混凝土耐久性专题讲座

专题讲座

混凝土耐久性

DURABILITYofCONCRETE概念混凝土耐久性

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，所经历的时间(年)。混凝土耐久性的重要性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碱—骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝MapCracking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组成改变体积膨胀、裂缝表面开裂表面剥落溶蚀磨损结构酥松承载力下降弹性模量降低质量损失体积增长导致混凝土性能劣化的因素外部环境因素：

水、风化、冻融、化学腐蚀、磨损、气体等；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抗渗性

抗冻性

耐腐蚀性

抗碳化性

碱—骨料反应

耐火性耐磨性与抗冲刷性混凝土的劣化分为两大类：

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。

第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。一、混凝土的抗抗渗性PermeabilityofConcrete定义：混凝土抵抗压力力水(油、液体)渗透的能力，称称为抗渗性。评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标标准试件，按标标准方法进行抗抗渗试验，以6个试件中中4个试件未未出现渗渗水时的的最大水水压确定定，计算算式如下下：P=10H—1式中：P—抗渗标号号；H—6个试件，，3个试件出出现渗水水时的水水压力(MPa)。水的渗透透与混凝凝土的劣劣化：对许多建建筑材料料来说，，水是它它们生产产过程的的重要原原料之一一，同时时也是它它们破坏坏过程的的主要介介质。水也是多多数结构构混凝土土出现耐耐久性问问题的核核心。不不仅物理理劣化过过程与水水有关；；同时作作为传输输侵蚀性性离子的的介质，，水又是是其化学学劣化过过程的一一个根源源。混凝土的的抗渗性性是反映映混凝土土耐久性性的一个个重要指指标为什么混混凝土会会渗水混凝土内内部存在在孔隙通通道是其其渗水的的根本原原因！孔隙通道道包括：：混凝土中中可蒸发发水蒸发发后留下下的孔道道；拌合物泌泌水时在在骨料和和钢筋下下方形成成的水囊囊与水膜膜；混凝土各各种原因因引起的的体积变变形所产产生的收收缩裂缝缝；混凝土在在荷载作作用下的的变形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混凝土抗抗渗性的的影响因因素混凝土的的配合比比水灰比胶凝材料料(水泥＋矿矿物外加加剂)用量浇注成型型工艺混凝土的的搅拌混凝土的的震捣养护条件件湿度温度龄期工程实践践证明：：采用适宜宜的原材材料及良良好的生生产、浇浇筑与养养护操作作，当水水泥用量量为300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度度为35～40MPa的混凝土土，在大大多数环环境条件件下可以以呈现足足够低的的渗透性性和良好好的耐久久性能。。

