建筑材料的耐久性

DeteriorationofReinforcedConcreteBridgeduetoPoorDurability§3.5混凝土耐久性DURABILITYofCONCRETE建筑材料的耐久性材料的耐久性——在長期使用過程中維持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用性能在一個(gè)可以接受的水平的能力。結(jié)構(gòu)耐久性——結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在環(huán)境作用下長期維持其所需性能的能力。問題有沒有混凝土結(jié)構(gòu)物不要求很耐久？有。2.哪一類混凝土結(jié)構(gòu)物不要求耐久性？臨時(shí)建筑（如圍堰等）。3.哪一類混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求最高？紀(jì)念性建筑物、核廢料儲(chǔ)存設(shè)施等。

歐洲的輸水故道、君士坦丁的巴西利卡會(huì)堂建筑、羅馬的萬神殿以及那不勒斯等地海岸上的羅馬混凝土工程，盡管有的已經(jīng)被海浪磨光了表面，有的長滿了青苔，而混凝土卻仍能保持完好。P.K.Metha“InfluenceofFlyAshCharacteristicsontheStrengthofPortlandcement–FlyAshMixture.C.C.R.Vol.15,1985.古羅馬時(shí)期的混凝土羅馬萬神殿ThePantheonRome在21世紀(jì)建造耐久的結(jié)構(gòu)物以往，通常認(rèn)為結(jié)構(gòu)物的耐久性不足，既不是設(shè)計(jì)，也不是材料的原因所引起。大多數(shù)情況下，都認(rèn)為是施工操作不當(dāng)?shù)呢?zé)任?；炷翐v實(shí)與養(yǎng)護(hù)不良、鋼筋保護(hù)層不足以及接縫漏水是施工存在問題的一些例子。

然而現(xiàn)今一個(gè)嚴(yán)重的問題是：許多新結(jié)構(gòu)的施工操作與以往保持一致，而過早劣化的現(xiàn)象卻在不斷增多。這意味著混凝土結(jié)構(gòu)過早劣化的現(xiàn)象還將以很高的速度不斷繼續(xù)下去，除非我們深入地了解現(xiàn)今的建設(shè)實(shí)踐，深刻地認(rèn)識(shí)影響混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主要原因。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.CONCRETEINTERNATIONAL.March，2001.劣化現(xiàn)象，例如鋼筋銹蝕和硫酸鹽侵蝕，在水和離子滲入到混凝土內(nèi)部時(shí)就會(huì)發(fā)生。在相互隔離的微裂縫、可見裂縫與孔隙相連通時(shí)，就產(chǎn)生滲透。因此，滲透與開裂是緊密相關(guān)的。開裂的原因有很多，一個(gè)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的主要原因，是為滿足現(xiàn)代高速施工，而采用高早強(qiáng)水泥及高強(qiáng)混凝土。P.K.Mehta.BuildingDurableStructuresin21stCentury.ConcreteInternational.March，2001.發(fā)生開裂的主要原因現(xiàn)今混凝土的水灰比減小使得自生收縮加大；早期強(qiáng)度迅速增長引起彈性模量相應(yīng)快速增大、徐變系數(shù)減小，這對(duì)混凝土的延伸率又產(chǎn)生不利影響，這就是為什么高早強(qiáng)混凝土比中等和低強(qiáng)度混凝土更易于開裂的原因。

