《土木工程材料》课件-混凝土的耐久性

（一）概念——混凝土结构抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性(durabilityofconcrete)。混凝土的耐久性对延长结构使用寿命、减少维修保养费用等具有重要意义，国内外的一些混凝土结构设计规范也正在把耐久性设计作为一项重要内容（50年？）。CCES01-2004（2005年修订版）混凝土结构耐久性设计与施工指南.GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准JGJ/T193-2009混凝土耐久性检验评定标准三、混凝土的耐久性（二）研究内容质量与环境条件相适应——耐久环境层次——大气、土壤、水（海洋、河、湖、水库、生活及工业废水）、工业环境和外力因素——CO2、水气、汽车排气、温度、风、冰雪、除冰盐、有害离子、微生物、荷载（大小方向、循环）等材料层次——抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性（氯盐、硫酸盐等）、碳化、碱骨料反应、开裂、钢筋锈蚀构件和结构层次——耐久性设计与评估一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构

由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失环境作用（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A：以下原因使孔隙内的静水压增大、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开裂、剥落与整体性丧失环境作用（第一阶段）（无可见损伤）1.侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）2.荷载作用（循环荷载、冲击荷载）混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型

图5一种钢筋混凝土结构的耐久性的整体论方法钢筋混凝土结构耐久性的整体论观

抗渗性是指混凝土抵抗压力水（或油）渗透的能力。它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。影响混凝土抗渗性的因素有：1）水灰比对抗渗性起决定作用。2）骨料的最大粒径3）养护方法蒸汽养护较自然养护的要差。4）水泥品种5）外加剂6）掺合料7）龄期混凝土的抗渗性用抗渗等级表示。混凝土的抗渗等级分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级，相应表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0及1.2MPa的静水压力而不渗水。

抗渗等级≥P6的混凝土为抗渗混凝土。1、混凝土的抗渗性(watertightness)图3-24硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（93%水化度）渗透性—水灰比关系存在临界区域

最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降数个量级

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。渗透性与耐久性Permeabilityanddurability混凝土的抗冻性是指混凝土在使用环境中，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。在寒冷地区，特别是在接触水又受冻的环境条件下，混凝土要求具有较高的抗冻性能。抗冻性不足是北方混凝土不耐久的主要原因(北冻南锈）。混凝土受冻融作用破坏的原因：混凝土的抗冻性取决于其抗渗性，与混凝土密实度、内部孔隙的大小与构造以及孔隙的充水程度有关。随着混凝土龄期增加，混凝土抗冻性能提高。一般在混凝土抗压强度尚未达到5.0MPa或抗折强度未达到1.0MPa时，不得遭受冰冻。2、抗冻性（frostresistant）混凝土的抗冻性用抗冻等级表示。分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300九个等级。抗冻等级≥F50的混凝土为抗冻混凝土。对高抗冻性混凝土，其抗冻性也可采用快冻法，以相对动弹性模量值不小于60％，而且质量损失不超过5％时所能承受的最大冻融循环次数来表示。提高混凝土抗冻性的最有效方法是掺入引气剂（1998、2km试验路段，公路不低于C40，其他C30）、减水剂和防冻剂，或使混凝土更密实。冻融破坏的大坝坝面使用20年的高速公路桥梁3、抗侵蚀性4、混凝土的碳化(carbonization)碳化使混凝土的抗压强度提高、混凝土的收缩增大，混凝土碱度降低(未碳化PH值一般大于12.5），使钢筋易出现锈蚀（pH＜9）(corrosion)。检验有无碳化采用1%的酚酞，不变色即为碳化。4、混凝土的碳化(carbonization)影响混凝土碳化的因素有(表4-19)：1）水泥品种和用量；2）混凝土的水灰比和强度（水灰比0.5～0.6转折点，大于0.6时，碳化加快。强度大于50MPa的混凝土碳化非常缓慢，可不考虑由于碳化引起的钢筋锈蚀）；3）外部环境因素——空气湿度和空气中CO2

相对湿度在25%以下或水中，碳化停止，相对湿度50%～75%时，碳化速度最快。

CO2

浓度大自然会加快碳化进程。

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%，室内结构的碳化速率为室外的2～3倍。处于CO2

浓度较高环境的混凝土工程，如铸造车间、汽车库、停车场、公路路面以及大会堂等碳化加快。4）施工质量——在实际工程中，钢筋锈蚀往往由于施工质量低劣引起。施工中振捣不密实、养护不足，混凝土产生蜂窝、裂纹使碳化大大加快。5、碱骨料反应（alkali-aggregatereaction）6、混凝土的开裂（补充cracking）开裂一般不影响混凝土的承载能力，但对耐久性有不利影响。混凝土裂缝的控制需要根据混凝土的使用状况及环境条件，从设计、施工、原材料及配合比、保养与维修等多方面采取综合措施。设计和施工阶段是裂缝控制的最佳时机，预防性维修（定期检查和修补密封接缝、排水系统等）对防止和减少开裂、提高耐久性起着重要作用。材料原因裂缝数量多裂缝长度可达1m以上

