第九章 耐久性

耐久性：材料抵抗因外部环境因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，保持原有性能不变的能力。服役寿命：构筑物受到其服役环境因素的侵蚀和破坏，使用性能下降到最低设计值时，所经历的时间。第九章硅酸盐水泥的耐久性唐朝木构殿堂式建筑——五台山佛光寺大殿布达拉宫(重建1690年)石木结构故宫(紫禁城)建成于1420年砖木结构汉代赵州桥石拱结构1937年钱塘江大桥(钢混结构)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提高结构耐久性的意义：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、湿度）等；人为因素：设计与施工问题、负荷超标准等；第一节抗渗性1.定义：抵抗有害介质（流动水、溶液、气体）等渗透的能力以渗透系数K表示抗渗性的高低，K值越小越好。（1）孔隙大小：K∝r2；（2）孔隙率：K∝ε；小于1μm孔对渗透性没有影响；K主要决定于毛细孔率的大小，尤其是大毛细孔。

思考：孔隙从哪里来？1.施工振捣不密实；2.多余水分的蒸发留下的气孔；3.水泥浆泌水所形成的毛细孔；4.粗骨料下部界面水富集所形成的孔穴；5.水化不充分；2、影响抗渗性的因素（1）水灰比↑,孔隙率↑渗透性—水灰比关系存在临界区域高渗透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低渗透性1、高孔隙率、低渗透性4、多孔、高渗透性3、多孔、低渗透性2、低孔隙率、高渗透性孔隙率、孔隙特征与渗透性的关系（3）水化程度越深，水化产物多，K低

最初几周，硬化浆体的渗透性下降几个量级（2）养护温度（温度湿度）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300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度为35～40MPa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。

3、提高抗渗性的措施适当降低水灰比；细化骨料过渡区；施工中加强振捣，采用适宜的养护制度；外加剂（减水剂，引气剂）；抗渗仪第二节抗冻性

1.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。①水自由流动，作用于玻璃瓶壁的压力较小②水结冰开始，冰膨胀对瓶壁作用一个张应力③随着结冰进行，瓶壁对冰的应力，产生累计应变能；④内压很大以至于导致瓶壁破裂让冰膨胀和能量释放；2.破坏机理：水结冰时，体积膨胀9%，如果体内有足够的空间容纳，就会产生可能引起开裂的压力。因冷冻水蒸汽压的差别造成的渗透压力，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积累，产生开裂与剥落。根本原因：混凝土中含有可结冰的水；冰晶增长未结冰水或气孔渗透压力毛细孔水结冰，约-12℃，有害孔。凝胶孔水结冰，低于-78℃。3.评定抗冻性的方法（2）评定指标强度损失:抗压强度损失≤25%重量损失:≤5%的最大冻融循环次数4.影响抗冻性的因素强度愈高，抗冻性越好

密实度、孔隙构造及数量孔隙充水程度大，抗冻性差引气剂、减水剂、抗冻剂等

低水灰比延长养护龄期提高措施引入的气孔作用机理水压很高，可使毛细孔间的水泥石破坏；引入的气孔可以释放水压，避免高压水的产生；大量的空气泡减小了水释放的平均距离；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。混凝土中的孔是不是都对冻害有利？搅拌中引入的孔隙孔径为10mm-1cm；通常是空的。外加剂引入的气孔孔径为0.1-0.2mm；通常是空的。毛细孔：由可蒸发水挥发留下的孔径为0.01-5mm；含水；冰点为-1C～-8C，取决于孔隙水中离子浓度。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，冰点为-78C。

第三节环境介质的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。水泥石易被侵蚀的原因1、存在有引起腐蚀的组分氢氧化钙和水化铝酸钙。2、本身不密实，很多毛细孔通道，侵蚀介质易于进入其内部。3、腐蚀与通道相互作用。*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：Ca(OH)2不断溶出，混凝土变疏松、孔洞化；