3.5.1水與混凝土的劣化

對(duì)許多建筑材料來說，水是它們生產(chǎn)過程的重要原料之一，同時(shí)也是它們破壞過程的主要介質(zhì)。水也是多數(shù)結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)耐久性問題的核心。不僅物理劣化過程與水有關(guān)；同時(shí)作為傳輸侵蝕性離子的介質(zhì)，水又是其化學(xué)劣化過程的一個(gè)根源。1.混混凝土土的滲透透性PermeabilityofConcrete混凝土是是一種多多孔的物物質(zhì)。流流體可以以沿著混混凝土內(nèi)內(nèi)部連通通的孔隙隙滲透。?；炷镣林辛黧w體的滲透透能力稱稱為混凝凝土的滲透性。通常測(cè)定定混凝土土抵抗流流體滲透透的能力力，稱為為混凝土土的抗?jié)B性。最初幾周，，硬化水泥泥漿體的滲滲透性下降降數(shù)個(gè)量級(jí)級(jí)圖3-24硬化水泥漿體滲透性與水灰比的關(guān)系（93%水化度）滲透性—水水灰比關(guān)系存在臨臨界區(qū)域采用適宜的的原材料及及良好的生生產(chǎn)、澆筑筑與養(yǎng)護(hù)操操作，當(dāng)水水泥用量為為300～350Kg/m3、水灰比0.45～～0.55，制備出28d抗壓壓強(qiáng)度為35～40MPa的混凝土，，在大多數(shù)數(shù)環(huán)境條件件下可以呈呈現(xiàn)足夠低低的滲透性性和良好的的耐久性能能。滲透性與耐耐久性Permeabilityanddurability2.離子子在混凝土土中的擴(kuò)散散DiffusionofIoninConcrete離子的擴(kuò)散散行為雖與與水在混凝凝土中的傳傳輸不同，，但它要以以水為載體體。離子(或原子、、分子）在在濃度梯度度作用下運(yùn)運(yùn)動(dòng)，即擴(kuò)擴(kuò)散過程，，傳輸速率率由費(fèi)克（（Fick)定律求得得。式中:P為X方向向物體單位位面積上的的傳輸速率率；為濃度梯度度，D為擴(kuò)散系數(shù)數(shù)，量綱為為m2/s。與滲透系數(shù)數(shù)K類似，D取決于混凝凝土的孔結(jié)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散散介質(zhì)兩方方面。Fick定定律：3.混凝土的吸吸水性Sorptivityofconcrete硬化水泥漿漿體或混凝凝土因毛細(xì)細(xì)作用(而而不是壓力力梯度)吸吸收或吸附附水份于其其孔隙里的的性質(zhì)，稱稱為吸水性性。試驗(yàn)表表明：吸水水性大小主主要反映混混凝土靠近近表層的抗抗?jié)B性。防波堤3.5.2混凝土土的劣化(Degradationofconcrete)分為兩大類類：第一類，由由水、空氣氣和其它侵侵蝕性介質(zhì)質(zhì)滲透或擴(kuò)擴(kuò)散進(jìn)入混混凝土的速速率所決定定。包括化學(xué)的的：鋼筋銹銹蝕、堿-骨料反應(yīng)應(yīng)、硫酸鹽鹽、海水和和酸的侵蝕蝕；物理的的：凍融、、鹽結(jié)晶、、火災(zāi)等。。第二類，是是磨耗、沖沖磨與空蝕蝕，涉及一一些另外的的機(jī)理。1.表面損損耗造成的的劣化(Deteriorationbysurfacewear)包括磨耗、、沖磨和空空蝕三種作作用。磨耗指摩擦擦引起的損損耗，主要要為路面和和工業(yè)地坪坪由于車輛輛行駛造成成；沖磨發(fā)生于水工工結(jié)構(gòu)，例例如隧道襯襯砌、溢流流面以及給給排水管道道等，當(dāng)水水夾帶砂土土顆粒流過過混凝土表表面，與其其碰撞、滑滑動(dòng)或滾動(dòng)動(dòng)引起的損損耗；水工混凝土土還受到另另一種稱為為空蝕（也也稱氣蝕）的作用。。