混凝土的耐久性(下)

混凝土的耐久性(下)2碱骨料反应碱骨料反应(AAR)类型碱硅酸反应ASR(Aggregate-SilicaReaction)碱硅酸盐反应ASR

(实质是ASR)(Aggregate-SilicateReaction)碱碳酸盐反应ACR(Aggregate-CarbonateReaction)特定类型白云石灰岩(由均匀分布白云石微晶、大量小方解石粒和填隙粘土构成)，与孔溶液碱发生去白云化反应，产生膨胀和导致混凝土开裂。CaMg(CO3)2+2NaOH

Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3

+2Ca(OH)2

2NaOH+CaCO3(碱可再生)ACR较罕见，与ASR的区别在于以前没有发现凝胶，认为是粘土吸水膨胀。但现代技术扫描电镜(SEM)和电子探针显微分析(EPMA)揭示：工程和试验室混凝土发生ACR的骨料中均有ASR凝胶，去白云化开放的空间出现ASR是导致膨胀的基本原因，故ACR也应归入ASR。4硬化混凝土中，水泥石孔溶液中的碱金属离子(Na+,K+)与骨料活性SiO2反应，生成碱—硅凝胶。凝胶可能产生吸水膨胀。内部膨胀最终可能导致混凝土开裂。碱硅酸反应ASRASR活性骨料较常见，一般含有下列矿物：应变石英、微晶石英、麟石英蛋白石、玉髓、燧石火山玻璃体、一些合成玻璃5混凝土中的碱当量氧化钠Na2Oe=Na2O(%)+(62.0/94.2)K2O(%)=Na2O(%)+0.658K2O(%)

低碱水泥：Na2Oe

≤

0.6%粉煤灰碱以1/6、磨细矿渣碱以1/2计入总碱量水溶性?

>3kg/m36碱—硅凝胶的吸水膨胀性78碱骨料反应破坏的特征(1)膨胀变形、素混凝土结构呈现地图裂缝或有凝胶析出9碱骨料反应破坏的特征(2)受钢筋的约束，裂缝呈顺筋方向10碱骨料反应破坏的特征(3)预应力梁11碱骨料反应破坏的特征(4)潮湿或接触水部位先产生ASR裂缝12AAR与其它破坏因素的复合作用ASR+钢筋锈蚀ASR+DEFASR+冻融循环13AAR+冻融？干湿循环+冻融？14预防AAR的方法使用非活性骨料，特别是不使用ACR活性骨料使用低碱水泥，限制混凝土单方含碱量(<3.0kg/m3)使用混合水泥或用一定比例的活性掺和料替代水泥保持混凝土环境湿度一直低于80%15混凝土耐久性破坏原因分析16案例：DEF或ASR分析(1)美国南部某高架路建于1980s，墩柱早期劣化需要分析确定原因和责任建成约15年后的状态(接近10年时发现裂缝)混凝土：高早强水泥用量约450kg/m3部分混凝土使用粉煤灰混凝土骨料可能有碱活性墩柱最小方向尺寸约2m，预计早期温升超过75oC17案例：DEF或ASR分析(2)区分DEF与ASR试验设计：结构芯样浸泡在热碱溶液(促进ASR)，检验是否有残余ASR膨胀；常温饱和石灰水(有助于K+、Na+流失抑制ASR)，检验潜在DEF膨胀。试验方法验证混凝土使用活性NR和非活性RS骨料高早强、高碱水泥(1.25%Na2Oe)加入NaOH使含碱量5.25kg/m3Na2Oe水泥用量420kg/m3试验方法Φ150x300mm试件初始分别23oC养护和最高95oC热养护38oC密封容器水上养护150天，均出现膨胀裂缝取Φ50mm芯样，安装不锈钢测头，分别浸泡在23oC石灰水和80oC

