混凝土材料的耐久性建筑材料

DeteriorationofReinforcedConcreteBridgeduetoPoorDurability§3.5混凝土耐久性DURABILITYofCONCRETE建筑资料的耐久性资料的耐久性——在长期运用过程中维持其内部构造和运用性能在一个可以接受的程度的才干。构造耐久性——构造及其构件在环境作用下长期维持其所需性能的才干。问题有没有混凝土构造物不要求很耐久？有。2.哪一类混凝土构造物不要求耐久性？暂时建筑〔如围堰等〕。3.哪一类混凝土构造耐久性要求最高？留念性建筑物、核废料储存设备等。欧洲的输水故道、君士坦丁的巴西利卡会堂建筑、罗马的万神殿以及那不勒斯等地海岸上的罗马混凝土工程，虽然有的曾经被海浪磨光了外表，有的长满了青苔，而混凝土却仍能坚持完好。P.K.Metha“InfluenceofFlyAshCharacteristicsontheStrengthofPortlandcement–FlyAshMixture.C.C.R.Vol.15,1985.古罗马时期的混凝土罗马万神殿ThePantheonRome在21世纪建造耐久的构造物以往，通常以为构造物的耐久性缺乏，既不是设计，也不是资料的缘由所引起。大多数情况下，都以为是施工操作不当的责任。混凝土捣实与养护不良、钢筋维护层缺乏以及接缝漏水是施工存在问题的一些例子。然而现今一个严重的问题是：许多新构造的施工操作与以往坚持一致，而过早劣化的景象却在不断增多。这意味着混凝土构造过早劣化的景象还将以很高的速度不断继续下去，除非我们深化地了解现今的建立实际，深化地认识影响混凝土构造劣化的主要缘由。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.CONCRETEINTERNATIONAL.March，2001.劣化景象，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入到混凝土内部时就会发生。在相互隔离的微裂痕、可见裂痕与孔隙相连通时，就产生浸透。因此，浸透与开裂是严密相关的。开裂的缘由有很多，一个导致混凝土构造早期开裂的主要缘由，是为满足现代高速施工，而采用高早强水泥及高强混凝土。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.ConcreteInternational.March，2001.发生开裂的主要缘由现今混凝土的水灰比减小使得自生收缩加大；早期强度迅速增长引起弹性模量相应快速增大、徐变系数减小，这对混凝土的延伸率又产生不利影响，这就是为什么高早强混凝土比中等和低强度混凝土更易于开裂的缘由。3.5.1水与混凝土的劣化对许多建筑资料来说，水是它们消费过程的重要原料之一，同时也是它们破坏过程的主要介质。水也是多数构造混凝土出现耐久性问题的中心。不仅物理劣化过程与水有关；同时作为传输侵蚀性离子的介质，水又是其化学劣化过程的一个根源。1.混凝土的浸透性PermeabilityofConcrete混凝土是一种多孔的物质。流体可以沿着混凝土内部连通的孔隙浸透。混凝土中流体的浸透才干称为混凝土的浸透性。通常测定混凝土抵抗流体浸透的才干，称为混凝土的抗渗性。最初几周，硬化水泥浆体的浸透性下降数个量级图3-24硬化水泥浆体浸透性与水灰比的关系〔93%水化度〕浸透性—水灰比关系存在临界区域采用适宜的原资料及良好的消费、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浸透性和良好的耐久性能。浸透性与耐久性Permeabilityanddurability2.离子在混凝土中的分散DiffusionofIoninConcrete离子的分散行为虽与水在混凝土中的传输不同，但它要以水为载体。离子(或原子、分子〕在浓度梯度作用下运动，即分散过程，传输速率由费克〔Fick)定律求得。式中:P为X方向物体单位面积上的传输速率；为浓度梯度，D为分散系数，量纲为m2/s。与浸透系数K类似，D取决于混凝土的孔构造和分散介质两方面。Fick定律：3.混凝土的吸水性Sorptivityofconcrete硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。实验阐明：吸水性大小主要反映混凝土接近表层的抗渗性。防波堤3.5.2混凝土的劣化(Degradationofconcrete)分为两大类：第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质浸透或分散进入混凝土的速率所决议。