水流夾帶帶氣泡在流流向突然變變化時(shí)形成成高負(fù)壓導(dǎo)導(dǎo)致爆裂，，使表面產(chǎn)產(chǎn)生空穴的的現(xiàn)象。2.鹽結(jié)結(jié)晶晶引引起起開開裂裂（Crackingbycrystallizationofsaltinpores)混凝凝土土因因孔孔隙隙里里鹽鹽發(fā)發(fā)生生結(jié)結(jié)晶晶的的物物理理作作用用，，可可能能造造成成嚴(yán)嚴(yán)重重的的損損害害，，許許多多多多孔孔材材料料都都可可能能由由于于與與其其接接觸觸的的飽飽和和溶溶液液析析晶晶過過程程產(chǎn)產(chǎn)生生的的壓壓力力引引起起開開裂裂。。鹽鹽結(jié)結(jié)晶晶只只能能發(fā)發(fā)生生在在一一定定溫溫度度下下溶溶質(zhì)質(zhì)的的濃濃度度超超過過飽飽和和濃濃度度的的時(shí)時(shí)候候。。過過飽飽和和度度越越大大，，結(jié)結(jié)晶晶壓壓越越大大。。例例如如巖巖鹽鹽NaCl在在過過飽飽和和度度=2時(shí)時(shí)，，8℃℃下下產(chǎn)產(chǎn)生生的的結(jié)結(jié)晶晶壓壓可可達(dá)達(dá)55.4MPa，，足足以以讓讓巖巖石石或或混混凝凝土土開開裂裂。。鹽結(jié)結(jié)晶晶引引起起開開裂裂因含含鹽鹽地地下下水水通通過過毛毛細(xì)細(xì)作作用用上上升升在在混混凝凝土土電電線線桿桿內(nèi)內(nèi)部部產(chǎn)產(chǎn)生生膨膨脹脹而而開開裂裂采用含鹽砂砂的混凝土土路面因膨膨脹而在預(yù)預(yù)留的脹縫縫處被擠碎碎3.硫酸鹽與海海水的腐蝕蝕Attackbysulphatesandseawater硫酸鹽侵蝕蝕引起混凝凝土劣化的的機(jī)理，是是它與硬化化水泥漿體體中的水化化鋁酸鹽相相反應(yīng)，生生成有破壞壞性的膨脹產(chǎn)物鈣鈣礬石。C3A+3C?·H2+26HC3A·3C·H32產(chǎn)生硫酸酸鹽腐蝕蝕的三個(gè)個(gè)條件體系中存存在硫酸酸鹽（內(nèi)內(nèi)部存在在或外部部侵入））；足夠的水水分；預(yù)先存在在的空隙隙。酸腐蝕Acidattack由于混凝凝土中硬硬化水泥泥漿體呈呈高堿性性，沒有有任何硅硅酸鹽水水泥混凝凝土可以以耐酸腐腐蝕。但但如果注注意降低低滲透性性并且養(yǎng)養(yǎng)護(hù)良好好，也能能夠生產(chǎn)產(chǎn)出在弱弱酸環(huán)境境中足夠夠耐久的的混凝土土。堿-骨料料反應(yīng)(AAR)Alkali-AggregateReaction最常見、、最重要要的AAR是堿—硅硅反應(yīng)（（簡稱ASR），它是是骨料中中所含的的無定形形硅與孔孔隙里含含堿（鈉鈉、鉀、、鈣的氫氫氧化物物）的溶溶液反應(yīng)應(yīng)，生成成易于吸吸水膨脹脹的堿-硅凝膠膠，當(dāng)結(jié)結(jié)構(gòu)物暴暴露在潮潮濕環(huán)境境中，混混凝土體體內(nèi)相對(duì)對(duì)濕度超超過85%時(shí)，，就會(huì)出出現(xiàn)膨脹脹，直到到引起混混凝土開開裂與破破壞。圖3-26典型的堿-骨料反應(yīng)開裂形式常見的堿堿—骨料料反應(yīng)破破壞形式式Typicalcrackingpatternsresultingfromalkalisilicareaction堿—骨料料反應(yīng)影影響因素素Factorsinfluencingtheamountandrateofreaction1）水泥或混混凝土的的含堿量量；2）活性性氧化硅硅含量；；3）骨料料粒徑；；4）水分分來源；；5）環(huán)境境溫度。。