施工单位－同样的施工、同样的人员。混凝土的问题“现场泵送时，水是加过的”某工程楼面板24h内产生的裂缝，宽1.2mm抗裂性实验环形模具

混凝土抗裂实验平板试件模具

裂缝深度检测仪裂缝宽度检测仪王铁梦控制混凝土工程收缩裂缝的十八个主要因素

1.现代工民建的混凝土大都具有大体积混凝上的性质，应重视体积稳定性(水化热及收缩)，混凝土(包括掺不同外加剂的混凝土)在水中一般呈微膨胀变形，在空气中一般呈收缩变形。2.水泥用量越大，用水量越高，表现为水泥浆量越大，坍落度大，收缩越大，避免雨中浇灌混凝土，遇有小雨，应采取防雨措施(特别是下料部位)并调整水灰比。3.水灰比越大，干缩越大，一般高强混凝土的水灰比较小，对后期干缩有利，但由于水泥浆量或胶凝材料较多以及高效减水剂的作用，比中低强度混凝土收缩大，而且随着强度提高拉压比降低，低水灰比对早期塑性收缩是不利的。控制混凝土工程收缩裂缝的十八个主要因素4.暴露面越大，包罗面积越小，收缩越大，以水利半径倒数r=L/F表示，见《工程结构裂缝控制》一书第一章。5.矿渣水泥收缩比普通水泥收缩大，粉煤灰水泥及矾土水泥收缩较小，快硬水泥收缩较大，矿渣水泥及粉煤灰水泥水化热比普通水泥低，故应根据厚度选择水泥品种，重大工程应进行水化热及收缩试验再进行抉择。6.砂岩作骨料收缩大幅度增加，粗细骨料中含泥量越大收缩越大，抗拉强度低，应严格限制。控制混凝土工程收缩裂缝的十八个主要因素

7.早期养护时间越早、越长(7一14天)，收缩越小，保湿养护避免剧烈干燥能有效地降低收缩应力，注意振捣，特别是在梁板(或墙板)交接处，但不得超振，以防离析和大量泌水，楼板浇筑后立即喷雾，二次压光，覆盖塑料薄膜，加强潮湿养护对控制裂缝很有益处。8.环境湿度越大，收缩越小，环境温度越高,越干燥，收缩越大。

9.骨料粒径越粗，收缩越小，骨料粒径越细，砂率越高，收缩越大。10.水泥活性越高,颗粒越细，比表面积越大，收缩越大，(掺合料粒径影响具有相同性质)。

11.配筋率越大，收缩越小，但配筋过大则会增加混凝土拉应力，配筋宜细而密，不宜粗而稀，注意在收缩应力集中区，加强构造配筋，预应力结构加强非预应力配筋。

12.风速越大，收缩越大，注意高空中现浇混凝土，避免炎热季节阳光直射新浇混凝土表面。

控制混凝土工程收缩裂缝的十八个主要因素

13.外加剂及掺合料选择不当，显著增加收缩：选择适宜可减少收缩，特别是早期收缩。14.环境及混凝土温度越高，收缩越大，停工暴露时间越长，收缩越大。15.收缩和环境降温同时发生，对工程更为不利。16.尽早回填土，土壤是混凝上最佳养护介质，尽早封闭房屋和装修对减少收缩有利。17.泌水量大，表面含水量过高，表面早期收缩加大，但应避免混凝土表面早期脱水加大收缩。18.用量较少的中低强度等级水泥，水灰比较低，坍落度较小的混凝土，大部分收缩完成时间约为一年。水泥用量较大，强度等级较高的混凝上约为2年。混凝土最终收缩完成时间约20年，轻微收缩裂缝的处理与修补不是“质量事故”。6、混凝土的开裂（cracking）

裂缝处理对于已经出现的裂缝，尽早的封闭和修复可以提高结构的耐久性和防止以后修复时的费用过大。修复材料可以采用环氧树脂、水泥砂浆、聚合物砂浆、沥青等多种材料。裂缝处理7混凝土中钢材的锈蚀(补充）影响结构物寿命的第一大因素(南锈）。十亿、万亿、国内生产总值

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。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。混凝土中钢材的钝化膜由于下列原因而被破坏钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式保护层厚度（不小于钢筋直径，且最小值15-40mm）、密实度足够下列几种措施，可以在原材料选择、配合比设计、保护层厚度与施工过程的优化基础上，进一步改善对钢材的防护作用：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，或用环氧涂层钢筋；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。混凝土中钢材锈蚀的防护DefendthecorrosionofSteelinConcrete

选择改善混凝土结构耐久性的措施，要考虑到性能与费用两方面。防护和延缓钢筋锈蚀措施费用增加比例如下（以增加一次投资的百分数表示）：

1)掺用粉煤灰和矿渣，减少水泥用量（0%）

2)预冷混凝土拌合物（3%）

3)用硅灰和高效减水剂（5%）

4)增大保护层厚度15mm（4%）

5)掺加阻锈剂（8%）

6)采用环氧涂层钢筋（8%）

7)外表涂刷涂层（20%）

8)阴极保护（30%）图3-34在潮汐或浪溅区暴露时混凝土不同深度的氯离子浓度(a)(b)a暴露时间的影响（硅酸盐水泥，湿养护3d）b粉煤灰掺量的影响（湿养护1d，28d后暴露2年）粉煤灰减小氯离子扩散的作用Theeffectofflyashonreducingdiffusionrateofchlorideion提高混凝土的耐久性措施——选择适当的原材料；提高混凝土密实度；改善混凝土内部的孔结构。具体措施有（表4-21）：①合理选择水泥品种，使其与工程环境相适应；②采用较小水灰比和保证水泥用量，见表4-28；③选择质量良好、级配合理的骨料和合理的砂率；④掺用适量的引气剂、减水剂和掺合料；⑤加强混凝土质量的生产控制：⑥加强使用过程中的例行检测、维护与维修。8、提高混凝土耐久性的措施中国美术馆全景

美术馆梁钢筋锈蚀情况美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况

北京西直门立交桥桥墩柱落水口一侧钢筋锈蚀山东潍坊公路桥南方某海港码头混凝土被锈蚀长年积雪的青藏高原多年冻土地带，厚度30—100m沿线年平均气温为-2℃-6℃极端最高气温为25℃，极端最低气温为-45℃

部分河水中存在有害离子侵蚀