1MNaOH溶液测量长度变化18案例：DEF或ASR分析(3)A墩柱骨料有碱活性(粗细骨料与B和D墩柱类似)，但含碱量低，实际上未发生ASR。DEF是唯一导致破坏原因。19案例：DEF或ASR分析(4)A墩柱B墩柱C墩柱D墩柱60μm100μm90μm300μmAFt在ASR反应的骨料边缘生成AFt背散射电子图像粉煤灰AFtAFt仅DEFASR+DEFASR+DEF无ASR和DEF20裂缝对混凝土耐久性的影响21阶段裂缝类型裂缝再分类裂缝出现时间非常早龄期或初龄期塑性沉降钢筋上面

A10分钟至3小时拱形

B截面厚度变化

C模板沉降塑性收缩随机

E半小时至6小时钢筋上面

F平行、对角

D早期混凝土硬化过程自生干燥(自生收缩)w/c<0.45硬化期间龟裂抹面后(过度抹面)1至7天，有时更迟模板覆盖表面

J热裂缝(温度裂缝)表面裂缝

G1天至几周贯穿裂缝

H结构部分完成后干燥收缩单面干燥

I1月至几个月外部约束

I最终的不均匀收缩热裂缝(温度裂缝)表面裂缝

G冷却至长期环境温度贯穿裂缝

H预应力混凝土锚固处裂缝施加预应力后K混凝土结构裂缝——早期(施工期)22阶段裂缝类型裂缝再分类裂缝出现时间服役期荷载裂缝微裂缝受荷载作用时受拉裂缝弯曲裂缝剪切裂缝扭转裂缝长期荷载裂缝徐变完成后强制变形基础沉降钢筋锈蚀氯引发

L>1年碳化引发

L>5年硫酸盐侵蚀>5年碱-骨料反应碱-硅酸

M>5年碱-碳酸盐M>5年冻融循环D型裂缝P过火裂缝混凝土结构裂缝——后期(服役期)裂缝对混凝土结构的危害影响外观损害结构功能：渗漏水、承载能力降低或失去整体性。降低结构耐久性：成为腐蚀性介质(Cl-、SO4=等)快速侵入混凝土的通道。混凝土本身的渗透性渗透系数Sk=WD2/2TH(m/s)

D－平均渗透高度(m)H－水压力，以水柱高度表示(m)T－恒压持续时间(s)W－混凝土吸水率，一般为0.03

水泥净浆与岩石的渗透性岩石种类渗透性(m/s)同样渗透性水泥浆体的水/灰比密实暗色岩2.47x10-140.38石英闪长岩8.24x10-140.42大理石2.39x10-130.48大理石5.77x10-120.66花岗岩5.35x10-110.70砂岩1.23x10-100.71花岗岩1.56x10-100.71岩石与水泥浆体渗透性对比(Powers,1958)裂缝增大渗透性的作用(1)有机玻璃板塞子水硅橡胶密封试件(直径100mm，厚度25或50mm)h移液管(10mlx1/10)排水塞子螺杆有机玻璃管不锈钢管C.-M.Aldea,etal裂缝增大渗透性的作用(2)C.-M.Aldea,etal裂缝增大渗透性的作用(3)C.-M.Aldea,etalAdvancesinModelingConcreteServiceLife,Rilem,2010腐蚀性介质通过裂缝侵入裂缝锈蚀随时间内移的失钝Cl-等浓度线裂缝增大腐蚀性介质侵入的作用(1)A.Djerbi,etal,2008裂缝增大腐蚀性介质侵入的作用(2)A.Djerbi,etal,2008裂缝增大腐蚀性介质侵入的作用(3)A.Djerbi,etal,2008A.Djerbi,etal,2008裂缝增大腐蚀性介质侵入的作用(4)34C.Andrade,etal预开裂试件长期暴露试验开裂UHPC的长期抗碳化试验裂缝的自愈合Self-HealingPhenomenainCement-BasedMaterials,Rilem,2013裂缝自愈合机理物理性原因膨胀继续水化生成碳酸钙从断裂表面崩解水中携带的颗粒细颗粒化学性原因机械性原因37裂缝自愈或堵塞有大量未水化水泥颗粒，裂缝容易自愈。CaCO3或Ca(OH)2沉淀可能自然堵塞或封闭裂缝。H2O+CO2

