混凝土耐久性

§3.5混凝土耐久性DURABILITYofCONCRETE混凝土耐久性第一次危機(jī)：四十年代，美國(guó)大量路面受凍融循環(huán)侵蝕很快發(fā)生剝落；第二次危機(jī)：八十年代，美國(guó)等國(guó)家大量混凝土橋面板、路面、停車(chē)場(chǎng)和港口設(shè)施受侵蝕破壞。

一條新修好的水泥混凝土路面，其使用壽命長(zhǎng)短主要取決哪些因素？問(wèn)題3.5.1水與混凝土的劣化

對(duì)許多建筑材料來(lái)說(shuō)，水是它們生產(chǎn)過(guò)程的重要原料之一，同時(shí)也是它們破壞過(guò)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(wèn)題的核心。不僅物理劣化過(guò)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(guò)程的一個(gè)根源。

1.混凝土的滲透性

PermeabilityofConcrete

混凝土攪拌時(shí)加入的水份，一部分在水化反應(yīng)中消耗，另一部分會(huì)在體內(nèi)自由遷移，或在干燥條件下逐漸蒸發(fā)（包括所有毛細(xì)孔水和一部分吸附水），但同時(shí)也會(huì)在暴露于潮濕環(huán)境時(shí)吸收水份達(dá)到飽和,由于可蒸發(fā)水的可逆性和隨之引起產(chǎn)生膨脹的反應(yīng)是導(dǎo)致混凝土劣化的重要原因。

圖3-22水化對(duì)水泥漿滲透性的影響

最初幾周，硬化水泥漿體的滲透性下降數(shù)個(gè)量級(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—水灰比關(guān)系存在臨界區(qū)域

采用適宜的原材料及良好的生產(chǎn)、澆筑與養(yǎng)護(hù)操作，當(dāng)水泥用量為300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制備出28d抗壓強(qiáng)度為35～40MPa的混凝土，在大多數(shù)環(huán)境條件下可以呈現(xiàn)足夠低的滲透性和良好的耐久性能。滲透性與耐久性2.離子在混凝土中的擴(kuò)散DiffusionofIoninConcrete

離子的擴(kuò)散行為雖與水在混凝土中的傳輸不同，但它要以水為載體。離子(或原子、分子）在濃度梯度作用下運(yùn)動(dòng)，即擴(kuò)散過(guò)程，傳輸速率由費(fèi)克（Fick)定律求得。防波堤3.混凝土的吸水性

硬化水泥漿體或混凝土因毛細(xì)作用(而不是壓力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性質(zhì)，稱(chēng)為吸水性。試驗(yàn)表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表層的抗?jié)B性。3.5.2混凝土的劣化

分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透進(jìn)入混凝土的速率所決定。包括化學(xué)的：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、硫酸鹽、海水和酸的侵蝕；物理的：凍融、鹽結(jié)晶、火災(zāi)等。第二類(lèi)，是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機(jī)理。1.

表面損耗造成的劣化

包括磨耗、沖磨和空蝕三種作用。磨耗指摩擦引起的損耗，主要為路面和工業(yè)地坪由于車(chē)輛行駛造成；沖磨發(fā)生于水工結(jié)構(gòu)，例如隧道襯砌、溢流面以及給排水管道等，當(dāng)水夾帶砂土顆粒流過(guò)混凝土表面，與其碰撞、滑動(dòng)或滾動(dòng)引起的損耗；水工混凝土還受到另一種破壞作用，稱(chēng)為空蝕（也稱(chēng)氣蝕）。水流夾帶氣泡在流向突然變化時(shí)形成高負(fù)壓導(dǎo)致爆裂，使表面產(chǎn)生空穴的現(xiàn)象。2.2.

鹽結(jié)晶引起開(kāi)裂

混凝土因孔隙里鹽發(fā)生結(jié)晶的物理作用，可能造成嚴(yán)重的損害，許多多孔材料都可能由于與其接觸的飽和溶液析晶過(guò)程產(chǎn)生的壓力引起開(kāi)裂。鹽結(jié)晶只能發(fā)生在一定溫度下溶質(zhì)的濃度超過(guò)飽和濃度的時(shí)候。過(guò)飽和度越大，結(jié)晶壓越大。例如巖鹽NaCl在過(guò)飽和度=2時(shí)，8℃下產(chǎn)生的結(jié)晶壓可達(dá)55.4MPa，足以讓巖石或混凝土開(kāi)裂3.硫酸鹽與海水的腐蝕

硫酸鹽侵蝕引起混凝土劣化的機(jī)理，是它與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鹽相反應(yīng)，生成有破壞性的膨脹產(chǎn)物鈣礬石。C3A+3C?·H2+26H

C3A·3C·H32

14.酸腐蝕

由于混凝土中硬化水泥漿體呈高堿性，沒(méi)有任何硅酸鹽水泥混凝土可以耐酸腐蝕。但如果注意降低滲透性并且養(yǎng)護(hù)良好，也能夠生產(chǎn)出在弱酸環(huán)境中足夠耐久的混凝土。堿-骨料反應(yīng)Alkali-AggregateReaction(AAR)