混凝土含含堿量的的閾值堿－骨料料破壞性性膨脹從整體方方法論看看待堿－－骨料反反應(yīng)的發(fā)發(fā)生和發(fā)發(fā)展混凝土勻勻質(zhì)性差差溫度與干干燥收縮縮預(yù)制制預(yù)預(yù)應(yīng)應(yīng)力力構(gòu)構(gòu)件件內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力過過大大微裂裂縫縫發(fā)生生堿堿－－骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)高堿堿水水泥泥骨料料有有堿堿活活性性水分分來來源源充充分分臨水水結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)相對(duì)濕度大大6.鹽凍.ppt(Frostdamage)混凝土中大大毛細(xì)孔里里的水結(jié)冰冰時(shí)，體積積大約要膨膨脹9%，，如果體內(nèi)內(nèi)沒有足夠夠的空間容容納，就會(huì)會(huì)產(chǎn)生可能能引起開裂裂的壓力。。反復(fù)的凍凍融循環(huán)使使危害擴(kuò)大大和積累，，產(chǎn)生開裂裂與剝落。。引氣與抗凍凍融循環(huán)性性能的關(guān)系系示意圖混凝土受熱熱，發(fā)生以以下三種變變化：1）升溫時(shí)混凝凝土內(nèi)毛細(xì)細(xì)孔內(nèi)的水水分逐漸蒸蒸發(fā)，接著著水化產(chǎn)物物分解，其其中結(jié)合牢牢固的水分分也逐步逸逸出；2）由于硬化水水泥漿體和和骨料熱膨膨脹系數(shù)的的差異，產(chǎn)產(chǎn)生溫度應(yīng)應(yīng)力并導(dǎo)致致過渡區(qū)開開裂，這是是500℃以上時(shí)強(qiáng)度度迅速喪失失的主要原原因。3）硬化水泥漿漿體的水化化產(chǎn)物到接接近1000℃℃的時(shí)候分解解完畢，強(qiáng)強(qiáng)度完全喪喪失。7.抗抗火性（fireresistance）問題：1.與與普通強(qiáng)度度混凝土相相比，高強(qiáng)強(qiáng)混凝土抗抗火性較差差還是較好好？為什么么？2.為什什么用輕骨骨料的混凝凝土抗火性性能較好？？高強(qiáng)混凝土土結(jié)構(gòu)致密密，內(nèi)部孔孔隙率低。。當(dāng)混凝土土受熱后，，水化產(chǎn)物物分解，產(chǎn)產(chǎn)生的水蒸蒸氣不能及及時(shí)排出，，在內(nèi)部形形成大的壓壓力，可導(dǎo)導(dǎo)致混凝土土爆裂。3.5.3混凝凝土中鋼材材的銹蝕影響結(jié)構(gòu)物物壽命的第第一大因素素。在混凝土內(nèi)內(nèi)部的堿性性環(huán)境（pH＞13）中，鋼鋼材表面生生成一層致致密的鈍化化膜，保護(hù)護(hù)鋼材不被被銹蝕。混凝土中鋼鋼材的鈍化化膜由于下下列原因而而被破壞1）混凝土中的的Ca(OH)2被空氣里的的SO2、NO2、CO2等酸性氧化化物中和（（pH＜9）而失去去堿性；2）海水或道面面撒除冰鹽鹽所引入的的氯離子的的作用。鋼筋銹蝕導(dǎo)導(dǎo)致混凝土土構(gòu)件破壞壞的幾種形形式混凝土中鋼鋼材的銹蝕蝕CorrosionofSteelinConcrete1）碳化引引起的銹蝕蝕（均勻腐蝕蝕）條件：CO2、水分（（相對(duì)濕濕度50~70%時(shí)最迅速速）微電池腐腐蝕2）氯化化物引起起的銹蝕蝕（點(diǎn)蝕）條件：氯氯離子擴(kuò)擴(kuò)散速度度、氧與與水分；；與保護(hù)護(hù)層厚度度、水灰灰比、水水泥用量量等有關(guān)關(guān)。