混凝土的耐久性

1、混凝土的耐久性 目 錄 混 凝 土 的 滲 透 性 化 學(xué) 遷 移 化 學(xué) 侵 蝕 物 理 侵 蝕 概述 混凝土的耐久性的含義： 抵抗因服役環(huán)境外部因素和材料內(nèi)部原因造成 的侵蝕和破壞，而保持其原有性能不變的能力。 混凝土的三個(gè)主要成分：集料、漿體和加筋材 料，其中任一組分的有害性質(zhì)都會(huì)使混凝土損 壞，同時(shí)也可由于化學(xué)的或物理的因素而損壞。 概述 化學(xué)侵蝕： 滲濾和鹽霜，硫酸鹽腐蝕，堿-集料反應(yīng)， 酸類和堿類，金屬的腐蝕； 物理腐蝕包括： 凍融，干濕，溫度變化，磨損和磨耗。 破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 第一節(jié)：混凝土的滲透性 對(duì)耐久性影響最大的單一參數(shù)是水灰比W/C （或水膠比W/cm）。 如果W/

2、C比減小，則漿體的孔隙率減少，混 凝土變得不透水。 W/C比的變化對(duì)滲透性的影響主要受制于毛 細(xì)孔的孔隙率，而不是凝膠孔的孔隙率。 第一節(jié)：混凝土的滲透性 當(dāng)W/C比大于0.42 后，毛細(xì)孔的體積 將明顯增加。 水灰比對(duì)滲透性的影響圖 第一節(jié)：混凝土的滲透性 混凝土的滲透性對(duì)混凝土耐久性起著重要的作用， 因?yàn)闈B透性控制著水分滲入的速率，這些水可能 含有侵蝕性的化合物，同時(shí)也控制混凝過程中受 熱或冰凍時(shí)水的移動(dòng)。 W/C比對(duì)混凝土耐久性起雙重的作用，因?yàn)榈蚖/C 比也能增加混凝土的強(qiáng)度，從而改善混凝土抵抗 因有害反應(yīng)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的破壞。 第一節(jié)：混凝土的滲透性 達(dá)西定律 反映水流通過水泥漿體的流

3、速規(guī)律 x h Kv p 表達(dá)式： v 水的速度 h 龍頭（水壓力） x 試件的厚度； Kp 滲透系數(shù) 第一節(jié)：混凝土的滲透性 水泥漿的Kp不是常數(shù)，此值決定與W/C比和水泥漿的齡期 密實(shí)的充分水化的水泥漿體 水泥漿體的泥齡對(duì)滲透系數(shù)的影響（W/C=0.51) 第一節(jié)：混凝土的滲透性 經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后的漿體滲透系數(shù)是非常 小的，即使總孔隙率高時(shí)，其滲透系數(shù) 與低孔隙率的巖石同級(jí)。因此可總結(jié)為 水并不能順利通過細(xì)小的膠孔，其滲透 性受互相連通的毛細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)所控制。如 繼續(xù)水化，則由于C-S-H凝膠的形成而 堵塞了互相連通的孔，使毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)變 得愈加扭曲，并伴有Kp不斷減小。達(dá)到 出現(xiàn)完全不連通毛細(xì)孔所需

4、要的養(yǎng)護(hù)時(shí) 間是W/C的函數(shù)。 W/C養(yǎng)護(hù)時(shí)間/d 0.403 0.457 0.5028 0.60180 0.70365 0.70不可能形成 第一節(jié)：混凝土的滲透性 摻入輔助膠凝材料，特別是硅灰，可以 顯著降低滲透性事實(shí)上這種下降比僅降 低水膠比W/C的效果更明顯。硅灰的摻入同 時(shí)減小了孔隙率和孔的尺寸。 第二節(jié):化學(xué)遷移 大部分混凝土都含有毛細(xì)孔水，化學(xué)遷移將由孔溶 液和化學(xué)物質(zhì)的相互作用控制。酸將溶解水泥漿體的組 成和一些集料，從而提高了混凝土的滲透性和擴(kuò)散系數(shù)。 一些有機(jī)物會(huì)形成鈣皂，將減小滲透性，但大部分碳?xì)?化合物與混凝土不發(fā)生反應(yīng)。一些無機(jī)鹽，如氯化鈉和 氯化鈣將對(duì)混凝土產(chǎn)生像凍融