H2CO3

H++HCO3-

2H++CO32-

Ca2++CO32-

CaCO3(pH溶液>8)Ca2++HCO3-

CaCO3+H+(7.5<pH溶液

<8)施工期间产生的裂缝常常能够“自愈”依靠未水化水泥颗粒可以“自愈”的裂缝宽度小于0.21mm。(?)39UHPC微裂缝自愈(1)40UHPC微裂缝自愈(2)41UHPC微裂缝自愈(3)在结构与环境荷载复合作用下的UHPC微裂缝自愈钢筋增强UHPC梁(150x380x4900mm)

4点弯曲加载：预裂缝：加载使梁下部出现29条宽度0.002~0.009mm裂缝环境荷载：底面通过海绵接触15%浓度NaCl溶液结构荷载：循环弯曲加载(疲劳荷载)历时半年，加载循环达50万次：在结构与环境荷载复合作用下，沿裂缝析出NaCl结晶，抗弯结构响应并没有降低。然后，中心加载(3点弯曲)使梁弯曲破坏：静态破坏不是沿原先的裂缝，而是出现与扩展了一组新的裂缝。表明先前的微裂缝已经愈合。

修复裂缝的新方法研究44微生物诱导碳酸钙沉积修复裂缝从自然界微生物成岩现象得到启发，即通过某些种类微生物细胞内部或外部形成一些低溶解度矿物填塞孔隙或缝隙。1995年美国Gullapudi等首次研究利用微生物修复混凝土裂缝；之后开展了较多相关研究。通过厌氧菌新陈代谢的酶化作用(生成尿素酶水解产生氨气和CO2)，或者通过好氧菌新陈代谢的呼吸作用(产生CO2)，引起CaCO3晶体沉淀。H.M.Jonkers45微生物修复裂缝方法从外部修复裂缝：液体微生物(细菌)修复液注射或浸渍入裂缝细菌混凝土：多孔轻骨料携带微生物(细菌)使混凝土带菌，氧气进入裂缝使细菌活化，开始自修复进程。46混凝土裂缝的微生物自修复效果(1)钱春香等从高碱性盐湖土壤中提取出嗜碱芽孢杆菌，通过多次耐碱性选育，成功培育出耐碱性较强且可以产生碳酸钙晶体的改良嗜碱芽孢杆菌(好氧菌)。修复40d后，裂缝被微生物矿化形成碳酸钙所填充，修复效果明显，最大填充宽度超过1mm。微生物矿化形成的碳酸钙在裂缝开口处最多，随深度增加逐渐减少；深度超过10mm时没有碳酸钙形成。修复时间0

d修复时间5

d修复时间40

d47混凝土裂缝的微生物自修复效果(2)Wiktor

V,

etal,Fieldperformanceofbacteria-basedrepairsystem:pilotstudyinaparkinggarage/Case

Studies

in

Construction

Materials

(2015)细菌修复液A液：硅酸钠(碱性缓冲剂)、葡萄糖酸钠(细菌生长的碳来源)和嗜碱细菌B液：硝酸钙和嗜碱细菌方法：喷洒修复液至楼板混凝土浸渍饱和。效果评价：未经修复裂缝渗水严重，修复后裂缝仅局部有少量滴水或完全无渗漏。48空心纤维修复裂缝49微胶囊修复裂缝50混凝土结构工作寿命设计51A.0.1结构构件耐久性极限状态应按正常使用下的适用性极限状态考虑，且不应损害到结构的承载能力和可修复性要求。A.0.2混凝土结构构件的耐久性极限状态可分为以下三种：(1)钢筋开始发生锈蚀的极限状态；(2)钢筋发生适量锈蚀的极限状态；(3)混凝土表面发生轻微损伤的极限状态。条文说明：这三种劣化程度都不会损害到结构的承载能力，满足A.0.1条的基本要求。A.0.3钢筋开始发生锈蚀的极限状态应为混凝土碳化发展到钢筋表面，或氯离子侵入混凝土内部并在钢筋表面积累的浓度达到临界浓度。对锈蚀敏感的预应力钢筋、冷加工钢筋或直径不大于6mm的普通热轧钢筋作为受力主筋时，应以钢筋开始发生锈蚀状态作为极限状态。条文说明：预应力筋和冷加工钢筋的延性差，破坏呈脆性，而且一旦开始锈蚀，发展速度较快。所以宜偏于安全考虑，以钢筋开始发生锈蚀作为耐久性极限状态。A.0.4钢筋发生适量锈蚀的极限状态应为钢筋锈蚀发展导致混凝土构件表面开始出现顺筋裂缝，或钢筋截面的径向锈蚀深度达到0.1mm。普通热轧钢筋（直径小于或等于6mm的细钢筋除外）可按发生适量锈蚀状态作为极限状态。