宏電池腐腐蝕T0：開始銹銹蝕;T1：混凝土土開裂；；T0T11）脫鈍介質(zhì)質(zhì)(酸酸性氧化化物或氯氯化物)到達(dá)達(dá)鋼材表表面并開開始銹蝕蝕的時(shí)間間T0產(chǎn)生開裂裂的時(shí)間間分兩個(gè)個(gè)階段2）銹蝕到達(dá)達(dá)臨界水水平，即即混凝土土出現(xiàn)開開裂的時(shí)時(shí)間T1鋼筋混混凝土土的使使用壽壽命對(duì)于重重要結(jié)結(jié)構(gòu)物物，常常用t0作為設(shè)設(shè)計(jì)壽壽命；；對(duì)于一一般結(jié)結(jié)構(gòu)物物，可可用t1作為設(shè)設(shè)計(jì)壽壽命，，但應(yīng)應(yīng)有定定期的的維護(hù)護(hù)制度度。氯化物物對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)物物暴露露于潮潮汐區(qū)區(qū)與浪浪濺區(qū)區(qū)混凝凝土的的作用用，在在很大大程度度上取取決暴暴露時(shí)時(shí)間、、條件件和混混凝土土性能能。保保護(hù)層層的厚厚度和和性質(zhì)質(zhì)對(duì)盡盡可能能地延延長t0很關(guān)鍵鍵。低低水灰灰比、、適當(dāng)當(dāng)?shù)乃嘤糜昧颗c與足夠夠的養(yǎng)養(yǎng)護(hù)對(duì)對(duì)增大大t0、降低低吸收收與擴(kuò)擴(kuò)散系系數(shù)有有利。?；炷镣林袖撲摬牡牡匿P蝕蝕CorrosionofSteelinConcrete下列幾幾種措措施，，可以以在原原材料料選擇擇、配配合比比設(shè)計(jì)計(jì)、保保護(hù)層層厚度度與施施工過過程的的優(yōu)化化基礎(chǔ)礎(chǔ)上，，進(jìn)一一步改改善對(duì)對(duì)鋼材材的防防護(hù)作作用：：1）在在新拌拌混凝凝土里里摻用用阻銹銹劑，，如亞亞硝酸酸鈣；；2）用用不銹銹鋼作作為配配筋，，或用用環(huán)氧氧涂層層鋼筋筋；3）混混凝土土采用用涂層層保護(hù)護(hù)，減減少氯氯鹽與與氧的的侵入入；4）對(duì)對(duì)鋼筋筋進(jìn)行行陰極極保護(hù)護(hù)，即即外加加電壓壓以保保持鋼鋼筋處處于陰陰極區(qū)區(qū)。混凝土土中鋼鋼材銹銹蝕的的防護(hù)護(hù)DefendthecorrosionofSteelinConcrete選擇改改善混混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)耐久久性的的措施施，要要考慮慮到性性能與與費(fèi)用用兩方方面。。下面面列出許許多防防護(hù)和和延緩緩混凝凝土因因鋼筋筋銹蝕蝕引起起劣化化的措措施及及費(fèi)用用增加加比例例（以以增加加一次次投資資的百百分?jǐn)?shù)數(shù)表示示）：：1)摻摻用用粉煤煤灰和和礦渣渣，減減少水水泥用用量（0%）2)預(yù)冷混混凝土土拌合合物（3%）3)用硅灰灰和高高效減減水劑劑（5%）4)增大保保護(hù)層層厚度度15mm（（4%）5)摻摻加阻銹銹劑（8%）6)采用環(huán)環(huán)氧涂涂層鋼鋼筋（8%）7)外表涂涂刷涂涂層（20%））8)陰極保保護(hù)（30%））圖3-34在潮汐或浪濺區(qū)暴露時(shí)混凝土不同深度的氯離子濃度(a)(b)a暴露時(shí)間的影響（硅酸鹽水泥，濕養(yǎng)護(hù)3d）b粉煤灰摻量的影響（濕養(yǎng)護(hù)1d，28d后暴露2年）粉煤灰灰減小小氯離離子擴(kuò)擴(kuò)散的的作用用Theeffectofflyashonreducingdiffusionrateofchlorideion素混凝凝土與與鋼筋筋混凝凝土結(jié)結(jié)構(gòu)的的劣化化Deteriorationofplainandreinforcedconcretestructures一、表面損損耗造成的的劣化：磨磨耗、沖磨磨、空蝕二、由水、、空氣和其其它侵蝕性性介質(zhì)滲透透或擴(kuò)散進(jìn)進(jìn)入混凝土土的速率所所決定。包包括化學(xué)的的（鋼筋銹銹蝕、堿-骨料反應(yīng)應(yīng)、硫酸鹽鹽、海水和和酸的侵蝕蝕）和物理理的（凍融融、鹽結(jié)晶晶等）。一個(gè)個(gè)不不透透水水，，但但存存在在非非連續(xù)續(xù)微微裂裂縫縫，，且且多多孔孔的的鋼筋筋混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)