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水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低渗透性水灰比是是混凝土土抗渗性性的重要要影响因因素！为为什么？？混凝土的的抗渗性性与吸水水性硬化水泥泥浆体或或混凝土土因毛细细作用(而不是压压力梯度度)吸收或吸吸附水份份于其孔孔隙里的的性质，，称为吸吸水性。。试验表明明：吸水水性大小小主要反反映混凝凝土靠近近表层的的抗渗性性。二、混凝凝土抗冻冻性FrostResistanceofConcrete三问？混凝土抗抗冻性的的含义是是什么？？混凝土冻冻融破坏坏机理和和劣化模模式有哪哪些？如何改善善混凝土土抗冻性性？什么是混混凝土的的抗冻性性定义：在在吸水饱饱和状态态下，混混凝土能能够经受受多次冻冻融循环环而不破破坏，也也不显著著降低其其强度的的性能，，称为混混凝土的的抗冻性性。冻害害什么引起起冻害?混凝土内内部孔中中的水结结冰水结冰使使体积膨膨胀9%。冻害破坏坏影响到到水泥石石和骨料料冻害破坏坏的外观观模式剥落龟裂、分分层构筑物的的什么位位置最易易受损?北方气候候混凝土路面、桥面面板、挡土墙混凝土的冻融破坏坏原因与模式原因：混凝土中大毛细孔孔里的水结冰时，，体积大约要膨胀胀9%如果体内没有足够够的空间容纳，就就会产生可能引起起开裂的压力作用用于孔缝的壁上，，导致孔缝扩展和和连接反复的冻融循环使使危害扩大和积累累，孔缝不断增多多，并扩展和连通通，造成强度下降降破坏模式：表面出现缺棱、掉掉角、脱皮等现象象质量损失强度、弹性模量下下降冻害造成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①水自由流动，作用用于玻璃瓶壁的压压力较小②水结冰开始始，冰膨胀对瓶壁壁作用一个拉应力力③随着结冰进进行，瓶壁对冰的的约束，产生累计计应变能寻求释放放④内压很大以以至于导致瓶壁破破裂让冰膨胀和能能量释放冻害机理水结冰产生压力的的机理：水压渗透压毛细孔中冰结晶生生长压水压①结冰前，两个孔中中的水均处于低压压；②冷却前锋到达达上面的孔，孔压压增加，周围混凝凝土处于高压水环环境中；③冷却前锋继续续穿过上面的孔，，高压水到达下面面的孔，引起流体体进入下面的孔，，流体通过毛细孔孔中间高度约束的的通道的流动产生生水压并加速破坏坏作用。提高混凝土抗冻性性的方法水泥石抗冻性：低水灰比保证混凝土良好的的养护引气剂骨料的抗冻性选用抗冻骨料混凝土中孔隙尺寸寸和水的存在引入的气孔:搅拌中引入的孔隙隙孔径为10mm-1cm;通常是空的。外加剂引入的气孔孔孔径为0.1-0.2mm;一般是干燥的。毛细孔：由可蒸发发水挥发留下的孔孔径为0.01-5mm;含水;水的冰点为-1C～-8C，取决于孔隙水中中离子浓度。凝胶孔：C-S-H凝胶内部的孔，其其孔径为1-10nm;含有化学结合水;由于化学键而抗冻冻，典型冰点为-78C不是混凝土中的孔孔都对冻害有利。。引入的气孔作用机机理水压很高，可使毛毛细孔间的水泥石石破坏；引入的气孔可以释释放水压，避免高高压水的产生；大量的空气泡减小小了水释放的平均均距离；引起的气孔有利于于混凝土抗冻害性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验方法：用28d龄期、吸水饱和状状态下的试件，进进行低温冰冻，水水中融化循环试验验，经过一定循环环后测定试件的强强度或弹性模量和和质量。评价指标：以强度度降低不超过25%、质量损失不超过过5%时所能承受的最大大冻融循环次数N为抗冻指标—抗冻标号D或耐久性系数Km：Km=PN/300式中：N—混凝土试件冻融循循环试验至相对弹弹性模量下降到60%以下时的冻融循环环次数；P—经N次冻融循环后试件件的相对弹性模量量。三、混凝土硫酸盐盐侵蚀SulfateAttackonConcrete三问？混凝土硫酸盐侵蚀蚀的含义是什么？？硫酸盐侵蚀机理和和劣化模式有哪些些？如何改善混凝土抗抗硫酸盐侵蚀？