工程结构中混凝土结构的损伤机理

工程结构中混凝土结构的损伤机理及危害研究1前言建筑物特别是在长期使用过程中，在内部的或外部的，人为的或自然的因素作用下，随着时间的推移，将会造成混凝土结构的损伤。这是一个不可逆的过程，这种损伤的累积将导致结构性能劣化，承载力下降耐久性能降低。由于耐久性不足而造成的结构破坏事故经常发生。世界上许多国家每年都要斥巨资用于修复由于混凝土结构损伤而引起破坏的建筑物。由于混凝土的耐久性造成的结构破坏是严重的，带来的经济损失是巨大的。因此，混凝土结构的耐久性已经引起了国内外学术界的高度重视。2引起混凝土结构耐久性的损伤机理混凝土结构的耐久性损伤是指结构性能随时间的劣化现象。而混凝土结构的损伤机理可以分为以下几种：混凝土的钢筋腐锈蚀、混凝土的碳化即混凝土的中性化。混凝土的碳化机理混凝土的碳化是指水泥石中的水化产物与环境的二氧化碳作用，主要是指混凝土中的氢氧化钙成分(Ca(OH))与二氧化碳(CO)发生化学反应，同时，CO也与未水化的C等发生化学反应，生成碳酸钙和其他物质的现象，这是一个及其复杂的多相物理化学过程，拌和混凝土时，硅酸盐水泥的主要成分 CaO水化作用后生成Ca(OH)2,它在水中的溶解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液外大部分以结晶状态存在，成为孔隙液保持高碱性的储备，它的 PH值为12.5~13.5。空气中的CO2气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与其中的孔隙液所溶解的Ca(OH)2进行中和反应。反应产物为CaCO3和H2O,CaCO3溶解度低，沉积于毛细孔中。该反应式为：Ca(OH)2.CO2—CaCO3jH2O反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为Ca2和OH-，反向扩散到孔隙液中，与继续扩散进来的CO2反应，一直到孔隙液的PH值降为8.5~9.0时，这层混凝土的毛细孔中才不再进行这种中和反应，此时即所谓“已碳化”。确切地说，碳化应称为碳酸盐化。另外，凡是能与Ca(OH)2进行中和反应的一切酸性气体，如SO2、SO3、H2S或HCI等，均能进行上述中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化应广义地称为“中性化”。混凝土表层碳化后，大气中的CO2继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散，更深入地进行碳化反应。碳化后的混凝土的特点是混凝土质地疏松，强度降低。混凝土中的钢筋腐蚀机理混凝土中水泥水化后会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，但钝化膜一旦遭到破坏，在有足够的水和氧气的条件下会发生电化学腐蚀。在混凝土的孔隙中是碱度很高的Ca(OH)饱和溶液，PH值在12.5左右。同时Ca于混凝土中还含有少量的NaO,K.O等氧化物，实际的PH值可能会超过13.在这样的碱性环境中，钢筋表面形成了一层水化氧化物，可以保护钢筋不被锈蚀，但是由于混凝土的碳化，使混凝土孔溶液中的Ca(OH)2被中和，使钢筋位置的PH值降低，钢筋表面钝化膜的作用被破坏，从而在一定的环境条件下(如氧和水的存在)，钢筋开始锈蚀。造成钢筋锈蚀的另一个主要原因是由于Cl-的侵入，当钢筋表面的混凝土孔溶液中的游离Cl-浓度超过一定值时，即使在碱度较高，PH值较大的时候，Cl-也能破坏钝化膜，从而使钢筋发生锈蚀，这就是钢筋锈蚀机理。3影响混凝土中的钢筋锈蚀的因素温、湿度对钢筋的影响相对湿度对混凝土中钢筋锈蚀有双重作用：一方面影响混凝土中的氧气的扩散速度；另一方面则影响混凝土的电导率。因此，存在一个钢筋锈蚀速度最快的相对湿度。