由于微裂縫和孔隙連通起來，不透水性逐漸喪失環(huán)境作用（第二階段）（損傷的開始與擴(kuò)展）水的滲入O2、CO2滲入酸性離子（Cl-、

SO4-)滲入A：以下原因使孔隙內(nèi)的靜水壓增大、混凝土膨脹：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、水結(jié)冰、硫酸鹽侵蝕;B：混凝土強(qiáng)度與剛度降低開裂、剝落與整體性喪失環(huán)境作用（第一階段）（無可見損傷）1.侵蝕作用（冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)）2.荷載作用（循環(huán)荷載、沖擊荷載）混凝凝土土受受環(huán)環(huán)境境作作用用產(chǎn)產(chǎn)生生劣劣化化的的““整體體性性”模模型型圖5一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的整體論方法鋼筋筋混混凝凝土土結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)耐耐久久性性的的整整體體論論觀觀耐久久性性設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的極極限限狀狀態(tài)態(tài)鋼筋筋銹銹蝕蝕預(yù)應(yīng)應(yīng)力力鋼鋼筋筋－－開開始始銹銹蝕蝕普通通鋼鋼筋筋－－混混凝凝土土表表面面銹銹痕痕，，順筋筋開開裂裂（（0.1mm,---,1mm））保護(hù)護(hù)層層剝剝落落混凝凝土土腐腐蝕蝕輕微微，，不不影影響響混混凝凝土土對(duì)對(duì)鋼鋼筋筋的的保保護(hù)護(hù)耐久性性設(shè)計(jì)計(jì)方法法傳統(tǒng)方方法指數(shù)(評(píng)分分)法法因子法法基于材材料劣劣化模模型的的計(jì)算算方法法傳統(tǒng)方方法Deem-to-satisfyMethod針對(duì)不不同環(huán)環(huán)境類類別和和環(huán)境境作用用等級(jí)級(jí)，對(duì)對(duì)混凝凝土材材料和和結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造造規(guī)定定不同同要求求。（回避使使用壽壽命要要求））混凝土土原材材料（（水泥、、摻合合料、、外加加劑、、－－－）混凝土土配合合比（（最大水水膠比比、最最低膠膠凝材材料用用量－－－）混凝土土最低低強(qiáng)度度等級(jí)級(jí)，抗抗凍等等級(jí)，，－－－－結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造（（保護(hù)層層最小小厚度度，－－－－－）改進(jìn)趨趨向――細(xì)化環(huán)環(huán)境類類別及及其作作用等等級(jí)提出不不同使使用年年限的的不同同要求求指數(shù)（（評(píng)分分）法法IndexMethod日本土土木工工程學(xué)學(xué)會(huì)1990年年提出出環(huán)境指指數(shù)S≤≤耐耐久久性指指數(shù)RS＝S0＋∑∑SiS0——正常環(huán)環(huán)境指指數(shù)（（50年年設(shè)計(jì)計(jì)壽命命取取100））Si——惡劣環(huán)環(huán)境增增