5、破壞加劇的物理作用或者 與混凝土內(nèi)部的鋼筋反應(yīng)，使鋼筋銹蝕。其他物質(zhì)，如 硫酸鹽由于化學(xué)侵蝕使混凝土嚴(yán)重?fù)p傷。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 1.滲濾和鹽霜 當(dāng)水分能經(jīng)材料滲出時(shí)，無論連續(xù)或間歇的， 或當(dāng)暴露的表面受干濕交替作用時(shí)，混凝土的表面 幾乎常常出現(xiàn)鹽霜。鹽霜由沉積的鹽類所組成，這 些鹽類可能是混凝土滲析出的鹽經(jīng)蒸發(fā)水分后的結(jié) 晶，或與大氣中二氧化碳相互作用的結(jié)晶而生成。 典型的鹽類為硫酸鹽、鈉、鉀或鈣的碳酸鹽，其主 要組成是碳酸鈣。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 鹽霜的產(chǎn)生表明在混凝土內(nèi)部發(fā)生了明顯的滲 濾，嚴(yán)重的滲濾導(dǎo)致孔隙率增加，從而降低混凝土 的強(qiáng)度和增加了受侵蝕性化合物作用的弱點(diǎn)。氫氧 化鈣是水化產(chǎn)

6、物，它最易從混凝土中滲出；C-S-H凝 膠本來是不分解的，只有長(zhǎng)期處于嚴(yán)重滲濾條件下 才會(huì)分解。因此，氫氧化鈣含量多的水泥漿體，更 易于滲濾和起霜，在不利條件下?lián)p壞的可能性更大。 滲出速率取決于滲透水中含有各種溶解鹽的總量。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 2.硫酸鹽侵蝕 化學(xué)侵蝕最廣泛和 最普通的形式是硫 酸鹽的侵蝕。 圖為被硫酸鹽腐蝕土壤破壞的混泥土柱 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽侵蝕的機(jī)理 硫酸鹽侵蝕引起的危害性包括混凝土的整體開裂和膨脹以及 水泥漿體的軟化和分解。 水泥中的C3A含量過高將使混凝土遭受硫酸鹽腐蝕，其主要原 因是單硫型鋁酸鹽形成鈣礬石。 32 3 62123 162HSACHHSCHSAC

7、 此反應(yīng)伴有固體體積增加55%，引起漿體內(nèi)部體積膨脹，并同 時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后導(dǎo)致開裂。體積膨脹也可由微晶狀態(tài)的鈣礬石 吸水引起。 （1） 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕開始是硫酸根離子和氫氧化鈣反應(yīng)： )(2)( 2 2 4 aqOHHSCaqSOCH （2） 此反應(yīng)又稱為石膏腐蝕，因?yàn)樗殡S固體體積產(chǎn)生約120%的 膨脹。對(duì)于較高的硫酸鹽濃度，在10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，石膏 腐蝕與式（1）所表達(dá)的鈣礬石結(jié)晶腐蝕相比仍處于次要地位。然 而，長(zhǎng)期暴露在硫酸鹽環(huán)境中，即使硅酸鹽水泥中鋁酸鹽濃度較 低，石膏腐蝕也將稱為破壞的主要原因。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 不同硫酸鹽的影響 硫酸鎂腐蝕性較強(qiáng)，因?yàn)橛捎诖?/p>