离子在混凝土中的的扩散DiffusionofIoninConcrete离子的扩散行为虽虽与水在混凝土中中的传输不同，但但它要以水为载体体.离子(或原子、分子)在浓度梯度作用下下运动，即扩散过过程，传输速率由由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸盐盐侵蚀什么导致混凝土硫硫酸盐侵蚀：硫酸根离子与混凝凝土中水泥水化物物之间的化学反应应，形成有害化合合物，而导致混凝凝土组成和结构的的破坏、强度下降降、表面剥离等。。硫酸根离子的来源源：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、混凝土硫酸盐侵侵蚀的劣化模式劣化模式体积膨胀开裂(从构件的边边缘和角上上开始)表面剥落、、质量损失失强度下降外观劣化——发白最易发生的的部位大坝桥墩地下基础水工设施受硫酸盐侵侵蚀的混凝凝土或砂浆浆试件外观观劣化3、混凝土硫硫酸盐侵蚀蚀机理钙矾石型石膏型碳硫硅钙石石型C-S-H分解型(1)钙矾石型侵侵蚀机理外部硫酸根根离子渗入入水泥石中中；与单硫型硫硫铝酸钙、、氢氧化钙钙、水反应应形成钙矾矾石：C4AH18+2CH+3SO42－+12H=C6AŜ3H323C3A＋3CH+3SO42－+29H＝C6AŜ3H32钙矾石体积积膨胀产生生拉应力拉应力导致致混凝土内内部开裂破破坏钙矾石形成成钙矾石形成成的膨胀机机理结晶压力机机理:膨胀由钙矾矾石晶体生生长引起的的，产生结结晶压力作作用于水泥泥石内部和和骨料表面面过渡区肿胀理论Swellingtheory:膨胀是由孔孔溶液中钙钙矾石结晶晶生长引起起的，晶体体有很大的的表面，吸吸附水而肿肿胀，导致致膨胀压力力。(2)石膏型侵蚀蚀机理化学反应：：硫酸根离子子渗入混凝凝土中的水水泥石内；；与氢氧化化钙CH反应，形成成二水石膏膏：CH+Ŝ+H=CŜH2石膏的形成成导致强度度降低，接接着膨胀、、开裂，将将水泥石转转变为糊状状、无胶结结力的物质质。硫酸盐溶液液中阳离子子(Na+、Mg2+)的不同，可可能将C-S-H凝胶转变为为石膏。硫酸钠侵蚀蚀:Na2SO4+CH+2H=>CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸镁侵蚀蚀：MgSO4+CH+2H=CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H=3(CaSO4).2H2O+3Mg(OH)2+2SiO2.H2OXRD分析证明：：上图，未受受侵蚀的水水泥石的XRD图谱；中图，表明明石膏型硫硫酸盐侵蚀蚀，在水泥泥石中形成成大量石膏膏；下图，表明明钙矾石和和石膏混合合型硫酸盐盐侵蚀G:石膏E:钙矾石(3)碳硫硅钙石石型硫酸盐盐侵蚀硫酸根离子子SO42－侵入硬化混混凝土中，，在碳酸盐盐或CO32－或CO2的存在下，，与C-S-H凝胶反应就就形成碳硫硫硅钙石：：3Ca2＋+SO42－+CO32－+C-S-H+12H2OCa3[Si(OH)6](CO3)(SO4)·12H2O碳硫硅钙石石是一种糊糊状、松软软、毫无胶胶凝能力的的物质,因而能使水水泥石变成成糊状、无无粘结力的的物体，严严重破坏混混凝土的结结构，降低低混凝土的的强度。同同时也会伴伴有膨胀性性破坏，但但膨胀性破破坏不是碳碳硫硅钙石石导致的典典型破坏。。碳硫硅钙石石的形成反反应机理图图碳化层，pH7-8反应区水泥水化物硫酸盐溶液碳硫硅钙石石碳硫硅钙石石型硫酸盐盐侵蚀最易发生的的部位低温环境下下的结构物物潮湿环境下下的结构物物地下基础桥墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸酸盐侵蚀当硫酸盐溶溶液或含硫硫酸盐的地地下水、污污水作用于于混凝土，，将导致混混凝土表面面水泥石中中C-S-H凝胶分解成成硅凝胶：：2CaOSiO2·1.17H2O+SO42－2.83H2O2CaSO4·2H2O+SiO2·nH2O+OH－破坏C-S-H的胶凝结结构，因因而使水水泥石丧丧失了粘粘结性，，混凝土土强度降降低，表表面软化化4、如何阻阻止混凝凝土的硫硫酸盐侵侵蚀提高混凝凝土的质质量和抗抗渗性(减水剂)限制水泥泥中C3A矿物含量量＜5％中低热水水泥抗硫酸盐盐水泥掺加火山山灰质矿矿物外加加剂15%偏高岭土土35%磨细矿渣渣6%硅灰20%低钙粉煤煤灰表面涂层层保护水泥中C3A含量与混混凝土试试件体积积变化时间间(年)膨胀率(％)混凝土膨膨胀率与与水灰比比的关系系时间(年)膨胀率(％)粉煤灰对对混凝土土膨胀率率的影响响时间(年)膨胀率(％)2.