CSH和CAH水化产物分解溶出；*压力水作用下：大坝、地下建筑中Ca(OH)2溶出加速；（1）淡水溶蚀（Ca(OH)2溶出）（2）酸腐蚀Acidattack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；

侵蚀机理

Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O

CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2

平衡碳酸水中的碳酸结合碳酸侵蚀性碳酸：超过了平衡碳酸量的部分（3）硫酸盐Attackbysulphates

硫酸盐离子与CH反应生成石膏，与硬化水泥浆体中的AFm反应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。钙矾石形成的膨胀机理结晶压力机理

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。膨胀理论

膨胀是由孔溶液中钙矾石结晶生长引起的，晶体有很大的表面，吸附水而肿胀，导致膨胀压力。2.5倍XRD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。受硫酸盐侵蚀的试件外观劣化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％掺加火山灰质矿物外加剂表面涂层保护水泥中C3A含量与混凝土试件体积变化时间(年)膨胀率(％)混凝土膨胀率与水灰比的关系时间(年)膨胀率(％)粉煤灰对混凝土膨胀率的影响时间(年)膨胀率(％)（4）镁盐侵蚀美国中国欧洲1940年美国加利福尼利亚洲最先发现碱集料反应南非加拿大AlkaliAggregate

Reaction简称AAR膨胀性产物产生破坏碱活性集料水+（5）碱-集料反应(AAR)碱集料反应引起的破坏（北京西直门老桥，1999年拆除前）碱集料反应引起网状裂缝碱集料反应引起的错位碱的来源相对湿度:80%水活性集料碱集料活性的评价一、碱集料反应的发生条件相对湿度低于80％，膨胀很小相对湿度对AAR破坏的影响硅质砂岩波茨坦砂岩硅酸活性集料流纹凝灰岩国标混凝土中碱BECDA外加剂中碱混合材中碱掺入量如带入碱量不成比例水泥中碱Na2Oeq＜0.6%环境中的碱集料中碱1.混凝土中碱的来源内部碱外部碱混凝土中的碱含量与其膨胀的关系国标建成于1984年9月25日，水泥用量约300~400kg/m3，该桥1984年建成后在80年代末已发现开裂，其后继续发展。盖梁及桥台开裂特别严重，裂缝宽度最大已达1.4cm.北京三元立交桥原因：（1）使用的是北京地区具有碱活性的砾石，粒径为0.5~2cm；（2）在冬季施工时曾掺入5%NaNO2

和3%Na2SO4(以水泥质量计)作为防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的碱含量高达15kg/m3。1982～1984年由北京的构件厂共生产跨度为24~32m的预应力混凝土铁路桥梁188孔用于山东兖石(兖州至石臼所)线上，水泥用量约500kg/m3

，水灰比为0.3，强度非常高。顺筋开裂端部开裂山东兖石线预应力混凝土铁路桥1991年共调查183孔，其中无裂缝者仅6孔，裂缝宽度大于0.2mm，一般在0.2～0.4mm之间，最大者达0.7mm。原因：（1）采用高碱(1.1%~1.3%)纯硅酸盐水泥，水泥用量约500kg/m3，混凝土的碱含量约6.5kg/m3；（2）集料活性。

山东潍坊机场建于1984年,90年代初调查,开裂的跑道达33.3%.实验室仔细鉴定证明该机场主要为碱碳酸盐反应引起的破坏.所取Φ20cm×40cm的混凝土芯样表明,从表面深至底部全部开裂,部分裂缝穿过集料.跑道开裂活性集料山东潍坊机场碱含量约3.9kg/m3，集料活性，含有微晶白云石晶体。环境条件混凝土最大碱含量kg/m3一般工程结构重要工程结构特殊工程结构干燥环境不限制3.02.5潮湿环境3.03.02.1含碱环境3.03.0低活性集料侵蚀环境和寒冷环境3.02.52.1

