混凝土结构的耐久性

混凝土结构的耐久性第1页，课件共29页，创作于2023年2月内容简介1.概述2.混凝土的碳化3.混凝土中钢筋的锈蚀4.碱-骨料反应5.混凝土的冻融破坏6.化学侵蚀7.混凝土的表面磨损第2页，课件共29页，创作于2023年2月1概述随着钢筋混凝土结构服役时间的增加，其结构中会出现各种各样的病害。如果混凝土结构的施工质量不佳或者结构物设计有缺陷等，都会加速这些病害的进一步发展。混凝土结构的耐久性是指混凝土在设计寿命周期内，在正常维护下能够使用，而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境各种因素的作用下，仍能保持原有性能的能力。第3页，课件共29页，创作于2023年2月破坏的钢筋混凝土结构第4页，课件共29页，创作于2023年2月1概述1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，梅塔教授指出：“当今世界混凝土破坏原因按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用。”其中，侵蚀环境下的物理化学作用包括淡水及酸性水侵蚀、混凝土的碳化等。第5页，课件共29页，创作于2023年2月混凝土结构材料劣化形式分类材料的耐久性劣化自身因素引起环境条件引起物理作用化学作用物理化学作用化学作用表面磨损冻融破坏机械磨耗冲磨空蚀碳化（中性化）钢筋锈蚀化学侵蚀碱-骨料反应溶出性侵蚀溶解性侵蚀膨胀性侵蚀一般冻融破坏盐冻破坏碳化（中性化）引起Cl-侵蚀引起杂散电流引起碱-硅酸反应碱-碳酸盐反应碱-硅酸盐反应第6页，课件共29页，创作于2023年2月1概述从混凝土结构材料的劣化上来看，混凝土结构耐久性破坏作用有：混凝土的碳化混凝土中钢筋的锈蚀碱-骨料反应混凝土冻融破坏化学侵蚀混凝土的表面磨损第7页，课件共29页，创作于2023年2月影响结构耐久性能的主要因素内部因素外部因素其他因素混凝土的强度、密实度、水泥用量、水灰比、氯离子及碱含量、外加剂用量、保护层厚度等环境条件，主要包括温度、湿度、CO2含量、侵蚀剂介质等设计构造上的缺陷、施工质量差、使用中维修不当等第8页，课件共29页，创作于2023年2月2混凝土的碳化混凝土的中性化过程空气、土壤、地下水等环境中的酸性气体或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生反应，使混凝土中pH值下降的过程。混凝土的碳化大气环境中的CO2引起的中性化过程。第9页，课件共29页，创作于2023年2月2混凝土的碳化混凝土的碳化反应结果有两个方面：一方面，反应生成碳酸钙和其他固态物质会堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔减少，从而减弱了后续CO2的扩散，使混凝土密实度提高；另一方面，孔隙中的Ca（OH）2浓度及pH值降低，导致钢筋脱钝而锈蚀。第10页，课件共29页，创作于2023年2月2.1混凝土碳化的影响因素材料因素水灰比，水泥品种和用量，骨料种类和粒径，外掺加剂，养护方法和龄期，混凝土强度。环境条件因素相对湿度，CO2浓度，温度施工质量第11页，课件共29页，创作于2023年2月2.2混凝土碳化深度检测方法X射线法用专门的仪器，不仅能测试完全碳化深度，还能测试部分碳化深度，但这种方法适用于实验室的精确测量。化学试剂法现场检测时，通常在混凝土表面钻洞，喷上化学试剂，根据反应的颜色测量碳化深度。常用1%浓度的酚酞酒精溶液，它以pH=9为界限，已碳化区呈无色，未碳化区呈粉红色，最终测试完全碳化的深度。另有一种彩虹指示剂，可以根据反应的颜色判别不同的pH值，因此可以测试完全碳化深度和部分碳化深度。第12页，课件共29页，创作于2023年2月3混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中水泥水化后，在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，因此在正常情况下钢筋不会锈蚀；但钝化膜一旦破坏，在有足够水和氧气条件下会产生电化学腐蚀。混凝土中钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。钢筋锈蚀，一方面会使钢筋有效截面减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋和混凝土之间的粘结作用下降，破坏他们共同作用的基础，从而严重影响混凝土结构物的安全性和正常使用性能。第13页，课件共29页，创作于2023年2月3.1钢筋锈蚀机理钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。混凝土中的钢筋锈蚀实质为电化学腐蚀。