包括化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反响、硫酸盐、海水和酸的侵蚀；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。1.外表损耗呵斥的劣化(Deteriorationbysurfacewear)包括磨耗、冲磨和空蚀三种作用。磨耗指摩擦引起的损耗，主要为路面和工业地坪由于车辆行驶呵斥；冲磨发生于水工构造，例如隧道衬砌、溢流面以及给排水管道等，当水夹带砂土颗粒流过混凝土外表，与其碰撞、滑动或滚动引起的损耗；水工混凝土还遭到另一种称为空蚀〔也称气蚀〕的作用。水流夹带气泡在流向忽然变化时构成高负压导致爆裂，使外表产生空穴的景象。2.盐结晶引起开裂〔Crackingbycrystallizationofsaltinpores)混凝土因孔隙里盐发生结晶的物理作用，能够呵斥严重的损害，许多多孔资料都能够由于与其接触的饱和溶液析晶过程产生的压力引起开裂。盐结晶只能发生在一定温度下溶质的浓度超越饱和浓度的时候。过饱和度越大，结晶压越大。例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8℃下产生的结晶压可达55.4MPa，足以让岩石或混凝土开裂。盐结晶引起开裂因含盐地下水经过毛细作用上升在混凝土电线杆内部产生膨胀而开裂采用含盐砂的混凝土路面因膨胀而在预留的胀缝处被挤碎3.硫酸盐与海水的腐蚀Attackbysulphatesandseawater硫酸盐侵蚀引起混凝土劣化的机理，是它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反响，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3C·H32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。酸腐蚀Acidattack由于混凝土中硬化水泥浆体呈高碱性，没有任何硅酸盐水泥混凝土可以耐酸腐蚀。但假设留意降低浸透性并且养护良好，也可以消费出在弱酸环境中足够耐久的混凝土。碱-骨料反响(AAR)Alkali-AggregateReaction最常见、最重要的AAR是碱—硅反响〔简称ASR〕，它是骨料中所含的无定形硅与孔隙里含碱〔钠、钾、钙的氢氧化物〕的溶液反响，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝胶，当构造物暴露在潮湿环境中，混凝土体内相对湿度超越85%时，就会出现膨胀，直到引起混凝土开裂与破坏。图3-26典型的碱-骨料反响开裂方式常见的碱—骨料反响破坏方式Typicalcrackingpatternsresultingfromalkalisilicareaction碱—骨料反响影响要素Factorsinfluencingtheamountandrateofreaction1〕水泥或混凝土的含碱量；2〕活性氧化硅含量；3〕骨料粒径；4〕水分来源；5〕环境温度。混凝土含碱量的阈值碱－骨料破坏性膨胀从整体方法论对待碱－骨料反响的发生和开展混凝土匀质性差温度与枯燥收缩预制预应力构件内应力过大微裂痕发生碱－骨料反响高碱水泥骨料有碱活性水分来源充分临水构造相对湿度大6.冻害(Frostdamage)混凝土中大毛细孔里的水结冰时，体积大约要膨胀9%，假设体内没有足够的空间包容，就会产生能够引起开裂的压力。反复的冻融循环使危害扩展和积累，产生开裂与剥落。引气与抗冻融循环性能的关系表示图混凝土受热，发生以下三种变化：1〕升温时混凝土内毛细孔内的水分逐渐蒸发，接着水化产物分解，其中结合结实的水分也逐渐逸出；2〕由于硬化水泥浆体和骨料热膨胀系数的差别，产生温度应力并导致过渡区开裂，这是500℃以上时强度迅速丧失的主要缘由。3〕硬化水泥浆体的水化产物到接近1000℃的时候分解终了，强度完全丧失。7.抗火性〔fireresistance〕问题：1.与普通强度混凝土相比，高强混凝土抗火性较差还是较好？为什么？2.为什么用轻骨料的混凝土抗火性能较好？高强混凝土构造致密，内部孔隙率低。当混凝土受热后，水化产物分解，产生的水蒸气不能及时排出，在内部构成大的压力，可导致混凝土爆裂。3.5.3混凝土中钢材的锈蚀影响构造物寿命的第一大要素。