最常見(jiàn)、最重要的反應(yīng)是堿—硅反應(yīng)（簡(jiǎn)稱(chēng)ASR），它是骨料中所含的無(wú)定形硅與孔隙里含堿（鈉、鉀、鈣的氫氧化物）的溶液反應(yīng)，生成易于吸水膨脹的堿-硅凝膠，當(dāng)結(jié)構(gòu)物暴露在潮濕環(huán)境中，混凝土體內(nèi)相對(duì)濕度超過(guò)85%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)膨脹，直到引起混凝土開(kāi)裂與破壞。圖3-26典型的堿-骨料反應(yīng)開(kāi)裂形式常見(jiàn)的堿—骨料反應(yīng)破壞形式堿—骨料反應(yīng)影響因素1）水泥或混凝土的含堿量；2）活性氧化硅含量；3）骨料粒徑；4）水分來(lái)源；5）環(huán)境溫度?；炷梁瑝A量的閾值6.

凍害

混凝土中大毛細(xì)孔里的水結(jié)冰時(shí)，體積大約要膨脹9%，如果體內(nèi)沒(méi)有足夠的空間容納，就會(huì)產(chǎn)生可能引起開(kāi)裂的壓力。反復(fù)的凍融循環(huán)使危害擴(kuò)大和積累，產(chǎn)生開(kāi)裂與剝落。引氣與抗凍融循環(huán)性能的關(guān)系示意圖7.抗火性

隨著溫度升高，發(fā)生以下三種變化：1）升溫時(shí)混凝土內(nèi)的水分逐漸蒸發(fā)，接著結(jié)合比較牢固的水分也逐步逸出；2）由于硬化水泥漿體和骨料熱膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生溫度應(yīng)力并導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)開(kāi)裂，這是500℃以上時(shí)強(qiáng)度迅速喪失的主要原因。石灰石和輕骨料混凝土抗火性能較優(yōu)異。

3）硬化水泥漿體的水化產(chǎn)物到接近1000℃的時(shí)候分解完畢，強(qiáng)度完全喪失。問(wèn)題：1.與普通強(qiáng)度混凝土相比，高強(qiáng)混凝土抗火性較差還是較好？為什么？2.為什么用石灰石作為骨料的混凝土抗火性能較好？3.5.3混凝土中鋼材的銹蝕混凝土中鋼材的鈍化會(huì)由于下列原因被破壞：1）混凝土中的Ca(OH)2被空氣里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去堿性；2）道路除冰鹽或海水帶進(jìn)來(lái)的氯離子的作用。

鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件破壞的幾種形式混凝土中鋼材的銹蝕SteelCorrosioninConcrete1）碳化引起的銹蝕條件：CO2、水分（相對(duì)濕度50~70%時(shí)最迅速）；2）氯化物引起的銹蝕條件：氯離子擴(kuò)散、氧與水分；與保護(hù)層厚度、水灰比、水泥用量等有關(guān)。

產(chǎn)生開(kāi)裂的時(shí)間分兩個(gè)階段:1）脫鈍介質(zhì)(酸性氧化物或氯化物)到達(dá)鋼材表面并開(kāi)始銹蝕的時(shí)間T0；

2）銹蝕到達(dá)臨界水平，即混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂的時(shí)間T1?；炷林袖摬牡匿P蝕T0：開(kāi)始銹蝕;T1：混凝土開(kāi)裂；

T0T1電沉積

氯化物對(duì)結(jié)構(gòu)物暴露于潮汐區(qū)與浪濺區(qū)混凝土的作用，在很大程度上取決暴露時(shí)間、條件和混凝土性能。保護(hù)層的厚度和性質(zhì)對(duì)盡可能地延長(zhǎng)t0很關(guān)鍵，低水灰比、水泥用量適當(dāng)與足夠地養(yǎng)護(hù)對(duì)增大t0、降低吸收與擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)?；炷林袖摬牡匿P蝕圖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）粉煤灰減小氯離子擴(kuò)散的作用

下列幾種新措施，可以在原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、保護(hù)層厚度與施工過(guò)程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善對(duì)鋼材腐蝕的防護(hù)作用：

1）在新拌混凝土里摻用阻銹劑，如亞硝酸鈣；

2）用不銹鋼作為配筋，或環(huán)氧涂層鋼筋；

3）混凝土采用涂層保護(hù)，減少氯鹽與氧的侵入；

4）對(duì)鋼筋進(jìn)行陰極保護(hù)，即外加電壓以保持鋼筋處于陰極區(qū)?；炷林袖摬匿P蝕的防護(hù)一個(gè)不透水，但存在非連續(xù)微裂縫，且多孔的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境作用（第一階段）（無(wú)可見(jiàn)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）