第14页，课件共29页，创作于2023年2月3.2影响混凝土结构钢筋锈蚀的因素pH值温度Cl-浓度混凝土的电阻抗孔隙水饱和度和相对湿度水灰比养护龄期保护层厚度水泥品种与掺和料第15页，课件共29页，创作于2023年2月当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加2~4倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件，混凝土的碳化仅是为钢筋锈蚀提供了可能。当构件使用环境很干燥（湿度<40%），或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝的发生为氧气和水份的浸入创造了条件，同时也使混凝土的碳化形成立体发展。第16页，课件共29页，创作于2023年2月3.3钢筋锈蚀的非破损检测方法物理法主要是通过测定钢筋锈蚀引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况。有电阻棒法、涡流探测法、射线法、声发射探测法及红外热像法等。电化学法主要是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度。与物理法比较，电化学法有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点。常用的方法有自然电位法、交流阻抗谱法和极化测量技术等。第17页，课件共29页，创作于2023年2月4碱-骨料反应混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性，而其反应一旦发生很难阻止，更不易修补和挽救，被称为混凝土的“癌症”。第18页，课件共29页，创作于2023年2月4.1碱-骨料反应机理碱-硅酸反应骨料中的活性二氧化硅与碱发生的膨胀反应。可分为骨料表面的活性二氧化硅在碱溶液中的溶解、化学反应生成硅酸盐凝胶、反应生成物的体积膨胀、进一步反应形成液态溶胶等几个阶段。碱-碳酸盐反应黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。碱-硅酸盐反应碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。第19页，课件共29页，创作于2023年2月4.2碱-骨料反应的发生条件碱-骨料反应发生所必备的三个条件：混凝土中含有过量的碱骨料中含有碱活性矿物混凝土处在潮湿环境中第20页，课件共29页，创作于2023年2月5混凝土的冻融破坏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冻融循环产生的破坏作用冻胀开裂表面剥蚀

第21页，课件共29页，创作于2023年2月5.1冻融循环破坏机理1945年，Powers提出了混凝土冻融破坏的静水压假说，此后又与Helmuth一起提出了渗透压假说。这两个假说合在一起，较为成功地解释了混凝土冻融破坏的机理，奠定了混凝土抗冻性研究的理论基础。第22页，课件共29页，创作于2023年2月5.2影响混凝土抗冻性的因素平均气泡间距水灰比外加剂强度骨料水泥品种和用量混合材冻结温度和降温速度第23页，课件共29页，创作于2023年2月5.3混凝土的盐冻破坏为防止高速公路和城市道路上冰雪致滑造成交通事故，经常采用在路面撒除冰盐（NaCl或CaCl2）的办法，因为盐能降低水的冰点，达到自动融化雪的目的，但除冰盐的使用将引起路面混凝土剥蚀和钢筋锈蚀。影响混凝土抗盐冻耐久性的因素含气量，水灰比，水泥品种与混合材，盐的种类第24页，课件共29页，创作于2023年2月6化学侵蚀在一些侵蚀性介质（包括酸、碱、硫酸盐、压力流动水等）中的混凝土，可能遭受化学侵蚀而破坏。化学侵蚀分为三类：溶出性侵蚀溶解性侵蚀膨胀性侵蚀第25页，课件共29页，创作于2023年2月6.1溶出性侵蚀密实性较差、渗透性较大的混凝土，在一定压力的流动水中，水化产物Ca（OH）2会不断溶出并流失。Ca（OH）2的溶出使水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，这些水化产物的溶出使混凝土的强度不断降低。混凝土溶出性侵蚀速度主要取决于混凝土的渗透性、Ca（OH）2含量，水泥熟料的矿物组成和掺合料的成分等。第26页，课件共29页，创作于2023年2月6.2溶解性侵蚀酸侵蚀实践表明，环境水的pH值小于6.5时就会对混凝土造成酸侵蚀。这样的酸性水在一般自然环境中式不多见的。碱侵蚀碱的浓度不大（15%以下），温度不高（低于50℃）时，碱对混凝土的侵蚀作用很小，但高浓度的碱溶液或熔融状碱会对混凝土产生侵蚀作用。第27页，课件共29页，创作于2023年2月6.3膨胀性侵蚀硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的膨胀性侵蚀。硫酸盐侵蚀是混凝土化学侵蚀中最广泛和最普通的形式。硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁等硫酸盐均会对混凝土产生侵蚀作用，通常是硫酸钠、硫酸钠和硫酸镁的侵蚀。土壤的地下水是一种硫酸盐溶液，土壤的硫酸盐浓度超过一定限值时就会对混凝土产生侵蚀作用。在污水处理厂、化纤工业、制盐、制皂业等厂房附近的地下水中，硫酸盐