8、在鎂離子，有可能增加額外的腐 蝕反應(yīng)，從而使C-S-H和硫鋁酸鈣分解： x SHMHHSCaqSMHSC233)(3 2323 32124 34)(3AHMHHSCaqSMHSAC （3） （4） 所形成的硅膠，如反應(yīng)式（3）所示，可以與MH緩慢反應(yīng)形成無 膠凝性的硅酸鎂晶體。當(dāng)MgSO4 濃度很高時(shí)，硫鋁酸鹽腐蝕完全被鎂 鹽腐蝕所取代。 反應(yīng)式（3）和（4）由于氫氧化鎂的不溶性而繼續(xù)進(jìn)行。MH的沉淀也增 加了石膏腐蝕的速率： MHHSCaqSMCH 2 )(（5） 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕的三個(gè)過程： 1、硫酸鹽離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土孔中，擴(kuò)散由滲透系數(shù)Kp和硫酸 根離子的擴(kuò)散系數(shù)Kd所控制

9、。 2、在其開始階段，石膏腐蝕實(shí)際上是有利的，因?yàn)槭啾葰溲?化鈣更容易溶解，溶解結(jié)晶反應(yīng)將允許石膏首先結(jié)晶而不產(chǎn) 生膨脹。 3、因硫酸鹽腐蝕引起內(nèi)部開裂，顧混凝土有效的Kp將增加，從 而更進(jìn)一步加速硫酸鹽的腐蝕。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕的控制 防止硫酸鹽侵蝕需同時(shí)具備優(yōu)質(zhì)的混凝土和低C3A含量的水泥。 選擇膠凝材料時(shí)，其條件必須滿足： （1）在混凝土早期C3A全部轉(zhuǎn)化為鈣礬石，以防止發(fā)生 32 3 62123 162HSACHHSCHSAC （2）CH轉(zhuǎn)化為C-S-H凝膠以防止發(fā)生)(2)( 2 2 4 aqOHHSCaqSOCH MHHSCaqSMCH 2 )(和 （3）使用火山灰或

10、者高爐礦渣。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 3.酸和堿的腐蝕 水化水泥漿體是一種堿性材料，因此一般不會(huì)遭受各類堿性 材料特定的腐蝕。而對(duì)于酸性溶液情況就完全不同，酸很容易侵 蝕堿性材料。 氫離子將加速氫氧化鈣的滲濾： OHCaHOHCa 2 2 2 22)( (6) 如果濃度高時(shí)，C-S-H也可受侵蝕而形成硅膠與氫離子伴生的 陰離子，其本質(zhì)可能會(huì)進(jìn)一步加重侵蝕現(xiàn)象。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 OHOnHSiOCaHOHSiOCaO OH 222 2 22 6)(236323 2 碳酸因能形成可溶性重碳酸鈣故腐蝕性也較強(qiáng)： OHHCOCaCOHOHCa 223322 )()( 任何酸如能以類似方式形成可溶性鈣鹽，則

11、侵蝕性強(qiáng)烈，而如 果酸能形成不溶性鈣鹽，則在酸侵蝕過程中，其沉淀物能保護(hù)混凝 土免受進(jìn)一步破壞。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 4.鹽類的結(jié)晶 當(dāng)混凝土與含有大量溶質(zhì)的 水想接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生結(jié)晶腐蝕。 這些鹽類滲入混凝土，并且由于 經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮而在孔內(nèi)結(jié)晶， 如此反復(fù)或連續(xù)蒸發(fā)，將引起鹽 的沉積而造成開裂點(diǎn)。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 限制鹽結(jié)晶問題可采取的措施： （1）使用低水灰比低滲透性混凝土限制水分的滲透； （2）密封混凝土； （3）在結(jié)構(gòu)件制造一層障礙層以防止毛細(xì)管效應(yīng)發(fā)生。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 5.污水管的腐蝕 混凝土污水管處于非常嚴(yán) 重的腐蝕條件下，污水管不僅 可以被地下水中的物質(zhì)（硫酸 鹽或酸類）腐