在混凝土内部的碱性环境〔pH＞13〕中，钢材外表生成一层致密的钝化膜，维护钢材不被锈蚀。混凝土中钢材的钝化膜由于以下缘由而被破坏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。钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种方式混凝土中钢材的锈蚀CorrosionofSteelinConcrete1〕碳化引起的锈蚀〔均匀腐蚀〕条件：CO2、水分〔相对湿度50~70%时最迅速〕微电池腐蚀2〕氯化物引起的锈蚀〔点蚀〕条件：氯离子分散速度、氧与水分；与维护层厚度、水灰比、水泥用量等有关。宏电池腐蚀T0：开场锈蚀;T1：混凝土开裂；T0T11〕脱钝介质(酸性氧化物或氯化物)到达钢材外表并开场锈蚀的时间T0产生开裂的时间分两个阶段2〕锈蚀到达临界程度，即混凝土出现开裂的时间T1钢筋混凝土的运用寿命对于重要构造物，常用t0作为设计寿命；对于普通构造物，可用t1作为设计寿命，但应有定期的维护制度。氯化物对构造物暴露于潮汐区与浪溅区混凝土的作用，在很大程度上取决暴露时间、条件和混凝土性能。维护层的厚度和性质对尽能够地延伸t0很关键。低水灰比、适当的水泥用量与足够的养护对增大t0、降低吸收与分散系数有利。混凝土中钢材的锈蚀CorrosionofSteelinConcrete以下几种措施，可以在原资料选择、配合比设计、维护层厚度与施工过程的优化根底上，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〕混凝土采用涂层维护，减少氯盐与氧的侵入；4〕对钢筋进展阴极维护，即外加电压以坚持钢筋处于阴极区。混凝土中钢材锈蚀的防护DefendthecorrosionofSteelinConcrete选择改善混凝土构造耐久性的措施，要思索到性能与费用两方面。下面列出许多防护和延缓混凝土因钢筋锈蚀引起劣化的措施及费用添加比例〔以添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)增大维护层厚度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)阴极维护〔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〕粉煤灰减小氯离子分散的作用Theeffectofflyashonreducingdiffusionrateofchlorideion素混凝土与钢筋混凝土构造的劣化Deteriorationofplainandreinforcedconcretestructures一、外表损耗呵斥的劣化：磨耗、冲磨、空蚀二、由水、空气和其它侵蚀性介质浸透或分散进入混凝土的速率所决议。包括化学的〔钢筋锈蚀、碱-骨料反响、硫酸盐、海水和酸的侵蚀〕和物理的〔冻融、盐结晶等〕。一个不透水，但存在非延续微裂痕，且多孔的钢筋混凝土构造由于微裂痕和孔隙连通起来，不透水性逐渐丧失环境作用〔第二阶段〕〔损伤的开场与扩展〕水的渗入O2、CO2渗入酸性离子〔Cl-、SO4-)渗入A：以下缘由使孔隙内的静水压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱-骨料反响、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5一种钢筋混凝土构造的耐久性的整体论方法钢筋混凝土构造耐久性的整体论观耐久性设计的极限形状钢筋锈蚀预应力钢筋－开场锈蚀普通钢筋－混凝土外表锈痕，顺筋开裂〔0.1mm,---,1mm〕维护层剥落混凝土腐蚀细微，不影响混凝土对钢筋的维护耐久性设计方法

传统方法指数(评分)法因子法基于资料劣化模型的计算方法

传统方法Deem-to-satisfyMethod针对不同环境类别和环境作用等级，对混凝土资料和构造构造规定不同要求。〔逃避运用寿命要求〕混凝土原资料〔水泥、掺合料、外加剂、－－〕混凝土配合比〔最大水胶比、最低胶凝资料用量－－〕混凝土最低强度等级，抗冻等级，－－－构造构造〔维护层最小厚度，－－－〕改良趋向――细化环境类别及其作用等级提出不同运用年限的不同要求指数〔评分〕法IndexMethod日外乡木工程学会1990年提出

环境指数S≤耐久性指数RS＝S0＋∑SiS0——正常环境指数〔50年设计寿命取100〕Si——恶劣环境增量指数〔冻融10-40，盐蚀10-70〕