由于微裂縫和孔隙連通起來(lái)，不透水性逐漸喪失環(huán)境作用（第二階段）（損傷的開(kāi)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)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(kāi)裂、剝落與整體性喪失混凝土受環(huán)境作用產(chǎn)生劣化的“整體性”模型3.5.4混凝土耐久性設(shè)計(jì)

對(duì)各種處于侵蝕性環(huán)境中工作的結(jié)構(gòu)物，不僅需要考慮強(qiáng)度，還需要從耐久性角度來(lái)選擇原材料，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)和決定鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度等。聯(lián)盟橋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕耐久性設(shè)計(jì)，必須針對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)定功能和所處環(huán)境條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式、合理的構(gòu)造、抗腐蝕性與抗?jié)B性良好的優(yōu)質(zhì)混凝土。對(duì)暴露環(huán)境嚴(yán)酷或?qū)δ途眯杂懈咭蟮闹匾こ蹋伺湟云渌栏g措施，如采用高性能混凝土、混凝土表面涂層保護(hù)、環(huán)氧涂層鋼筋、混凝土中摻阻銹劑等。

海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范圖5一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的整體論方法鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的整體論觀

思考題

1.試分析實(shí)驗(yàn)室抗?jié)B透性試驗(yàn)結(jié)果良好的混凝土，澆注的水池卻很快漏水可能的原因？

2.防波堤處于水位變化區(qū)（潮差區(qū)與浪濺區(qū)）的混凝土暴露環(huán)境嚴(yán)酷，可以采用哪些措施改善其耐久性？掃描電鏡下的堿性反應(yīng)凝膠堿—骨料反應(yīng)引起混凝土的自由變形產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫MapCracking堿—骨料反應(yīng)引起的錯(cuò)位硫酸鹽侵蝕延遲生成鈣礬石(DelayedEttringiteFormation--DEF)引起混凝土劣化延遲生成鈣礬石從整體方法論看待DEF的發(fā)生溫度與干燥收縮高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)預(yù)制預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)力過(guò)大微裂縫后期硫酸鹽釋放高硫熟料石膏-玷污骨料暴露于水中雨水相對(duì)濕度大電沉積海水外設(shè)電極鋼筋混凝土表面金屬鈦網(wǎng)浸泡溶液裂縫埋設(shè)鋼筋恒電勢(shì)4Week20Week冰島一港口凍害造成D-型裂縫路面受鹽凍剝落加加引氣劑后改善高水灰比大滲透性低水灰比小滲透性大壩溢流面示意圖夾帶泥砂的水流消能坎大壩320國(guó)道湖南段，1992~93年建成一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門(mén)橋美國(guó)波士頓大學(xué)已建90年的車(chē)庫(kù)翻修后的該大學(xué)制造工程研究中心翻修前后的外墻豎向和橫向鋼筋連接夾導(dǎo)電棒陽(yáng)極網(wǎng)帶陽(yáng)極網(wǎng)帶鋼混墻體點(diǎn)焊連接鈦陽(yáng)極用塑料夾和鋼筋搭接加拿大聯(lián)盟橋(12.9km、100年設(shè)計(jì)壽命）CONFEDERATIONBRIDGECONFEDERATIONBRIDGECONFEDE-RATIONBRIDGEINCANADA延遲生成鈣礬石從整體方法論看待DEF的發(fā)生溫度與干燥收縮高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)預(yù)制預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)力過(guò)大微裂縫后期硫酸鹽釋放高硫熟料石膏-玷污骨料暴露于水中雨水相對(duì)濕度大橋隧工程混凝土劣化反應(yīng)的鑒定法國(guó)路橋試驗(yàn)中心掃描電鏡下的堿性反應(yīng)凝膠鈣礬石沉積在骨料顆粒表面降解反應(yīng)使結(jié)構(gòu)物表面呈現(xiàn)網(wǎng)狀與陶面裂縫；縫長(zhǎng)可達(dá)10~50mm、深幾厘米；干燥收縮也可能產(chǎn)生類(lèi)似的裂縫水分進(jìn)入，使裂縫邊緣清晰橋塔支柱上的縱向裂縫梁上的縱向裂縫§3.4混凝土的體積穩(wěn)定性

3.4.1變形的類(lèi)型1.荷載作用下產(chǎn)生彈性與非彈性變形2.非荷載作用下產(chǎn)生收縮與膨脹變形3.應(yīng)力作用下產(chǎn)生徐變混凝土的收縮、膨脹與徐變變形3.4.3溫度收縮與熱膨脹3.4.4干燥收縮與徐變3.4.5自身收縮3.4.6碳化收縮溫度收縮/

干燥收縮

大體積混凝土

/大比面積混凝土

由于近些年來(lái)各種基礎(chǔ)設(shè)施向大型化、高強(qiáng)度、快速施工發(fā)展，混凝土澆注后產(chǎn)生的溫升大、溫峰高、強(qiáng)度發(fā)展快、彈性模量上升迅速、延伸性減小，因此而引起結(jié)構(gòu)物開(kāi)