻止混凝土的硫酸盐侵蚀提高混凝土的质量和抗渗性(减水剂)限制水泥中 C3A 矿物含量5中低热水泥抗硫酸盐水泥 加火山灰质掺合料15% 偏高岭土35% 磨细矿渣6% 硅灰 20% 低钙粉煤灰表面涂层保护水泥中C3A含量与混凝土试件硫酸盐侵蚀体积变化时 间(年)膨胀率()混凝土硫酸盐侵蚀膨胀率与水灰比的关系时间(年)膨胀率()粉煤灰对混凝土硫酸盐侵蚀膨胀率的影响时间(年)膨胀率()四、碱骨料反应1、什么是碱-骨料反应？碱硅反应是下列物质间反应硅酸盐水泥中的 碱金

11、属离子氢氧根离子骨料中的硅成分碱骨料反应破坏形式膨胀与开裂损失强度粘性碱-硅物质 的溢出 或渗出发生的部位：湿环境 (大坝, 桥墩, 海堤)暴露环境 (道路, 建筑外部)扫描电镜下的碱性反应凝胶2、碱-硅酸反应(ASR) 膨胀机理反应速度取决于：骨料中硅的活性水泥中碱含量 (wt% Na2O 等价.)碱硅凝胶(AS)是膨胀的主体吸附肿胀理论：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。渗透压理论 ： 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。氢氧根离子破坏了骨料中的硅氧

12、结构硅形成碱硅凝胶(AS gel)碱硅凝胶与水接触产生肿胀混凝土模型： 水泥石paste 活性硅骨料水泥石中的碱金属离子与骨料中的活性硅反应在骨料表面形成碱硅凝胶当膨胀压超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将开裂。常见的碱骨料反应最简单的破坏形式表述当裂缝到达混凝土构件表面，就产生“龟裂”骨料界面过渡区未受损的混凝土 ASR损坏的混凝土碱硅凝胶(AR Gel)2、ASR 破坏实例破坏的铁路轨枕破坏的桥墩破坏的防护板，并导致钢筋锈蚀破坏杭州清泰门立交桥3、碱骨料反应影响因素水泥或混凝土的含碱量 ；活性氧化硅含量 ；骨料粒径 ；水分来源 ；环境温度。混凝土中的碱含量与其膨胀的关系如果碱含量低于0.6%,

13、膨胀不会发生水泥中碱含量对ASR引起的破坏的影响相对湿度低于80，膨胀很小4、抑制ASR的措施总体来说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（1）限制碱含量：低碱水泥、限制其它来源（盐污染 的骨料、防止海水渗入、化冰盐溶液渗入）、混 凝土中水泥用量（2）限制活性骨料（3）保持干燥（4）利用火山灰质矿物：25%低钙粉煤灰、 40-50%)的 矿渣、 7-15%硅灰、 7-15%天然火山灰（5）引气剂：引入气泡缓解膨胀压力，减少有害膨胀（6）结构设计：限制水渗入(排水)、避免化冰盐积累、 提高密实度、表面质量

14、五、混凝土的抗碳化性 ：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度的现象。 ：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。 ：CO2浓度、相对湿度、混凝土的密实 度、水泥品种和掺和料等。影响危害定义六 、混凝土的 抗火性 随着温度升高，发生以下三种变化： 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； 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

15、性能较优异。 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七、混凝土中钢材的锈蚀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。 1、钢筋不会锈蚀原因 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。2、钢筋产生锈蚀、危害及原因钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式3、两种引起钢筋锈蚀原因分析1）

16、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，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。 4、混凝土中钢材的锈蚀过程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。 5、两个需要注意的情况 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。 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。 T0：开始

17、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T1混凝土中钢材锈蚀的防护措施 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。 下列几种新措施，可以在原材料选择、配合比设计、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：粉煤灰减小混凝土的氯离子扩散的作用八、混凝土劣化的“整体性”模型 一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构环境作用(第一阶段)(无可见损伤)1. 侵蚀作用(冷热循环、干湿循环)2

18、. 荷载作用(循环荷载、冲击荷载) 由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失A：孔隙内静水压增大、混 凝土膨胀，钢筋锈蚀、 碱-骨料反应、水结冰、 硫酸盐侵蚀;B：混凝土强度与刚度降低环境作用(第二阶段)(损伤的开始与扩展)水的渗入O2、CO2渗入酸性离子(Cl- 、 SO4-)渗入开裂、剥落与整体性丧失九、提高混凝土耐久性的主要措施 混凝土的耐久性主要取决于组成材料的品质和混凝土本身的密实性及孔隙特征。因此，提高混凝土的耐久性应在这两方面采取措施 1）根据工程所处环境及使用条件，合理选择水泥品种；2）选用较小的水灰比，尽量减少拌和用水量，以减少多余水(23%的水泥质 量以外的水)造成的各种孔隙和因泌水所形成的渗水通道；混凝土中应 有足够的水泥用量，以保护钢筋不致生锈，且粘结牢固。3）掺用引气剂或减水剂； 4）改善施工方法，提高施工质量。做到搅拌透澈、灌注均匀、振捣密实、 加强养护。5）表面处理，提高混凝土表面层的密实度，如采用真空抽水、二次振 捣，表面浸绩处理等。 材料品质密实性孔特征