湿度不仅直接影响钢筋的电化学锈蚀速度，而且还影响了混凝土的碳化，而混凝土的碳化则间接地影响了钢筋的锈蚀，混凝土的湿度大时，其自由含水量高，对空气的渗透性低，碳化慢，对钢筋的影响也小。根据山东省建筑科学研究院地实际调查和试验分析，兰州与北京、济南还有武汉与杭州等地区实际调查表明了，在干燥的环境下，钢筋混凝土结构不仅碳化速度慢，即使碳化达到钢筋表面，钢筋也可能不发生锈蚀；但当混凝土结构处于湿度较大的环境下，尤其是处于干湿交替的环境或漏雨，渗水的部位，钢筋锈蚀速度一般比较快。混凝土保护厚度及密实度对钢筋锈蚀的影响混凝土保护层是影响钢筋锈蚀的一个重要因素。在相同的环境下，保护层越厚，保护层完全碳化的时间越长，钢筋锈蚀的程度越轻。根据实验结果分析，保护层厚度对钢筋锈蚀的影响系数为©a=1.48-0.25*a©a为钢筋锈蚀厚度影响系数，a为混凝土保护层厚度（mm）;从式中可以看到，保护层对钢筋锈蚀的影响呈线性关系，同时，钢筋保护层除了有延长钢筋开始锈蚀的时间外，还有提高混凝土钢筋锈蚀引起混凝土开裂的能力。而混凝土的密实度则是拥有阻止外界腐蚀介质，氧气及水分等渗入的作用，能有效地防止钢筋的锈蚀。3.3混凝土液相PH值对钢筋锈蚀的影响混凝土中钢筋表面钝化膜的稳定性主要取决于周围混凝土的 PH值，因此，钢筋锈蚀速度与混凝土液相得PH值有密切的关系。当PH值〉10时，钢筋的锈蚀速度很小，而PH值V4时，则锈蚀速度急剧增加。有研究表明，钢筋锈蚀是从 PH=11.8时开始的，那时的钢筋钝化膜已不稳定并且开始逐步破坏， 使钢筋产生了锈蚀。由于混凝土碳化后PH值降低，碳化深度增加，钢筋的锈蚀率也相应增加，国内外的很多学者因此进行了大量的研究。我国建研院混凝土研究所以快速碳化试验法对200组不同水泥用量不同水灰比的普通混凝土及轻骨混凝土进行试验， 最后，研究工作证明，钢筋的锈蚀与混凝土的抗碳化能力有明显的函数关系。3.4裂缝对钢筋锈蚀的影响混凝土的高碱性是保护钢筋的必要条件， 而水泥水化产物中，最具活性，最不稳定的就是以氢氧化钙为主的“碱”（氢氧化钠，氢氧化钾含量少）。在与空气、水接触时会起化学反应，也可随水二流失。混凝土“碱”的损失速度取决于混凝土内的碱含量、环境介质等。而混凝土的高碱性使钢筋表面形成一层致密的钝化膜， 使其处于钝化状态，对钢筋形成保护。但是，如果在混凝土结构中出现裂缝，那便为周围介质的入侵提供了条件，可能导致钢筋表面的钝化膜遭到破坏，从而导致钢筋锈蚀的发生。3.5氯盐对钢筋锈蚀的影响混凝土中ci-含量对钢筋锈蚀影响极大。ci-可能是随着混凝土组成的成分（水泥、砂或外加剂）进入混凝土的，也可能是混凝土硬化后经空隙进入的。有许多学者认为，由混凝土组成材料带入混凝土的有限氯盐不会引起钢筋锈蚀， 因为这些有限的含量的氯盐能与水泥中的铝酸盐结合成难溶于水的氯铝酸盐及水化铁氯盐， 而不会以游离的Cl-存在，由外界经混凝土自身孔隙渗入的氯盐比掺入的氯盐危害更大。因为掺入的氯盐仅有极少量可参与化合反应生成难溶的化合物。当外界渗入的氯盐量达到混凝土重的0.1%~0.2%时，即能引起钢筋锈蚀的情况。Cl-含量对钢筋锈蚀影响还与混凝土是否碳化、PH值的大小有关。当混凝土PH值降低时，氯化物含量很低也有可能造成钢筋锈蚀的情况。而一般情况是钢筋混凝土结构中的氯盐掺量应少于水泥重量的1%（按无水状态算），而且掺氯盐的混凝土必须振捣密实，且不宜蒸汽养护。4影响混凝土碳化的因素水泥用量对混凝土碳化的影响水泥用量直接影响商品混凝土吸收CO2的量，商品混凝土吸收CO2的量等于水泥用量与商品混凝土水化程度的乘积。另外，增加水泥用量一方面可以改变商品混凝土的和易性，提高商品混凝土的密实性；另一方面还可以增加商品混凝土的碱性储备。因此，水泥用量越大，商品混凝土强度越高，其碳化速度越慢。水泥品种对混凝土碳化的影响水泥品种不同意味着其中所包含的塑料的化学成分和矿物成分以及水泥混合材料的品种和掺量有别，直接影响着水泥的活性和商品混凝土的碱性，对碳化速度有重要影响。