根据环境条件和工程结构的重要性，混凝土最大含碱量规定如下：3.0kg/m3（1）碱活性集料可分为：

含有非晶体或结晶不完整的SiO2集料如：蛋白石、玉髓、微晶质石英、隐晶质石英等具有特定结构的微晶白云石集料

2.碱活性集料分类及检测方法注意区别：碱性集料和碱活性集料碱性集料——沥青混凝土；结合力强，抗水剥离能力强；（2）各国集料碱活性的检测标准比较

RILEM(国际材料与建筑构造研究实验所联合会)（3）检测方法及各自优缺点岩相分析法01微观结构分析速度快、直观确定活性集料的种类和数量化学分析法02集料的活性成分分析非活SiO2集料不准确03砂浆棒法

测定膨胀量；短期：快速砂浆棒法长期：混凝土棱柱体法；二、碱集料反应类型及作用机理碱硅酸凝胶吸水膨胀2-3倍碱硅酸反应:简称ASRAlkaliSilicaReaction1.ASR反应模型水泥浆体活性硅集料K+Na+OH-K+Na+Ca2+Ca2+OH-OH-OH-混凝土模型：碱硅酸凝胶吸水膨胀产生内应力，导致混凝土的膨胀和开裂。当裂缝到达混凝土构件表面，就产生“龟裂”。常见的碱—骨料反应破坏形式二、碱集料反应种类及作用机理碱硅酸反应:简称ASR微晶白云石水镁石体积膨胀148%碱硅酸凝胶吸水膨胀3倍碱碳酸反应：简称ACRAlkaliSilicaReactionAlkaliCarbonateReaction2.两类反应的特点类型 特点碱硅酸反应(ASR)混凝土表面有无序的网状裂缝；集料边界有反应环、反应边；孔隙中有硅酸钠（钾）凝胶。碱碳酸反应(ACR)产生的损伤外部特点与ASR大体一致，裂缝呈花纹形或地图形，但在混凝土的孔隙和反应集料的边界等处没有凝胶存在，而是碳酸钙、氢氧化镁。肿胀压理论凝胶的吸水肿胀孔中水迁移受阻产生膨胀压凝胶是半透膜，朝一个方向流动产生渗透压渗透压理论3.反应机理——两种观点同步不同步膨胀是在碱硅凝胶积累到一定的量时才发生符合工程实践思考：碱集料反应与膨胀是否同步发生？抑制措施控制混凝土的总碱含量使用非活性集料控制混凝土的湿度三、抑制碱集料反应的措施传统方法：C30水泥减水剂粉煤灰集料原材料的碱含量0.85%17%0.8%一般活性配合比/kg/m33203.060带入的碱量2.720.510.48混凝土碱含量3.7Kg/m3C40水泥减水剂粉煤灰集料原材料的碱含量0.85%17%0.8%一般活性配合比/kg/m33803.580带入的碱量3.230.5950.64混凝土碱含量4.465Kg/m3抑制措施控制混凝土的总碱含量使用非活性集料控制混凝土的湿度混合材三、抑制碱集料反应的措施传统方法：新方法：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

混合材能抑制AAR，由于两个效应：B.微集料效应：粒度细小，致密性提高，抗渗性提高

A.物理稀释效应：水泥用量减少，总碱量降低混合材与Ca(OH)2反应，孔溶液pH值降低

对于一般ASR活性的集料，碱含量小于3.5%的粉煤灰的掺量在30%以上时或碱含量小于1.0%的矿渣在大于50%时能有效抑制ASR。但对于ACR活性集料，粉煤灰、矿渣和硅灰难以防止其ACR破坏。