混凝土结构设计的耐久性极限状态(GB/T50768附录A)52确认工程所处环境类别和作用等级确定工程设计使用年限(工作寿命)根据使用年限和环境特点选择钢筋的混凝土保护层厚度，进行结构设计按耐久性要求设计混凝土结构的构造措施对结构的维护和维修提出建议，并预留条件会同施工方（含混凝土供应方）制定《混凝土耐久性技术要求》和对施工质量验收要求混凝土结构耐久性设计的内容53环境类别与作用等级、结构工作寿命最低强度等级与最大水胶比胶凝材料构成，最小和最大用量骨料最大公称粒径氯离子含量与碱含量限值新拌混凝土的工作性要求新拌混凝土入模温度限值硬化后指定龄期应达到的相关耐久性参数或指标，如抗冻性、氯离子扩散系数等早期裂缝控制要求，裂缝宽度限值混凝土技术要求的基本内容54混凝土绝热温升或胶凝材料水化放热过程特殊的骨料类型混凝土强度发展，缓凝或早强要求混凝土含气量范围，引气质量要求混凝土耐磨性混凝土劈拉或弯拉强度，混凝土弹性模量抗裂性要求特殊的增强材料(纤维、不锈或不易锈蚀钢筋)混凝土表面防护，等混凝土技术要求的可选要求55混凝土结构一般设计工作寿命

加拿大联盟大桥ConfederationBridge,Canada长度12.9km，跨越诺森伯兰海峡，建于1993～1997加拿大联盟大桥ConfederationBridge,Canada桥梁寿命：

决定于钢筋锈蚀开始时间与扩展期长短锈蚀开始于：在钢筋表面氯离子浓度达到水泥含量的0.4% 或1.6kg/m3预期寿命：HPC氯离子渗透系数4.8x10-13m2/s(比普通混凝土低10~30倍)，钢筋保护层厚度75mm钢筋钝化层破坏开始于60年后HPC电阻率470~530ohm-m(比普通混凝土的50ohm-m约高10倍)钢筋钝化层开始破坏到混凝土开始剥落的周期，从3年提高到30年未考虑渗透系数随龄期的降低混凝土要求与配合比加拿大联盟大桥ConfederationBridge,Canada氯离子在混凝土中扩散的速率保护层厚度x与钢筋失钝所需时间t的关系：t=kx2，即保护层厚度增加一倍，失钝时间推迟约4倍。保护层混凝土扩散系数D与钢筋失钝所需时间t成反比：t=k/D，即扩散系数减小10倍，失钝时间推迟约10倍。临界浓度Ccrit：水泥重量的0.4~1.0%或混凝土重量的0.06~0.18%，决定于环境温度、供氧量、混凝土与钢筋界面显微结构等因素影响。60氯离子临界浓度(Ccrit)61结构可靠度Z定义为极限状态的函数：Z=R–F

结构工作寿命与失效概率的定义

62参考：赵筠，钢筋混凝土结构的工作寿命设计——针对氯盐污染环境，混凝土，2004年第1期Cl-侵入转化为环境荷载Z=R–LZ—可靠度R—环境抗力(混凝土保护层厚度XR)L—环境荷载(临界浓度的深度XL)β—可靠度指数Pf=Φ(-β)失效概率XL与XR为正态分布63计算分析示例氯负荷