12、蝕，更易受污水 本身的腐蝕。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 污水管表面的保護(hù)性處理: （1）采用瀝青、柏油和樹脂作為涂層，以及使用鋁酸鈣水泥； （2）使用水玻璃（硅酸鈉）、不溶性皂類、氯鹽以及鐵鹽使混凝土表 面孔隙為不溶性鹽沉淀物所填充或形成一個(gè)耐久的表面涂層； （3）用二氧化碳?xì)怏w或四氟化硅蒸汽進(jìn)行防護(hù)處理； （4）對(duì)于長(zhǎng)期的保護(hù)，也有使用厚的襯套（聚氯乙烯薄片）或者涂層 （環(huán)氧樹脂砂漿）； （5）最常用的的有效方法，還包括對(duì)污水管進(jìn)行氯化處理以防止磺化 酸的形成，加入石灰提高PH值，清除管內(nèi)的粘土和淤泥保持良好的通 風(fēng)以提高水流速度等。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 6.金屬的腐蝕 鋼筋發(fā)生腐蝕時(shí)，鐵銹產(chǎn)生的膨脹

13、反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致銹蝕鋼筋上部 的混凝土產(chǎn)生開裂和剝落。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 防腐措施： （1）降低混凝土滲透性； （2）在混凝土上涂保護(hù)層； （3）鋼筋上涂保護(hù)層； （4）遏制電化學(xué)過程。 第四節(jié):物理侵蝕 混凝土發(fā)生凍融破壞的條件 混凝土處于飽水狀態(tài) 混凝土受凍融交替作用 1.凍融 凍融侵蝕產(chǎn)生的破壞作用 凍脹開裂 表面剝蝕 抵抗凍融破壞，必須同時(shí)具有適當(dāng)含氣量的漿體和耐久的集料 第四節(jié):物理侵蝕 水泥漿體的冰凍 當(dāng)水飽和混凝土冷卻至0以下時(shí)，水泥漿體中大部分的水不 會(huì)立即結(jié)冰。漿體內(nèi)的孔徑分布范圍很大，可由熱力學(xué)證明毛細(xì) 管孔中的水不會(huì)冰凍，一直要到溫度低于0的一定數(shù)值才會(huì)凍冰， 所降低的數(shù)值視孔

14、徑而定。如果毛細(xì)孔水中有堿存在。則冰點(diǎn)溫 度下降。有時(shí)雖然溫度降至冰點(diǎn)，混凝土中相當(dāng)一部分水不是結(jié) 冰而形成過冷水，因?yàn)槌跏冀Y(jié)冰需要晶柱。晶核將在混凝土外部 或混凝土內(nèi)較大空隙中形成，并隨溫度的下降而滲入水泥漿體內(nèi) 部。結(jié)晶體并不能容易的滲入細(xì)小的毛細(xì)孔，只有當(dāng)溫度降到零 度以下才能做到。最后水分被造成漿體內(nèi)部毛細(xì)孔和微孔表面的 C-S-H表面所吸附，它們永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)冰，雖然水可以移至毛細(xì)管內(nèi)， 并可在其中結(jié)冰。 第四節(jié):物理侵蝕 溫度下降時(shí)，水泥漿體的體積變化 不加保護(hù)的漿體內(nèi) 伴隨著冰凍會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重 的膨脹，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生 拉伸應(yīng)力直至破壞。對(duì) 于引氣漿體，在降溫冰 凍時(shí)膨脹極小并有相當(dāng) 程度的收縮 第四節(jié):物理侵蝕 靜水壓假說 當(dāng)冰在毛細(xì)管中形成時(shí)所伴隨的體積增加引起剩余水被 壓縮。如果水能夠從毛細(xì)管經(jīng)過沒有冰凍的孔擴(kuò)散外逸至自 由空間，則可以消除這種壓力。但假如水移動(dòng)外逸至邊緣的 距離太遠(yuǎn)，則毛細(xì)管有膨脹的趨勢(shì)，同時(shí)周圍的材料會(huì)受到 壓力作用。疊加鄰近毛細(xì)管的壓力則最后將引起漿體超過抗 拉強(qiáng)度并發(fā)生破裂。如溫度逐漸下降，較多的毛細(xì)管水要發(fā) 生冰凍，并增加水壓力，因而增加了微裂縫和膨脹 凍融侵蝕機(jī)理 第四節(jié):物理侵蝕 大孔中的部分溶液先結(jié)冰后，未凍