使用掺合料抑制措施控制混凝土的总碱含量使用非活性集料控制混凝土的湿度化学外加剂如锂盐等混合材三、抑制碱集料反应的措施传统方法：新方法：

锂盐抑制机理

与Na+，K+相比，Li+离子具有优先反应权；形成非膨胀性的结构更致密的L-S-H；产物包裹在集料周围，阻止了Na+(K+)的侵蚀；反应方程如下：2Li++2OH-+SiO2+H2O=Li2SiO3·2H2OL-S-H

尽管AAR的过程比较复杂，但现在已经掌握了这一反应的特征和判别方法。AAR的明显迹象是：混凝土结构表面出现网状裂缝或特有的龟裂和纵向裂缝，以及淤积于混凝土裂缝和空隙中的玻璃状或白色凝胶盐析。混凝土硅质集料的边缘出现白色反应环，是AAR的典型特性之一。AAR的综合判定方法（1）肉眼或用立体显微镜观察,再用偏反光显微镜观察光薄片.一般AAR造成的破坏常会损伤集料颗粒，裂缝多从集料延伸至浆体。有时还能明显观察到集料颗粒裂开，或边缘被撕裂。因冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀、化学腐蚀、碳化、机械荷载等不会使集料颗粒受到损伤.——这是区分AAR与其他破坏因素。（2）依靠电子显微镜加上能谱分析可以测得碱硅酸盐凝胶的化学成分。这是发生AAR的直接证明。破坏的工程芯样中集料含有活性二氧化硅（如玉髓等）,反应后经能谱鉴定确证碱硅酸盐凝胶的存在。集料中玉髓(c)集料能谱—Si;(d)碱硅酸凝胶思考题：碱集料反应与冻融损坏、硫酸盐侵蚀、钢筋锈蚀等引起混凝土的损伤相似，如何区分？冻融破坏（1）冻融破坏（2）混凝土表面出现缺边、掉角、开裂的现象。混凝土表面龟裂现象。硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀混凝土表面有白色的析晶混凝土表面有白色的析晶钢筋锈蚀（2）钢筋锈蚀，承载截面变小。钢筋锈蚀（1）混凝土表面剥落。（6）钢筋的锈蚀影响结构物寿命的第一大因素1.电化学腐蚀：阳极区：Fe=Fe2++2e阴极区：2H2O+2e+½O2=2OH-+H2O溶液区：Fe2++2OH=Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

FeFeOFe2O3Fe3O4Fe(OH)2Fe(OH)3Fe(OH)33H2O

2.钢筋锈蚀的后果

在混凝土内部的碱性环境（pH＞13）中，钢材表面生成一层致密的钝化膜，保护钢材不被锈蚀。3.钢筋锈蚀产生的必要条件●钢筋表面钝化膜破坏（先决条件）●电解质溶液—水、溶有CO2的水●表面存在电位差，构成腐蚀电池4.混凝土中钢材的钝化膜破坏的原因：1）混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和（pH＜9）而失去碱性；2）海水或道面撒除冰盐所引入的氯离子的作用。

a.碳化作用

b.氯离子作用氯化物引起的锈蚀（点蚀）：可溶的氯化铁生成，当Cl-与OH-浓度比＞0.6时，即使pH高达11.5，钢筋的锈蚀也会发生。条件：氯离子扩散速度、氧气、水分与保护层厚度、水灰比、水泥用量等有关。T0：开始锈蚀;T1：混凝土开裂；

T0T11）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产生开裂的时间分两个阶段2）锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的时间T1重要结构物，常用t0作为设计寿命；一般结构物，可用t1作为设计寿命，但应有定期的维护制度。钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式除冰盐所导致的钢筋混凝土桥梁破坏钢筋锈蚀后体积膨胀导致混凝土保护层发生顺筋开裂离岸码头立柱在浪溅区的破坏锈蚀导致结构破坏的实例-四川宜宾南门大桥大桥长384米，宽13米，为单孔跨径240米的钢筋混凝土中承式公路拱桥，桥面由17对钢缆吊杆凌空悬挂，1990年6月竣工通车。2001年11月7日凌晨4点半