在同一试验条件下砂浆的碳化速度大小顺序为，高炉矿渣水泥（BFC）>普通硅酸盐水泥（OPC）>早强水泥（HEC）。文献［2］认为，高铝水泥商品混凝土的碳化规律同普通硅酸盐水泥商品混凝土的碳化规律基本相似。水灰比对混凝土碳化的影响商品混凝土的水灰比和强度是两个密切相关的概念。商品混凝土的水灰比越低，其强度越高，商品混凝土的密实程度也越高；反之亦然。由于商品混凝土的碳化是CO2向商品混凝土内扩散的过程，商品混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大。商品混凝土碳化的深度受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca（OH）2含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，商品混凝土单位体积内的Ca（OH）2含量也就越少，碳化速度越快。在商品混凝土拌和过程中，水占据一定的空间，即使振捣比较密实，随着商品混凝土的凝固，水占据的空间也会变成微孔或毛细管等。因此水灰比对商品混凝土的孔隙结构影响极大，控制着商品混凝土的渗透性。在水泥用量一定的条件下，增大水灰比，商品混凝土的孔隙率增加，密实度降低，渗透性增大，碳化速度增大。4.4商品混凝土抗压强度对混凝土碳化的影响商品混凝土抗压强度是商品混凝土基本性能指标之一，也是衡量商品混凝土品质的综合性参数，它与商品混凝土的水灰比有非常密切的关系，并在—定程度上反映了水泥品种、水泥用量与水泥强度，骨料品种掺和剂，以及施工质量与养护方法等对商品混凝土品质的共同影响。据有关资料表明，商品混凝土强度高，抗碳能力强。4.5集料品种和级配对混凝土碳化的影响集料的品种和级配不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响着商品混凝土的密实性。试验说明，普通商品混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然轻骨科商品混凝土的0.56倍。4.6施工质量及养护方法对碳化的影响施工质量差表现为振捣不密实，养护不善，造成商品混凝土密实低，烽窝麻面多，为大气中的二氧化碳、氧和水分的渗入创造了条件，加速了商品混凝土的碳化速度。除此之外，商品混凝土养护状况对碳化也有一定影响。商品混凝土早期养护不良，水泥水化不充分，使表层商品混凝土渗透性增大，碳化加快。施工中常用自然和蒸汽养护法。试验表明，普通商品混凝土采用蒸汽养护的碳化速度比自然养护提高1.5倍。光照和温度对混凝土碳化的影响商品混凝土碳化与光照和温度有直接关系。随着温度提高，CO2在空气中的扩散逐渐增大，为其与Ca(OH)2反应提供了有利条件。阳光的直射，加速了其化学反应，碳化速度加快。相对湿度对混凝土碳化的影响CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca(OH)2进行化学反应，所以非常干燥时，商品混凝土碳化无法进行，但由于商品混凝土的碳化本身既是一个释放水的过程，环境相对湿度过大，生成的水无法释放也会抑制碳化进一步进行。试验结果表明，相对湿度在50%〜70%之间时，商品混凝土碳化速度最快。CO2的浓度对混凝土碳化的影响对于CO2的影响，学者们提出了多达几十种观点，其理论模式大多数基于菲克(Fick)第一扩散(渗透)定律，即：x=2Dqcat(1)其中，x为碳化系数，D为CO2渗透系数；qc为空气中CO2浓度；a为单位体积商品混凝土吸收CO2能力的系数。(1)式表明CO2浓度越高，碳化速度越快。钢筋混凝土的防护措施混凝土表面涂覆防护措施混凝土表面涂层措施是在混凝土表面涂覆一层涂料，形成一层隔离层制止氯离子、氧、水等介质渗人混凝土，以延缓钢筋锈蚀；还有表面涂覆浸入型涂料，这是一种粘度很低的有机硅化物液体，将它涂或喷于风干的混凝土表面上，靠毛细孔的表面张力作用吸入深约数毫米的混凝土表层中，它与孔壁的氢氧化钙反应，以非极性基是毛细孔憎水化或者填充部分细孔，使孔细化。