盐结晶引引起开裂裂混凝土因因孔隙里里盐发生生结晶的的物理作作用，可可能造成成严重的的损害，，许多多多孔材料料都可能能由于与与其接触触的饱和和溶液析析晶过程程产生的的压力引引起开裂裂。盐结晶只能发发生在一定温温度下溶质的的浓度超过饱饱和浓度的时时候。过饱和和度越大，结结晶压越大。。例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8C下产生的结晶晶压可达55.4MPa，足以让岩石石或混凝土开开裂四、混凝土的的酸腐蚀由于混凝土中中硬化水泥浆浆体呈高碱性性，没有任何何硅酸盐水泥泥混凝土可以以耐酸腐蚀。。但如果注意意降低渗透性性并且养护良良好，也能够够生产出在弱弱酸环境中足足够耐久的混混凝土。酸腐蚀机理：：加速溶蚀Ca(OH)2+2H+→Ca2++2H2OC-S-H分解成硅凝胶胶：3Cao•2SiO2•3H2O+6H+→3Ca2＋+2(SiO2•3nH2O)+6H2O破坏模式：表表面溶蚀为主主五、碱－骨料料反应Alkali-AggregateReaction(AAR)什么是碱骨料料反应？碱骨料反应的的破坏形式和和机理有哪些些？如何抑制混凝凝土中的碱骨骨料反应什么是碱骨料料反应？最常见、最重重要的反应是是碱—硅反应(简称ASR)，它是骨料中中所含的无定定形硅与孔隙隙里含碱(钠、钾、钙的的氢氧化物)的溶液反应，，生成易于吸吸水膨胀的碱碱-硅凝胶，当结结构物暴露在在潮湿环境中中，混凝土体体内相对湿度度超过85%时，就会出现现膨胀，直到到引起混凝土土开裂与破坏坏。扫描电镜下的碱性反应凝胶碱硅反应(ASR)——“混凝土的癌症症”碱硅反应是下下列物质间的的反应硅酸盐水泥中中的碱金属离离子氢氧根离子骨料中的硅成成分碱骨料反应的的破坏形式？？ASR破坏形式膨胀与开裂Expansionandcracking损失强度Lossofstrength粘性碱－硅物物质的溢出或或渗出Pop-outsandexudationofviscousalkali-silicatefluid发生的部位湿环境(大坝dams,桥墩bridgepiers,海堤seawalls)暴露环境Exposedenvironments(道路roads,建筑物外部结结构buildingexteriors)常见的碱—骨料反应破坏形式ASR膨胀机理氢氧根离子破破坏了骨料中中的硅氧结构构.硅形成碱－硅硅凝胶(ASgel)碱－硅凝胶与与水接触产生生肿胀反应速度取决决于：骨料中硅的活活性水泥中碱含量量(wt%Na2O等价.)AS凝胶是膨胀的的主体吸附肿胀理论论:骨料周围形成成的碱硅凝胶胶的吸水肿胀胀和混凝土孔孔中水的迁移移受阻，因而而产生膨胀压压。渗透压理论Osmoticpressuretheory:骨料周围形成成的AS凝胶是一个半半透膜，它只只允许一个方方向流动：碱碱金属离子和和OH离子扩散进入入骨料表面，，但硅离子不不能从骨料表表面渗出，产产生渗透压。。ASR膨胀机理ASR膨胀机理当膨胀压超过过混凝土的抗抗拉强度时，，混凝土将开开裂。