它不能在混凝土表面上成膜，不会形成隔离层，也不能充满混凝土毛细孔隙，所以，不会影响混凝土透气性，秀水蒸汽性，但是它却能显著降低混凝土的吸水性，使水和只能溶解于水中才能被毛细管吸收作用吸进去的氯化物都难以吸进混凝土中，而混凝土中的水分却可以化为水蒸气自由蒸发出去，使混凝土保持干燥，从而显著地提高混凝土的护筋性。使用钢筋阻锈剂混凝土拌合物中渗人适量阻锈剂，可阻止或延缓金属和电解质界面的电化学反应，从而阻止金属腐蚀是预防恶劣环境中钢筋锈蚀的一种有效的补充措施。但是，它不能代替优质混凝土，也就是说掺加阻锈剂不能降低对混凝土保护层的基本要求。按照作用机理，钢筋阻锈剂可分为阳极型，阴极型和混合型三种，。加入钢筋阻锈剂既推迟了钢筋开始锈蚀的时间，又减缓了钢筋锈蚀发展的速度。阴极保护阴极保护技术是应用电化学原理，通过给保护钢筋加一负向电流，使它的电极电位互移，即使钢筋表面氯离子已达到或超过使钢筋脱顿的临界值，由于电化学腐蚀过程得到有效的抑制而使钢筋不会发生锈蚀。混凝土碳化的防护措施6.1改善配合比提高抗碳化能力配合比是提高混凝土碳化的内在措施。提高配合比，我们可以从水灰比、水泥品种、骨料、外加剂这几个方面考虑。（1）水灰比的控制。水灰比是决定混凝土性能的重要参数，对混凝土的孔隙结构影响极大，控制着混凝土的渗透性。水灰比的大小决定了混凝土的孔结构，水灰比越大，混凝土内部的孔隙率就越大。碳化速度加大。因此，在满足设计条件下，可通过减小水灰比来提高结构抗碳化能力。（2）水泥品种及用量的选择。首先，不同品种的水泥，其主要矿物成分、掺合料品种及其掺量不同，其水化物的碱性物质含量存在较大的差异，尤其是 CaO的含量直接影响混凝土水化物中氢氧化钙的含量。水泥中CaO含量高，混凝土中氢氧化钙的含量高，吸收二氧化碳能力越大，故对混凝土碳化速度有很大的影响。其次，增加水泥用量，一方面可以改变混凝土的和易性，提高混凝土的密实度；另一方面可以增加混凝土的碱性储备，直接影响混凝土吸收二氧化碳的量。在工程施工中，应根据工程抗碳化能力的设计要求、环境要求、经济要求等各方面因素，宜优先选用抗碳化能力较强的水泥品种用于混凝土结构施工，如：快硬快早强硅酸盐水泥、硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等。（3）选择优良的骨料。骨料的品种不同，其内部孔隙结构差别很大，直接影响混凝土的密实性。在混凝土强度相同的情况下，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等条件下其碳化速度约为轻砂天然骨料混凝土的0.56倍。（4）依据条件要求选择外加剂。不同品种的外加剂对混凝土的抗碳化能力有不同作用。一般情况下减水剂能降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力；引气剂能增加混凝土的孔隙含量，导致加快碳化速度。如羟基羧酸盐复合性高性能减水剂能提高抗碳化能力。（5）表面覆盖防护。表面覆盖防护对提高抗碳化能力有一定的效果，比如用沥青、沥青防水涂料、马赛克和瓷砖覆盖，对延迟碳化有比较明显的效果。为延缓混凝土结构碳化，我们可以在混凝土结构覆盖有机涂料。6.2施工过程防护措施施工过程防护措施施工质量差表现为表面不平，蜂窝麻面多，振捣不密实，养护不善，造成混凝土密实度低，从而使大气中的二氧化碳和水分渗入混凝土结构中，加速了混凝土的碳化速度。为防止有害气体进入混凝土结构中，我们可以采取以下措施来提高混凝土的抗碳化性：(1)改善混凝土的使用环境条件，混凝土的碳化速度与其所处环境中的二氧化碳的浓度成比例关系，因此，在允许的条件下，适当的增大使用环境的湿度、减少二氧化碳的含量，是延缓混凝土碳化的一项有效措施。(2)混凝土浇筑过程中，振捣密实，严格控制混凝土的水灰比，坍落度。务必符合设计规范要求；施工选择模板应尽可能选择钢材、胶合板等不易变形的