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碱金属离子与与骨料中的活活性硅反应在在骨料表面形形成碱－硅凝凝胶ASR膨胀机理当裂缝到达混混凝土构件表表面，就产生生“龟裂”““mapcracking”.ASR膨胀机理骨料界面过渡渡区未受损的混凝凝土ASR损坏的混凝土土碱－硅凝胶(ARGel)ASR破坏实例ASR破坏的铁路轨轨枕ASR破坏的桥墩ASR破坏的防护板板，并导致钢钢筋锈蚀破坏坏ASR破坏的道路路路面碱—骨料反应影响响因素水泥或混凝土土的含碱量；；活性氧化硅含含量；骨料粒径；；水分来源；；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的措施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入混凝土中水泥用用量限制活性骨料保持干燥抑制ASR的措施利用火山灰质矿矿物外加剂25%低钙粉煤灰40-50%)的矿渣7-15%硅灰7-15%天然火山灰引气剂引引入气泡缓解膨膨胀压力，减少少有害膨胀结构设计限制水渗入(排水)避免化冰盐的积积累提高密实度表面质量抑制碱—骨料反应的措施施选择非活性骨料料；选择含碱量≤0.6％的水泥；掺加活性混合材材，如：硅灰、、粉煤灰等；提高混凝土的密密实性或阻止水水分渗入。六、混凝土的抗抗碳化性定义：碳化是指环境中中的CO2与混凝土水泥石石中的Ca(OH)2作用生成碳酸钙钙和水，从而降降低混凝土中碱碱度的现象。危害：由于碱度的降低低，混凝土中的的钢筋失去保护护膜，引起钢筋筋锈蚀；混凝土土表面出现碳化化收缩，导致微微裂缝的产生，，降低混凝土的的强度和耐久性性。影响因素：CO2浓度、相对湿度度、混凝土的密密实度、水泥品品种和掺和料等等。七、混凝土的的抗火性随着温度升高，，发生以下三种种变化：升温时混凝土内内的水分逐渐蒸蒸发，接着结合合比较牢固的水水分也逐步逸出出；由于硬化水泥浆浆体和骨料热膨膨胀系数的差异异，产生温度应应力并导致过渡渡区开裂，这是是500℃以上时强度迅速速丧失的主要原原因。石灰石和和轻骨料混凝土土抗火性能较优优异。硬化水泥浆体的的水化产物到接接近1000℃的时候分解完毕毕，强度完全丧丧失。混凝土强度随温度的变化问题？1.与普通强度混凝凝土相比，高强强混凝土抗火性性较差还是较好好？为什么？2.为什么用石灰石石作为骨料的混混凝土抗火性能能较好？八、混凝土中钢钢材的锈蚀由于混凝土内的的强碱性使得钢钢筋表面形成钝钝化膜，从而钢钢筋在混凝土中中不会锈蚀。如果钢筋表面钝钝化膜被破坏，，则钢筋就会发发生电化学腐蚀蚀——锈蚀破坏混凝土中钢筋锈锈蚀，引起体积积膨胀2～7倍，导致混凝土土保护层开裂破破坏混凝土中钢材的的钝化会由于下下列原因被破坏坏：混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中中和而失去碱性性；道路除冰盐或海海水带进来的氯氯离子的作用。。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的锈蚀SteelCorrosioninConcrete1)碳化引起的锈蚀蚀条件：CO2、水分(相对湿度50~70%时最迅速)；2)氯化物引起的锈锈蚀条件：氯离子扩扩散、氧与水分分；与保护层厚厚度、水灰比、、水泥用量等有有关。产生开裂的时间间分两个阶段:1)脱钝介质(酸性氧化物或氯氯化物)到达钢材表面并并开始锈蚀的时时间T0；2)锈蚀到达临界水水平，即混凝土土出现开裂的时时间T1。混凝土中钢材的的锈蚀过程T0：开始锈蚀;T1：混凝土开裂；

T0T1混凝土中钢筋锈蚀引起的破坏发展图氯化物对结构物物暴露于潮汐区区与浪溅区混凝凝土的作用，在在很大程度上取取决暴露时间、、条件和混凝土土性能。保护层的厚度和和性质对尽可能能地延长t0很关键，低水灰灰比、水泥用量量适当与足够地地养护对增大t0、降低吸收与扩扩散系数有关。。混凝土中钢材的的锈蚀下列几种新措施施，可以在原材材料选择、配合合比设计、保护护层厚度与施工工过程的基础上上，进一步改善善对钢材腐蚀的的防护作用：1)在新拌混凝土里里掺用阻锈剂，，如亚硝酸钙；；2)用不锈钢作为配配筋，或环氧涂涂层钢筋；3)混凝土采用涂层层保护，减少氯氯盐与氧的侵入入；4)对钢筋进行阴极极保护，即外加加电压以保持钢钢筋处于阴极区区。混凝土中钢材锈锈蚀的防护措施施粉煤灰减小混凝土的氯离子扩散的作用一个不透水，但但存在非连续微裂缝，且且多孔的钢筋混凝土结构构环境作用(第一阶段)(无可见损伤)