混凝土材料的耐久性建筑材料

混凝土材料的耐久性建筑材料2024/3/11混凝土材料的耐久性建筑材料建筑材料的耐久性材料的耐久性——在長(zhǎng)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(zhǎng)期維持其所需性能的能力?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧蠁栴}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。混凝土材料的耐久性建筑材料

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(zhǎng)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)期的混凝土混凝土材料的耐久性建筑材料羅馬萬神殿ThePantheonRome混凝土材料的耐久性建筑材料在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。

混凝土材料的耐久性建筑材料

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.混凝土材料的耐久性建筑材料劣化現(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.混凝土材料的耐久性建筑材料發(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(zhǎng)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。

混凝土材料的耐久性建筑材料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?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?.混凝土的滲透性

PermeabilityofConcrete混凝土是一種多孔的物質(zhì)。流體可以沿著混凝土內(nèi)部連通的孔隙滲透?；炷林辛黧w的滲透能力稱為混凝土的滲透性。通常測(cè)定混凝土抵抗流體滲透的能力，稱為混凝土的抗?jié)B性?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?/p>

最初幾周，硬化水泥漿體的滲透性下降數(shù)個(gè)量級(jí)混凝土材料的耐久性建筑材料圖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)域混凝土材料的耐久性建筑材料

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Permeabilityanddurability混凝土材料的耐久性建筑材料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)散過程，傳輸速率由費(fèi)克（Fick)定律求得?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧鲜街?P為X方向物體單位面積上的傳輸速率；為濃度梯度，

D為擴(kuò)散系數(shù)，量綱為m2/s。與滲透系數(shù)K類似，D取決于混凝土的孔結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散介質(zhì)兩方面。Fick定律：混凝土材料的耐久性建筑材料3.混凝土的吸水性Sorptivityofconcrete

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?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧戏啦ǖ袒炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?.5.2混凝土的劣化(Degradationofconcrete)

分為兩大類：第一類，由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透或擴(kuò)散進(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，是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機(jī)理?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?.表面損耗造成的劣化(Deteriorationbysurfacewear)

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稱為空蝕（也稱氣蝕）的作用。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。混凝土材料的耐久性建筑材料

2.

鹽結(jié)晶引起開裂（Crackingbycrystallizationofsaltinpores)

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程產(chǎn)生的壓力引起開裂。鹽結(jié)晶只能發(fā)生在一定溫度下溶質(zhì)的濃度超過飽和濃度的時(shí)候。過飽和度越大，結(jié)晶壓越大。例如巖鹽NaCl在過飽和度=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裂?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧消}結(jié)晶引起開裂因含鹽地下水通過毛細(xì)作用上升在混凝土電線桿內(nèi)部產(chǎn)生膨脹而開裂采用含鹽砂的混凝土路面因膨脹而在預(yù)留的脹縫處被擠碎混凝土材料的耐久性建筑材料3.硫酸鹽與海水的腐蝕Attackbysulphatesandseawater

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

混凝土材料的耐久性建筑材料產(chǎn)生硫酸鹽腐蝕的三個(gè)條件體系中存在硫酸鹽（內(nèi)部存在或外部侵入）；足夠的水分；預(yù)先存在的空隙?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧纤岣g

Acidattack

由于混凝土中硬化水泥漿體呈高堿性，沒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。混凝土材料的耐久性建筑材料堿-骨料反應(yīng)(AAR)Alkali-AggregateReaction

最常見、最重要的AAR是堿—硅反應(yīng)（簡(jiǎn)稱ASR），它是骨料中所含的無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85%時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)膨脹，直到引起混凝土開裂與破壞。混凝土材料的耐久性建筑材料圖3-26典型的堿-骨料反應(yīng)開裂形式常見的堿—骨料反應(yīng)破壞形式Typicalcrackingpatternsresultingfromalkalisilicareaction混凝土材料的耐久性建筑材料堿—骨料反應(yīng)影響因素Factorsinfluencingtheamountandrateofreaction1）水泥或混凝土的含堿量；2）活性氧化硅含量；3）骨料粒徑；4）水分來源；5）環(huán)境溫度。混凝土材料的耐久性建筑材料混凝土含堿量的閾值混凝土材料的耐久性建筑材料堿－骨料破壞性膨脹從整體方法論看待堿－骨料反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展混凝土勻質(zhì)性差溫度與干燥收縮預(yù)制預(yù)應(yīng)力構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力過大微裂縫發(fā)生堿－骨料反應(yīng)高堿水泥骨料有堿活性水分來源充分臨水結(jié)構(gòu)相對(duì)濕度大混凝土材料的耐久性建筑材料6.

凍害

(Frostdamage)

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)沒有足夠的空間容納，就會(huì)產(chǎn)生可能引起開裂的壓力。反復(fù)的凍融循環(huán)使危害擴(kuò)大和積累，產(chǎn)生開裂與剝落。混凝土材料的耐久性建筑材料混凝土材料的耐久性建筑材料引氣與抗凍融循環(huán)性能的關(guān)系示意圖混凝土材料的耐久性建筑材料混凝土受熱，發(fā)生以下三種變化：1）升溫時(shí)混凝土內(nèi)毛細(xì)孔內(nèi)的水分逐漸蒸發(fā)，接著水化產(chǎn)物分解，其中結(jié)合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)致過渡區(qū)開裂，這是500℃以上時(shí)強(qiáng)度迅速喪失的主要原因。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。7.抗火性（fireresistance）混凝土材料的耐久性建筑材料問題：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.為什么用輕骨料的混凝土抗火性能較好？高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部孔隙率低。當(dāng)混凝土受熱后，水化產(chǎn)物分解，產(chǎn)生的水蒸氣不能及時(shí)排出，在內(nèi)部形成大的壓力，可導(dǎo)致混凝土爆裂?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?.5.3混凝土中鋼材的銹蝕影響結(jié)構(gòu)物壽命的第一大因素?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧显诨炷羶?nèi)部的堿性環(huán)境（pH＞13）中，鋼材表面生成一層致密的鈍化膜，保護(hù)鋼材不被銹蝕。混凝土材料的耐久性建筑材料混凝土中鋼材的鈍化膜由于下列原因而被破壞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（pH＜9）而失去堿性；2）海水或道面撒除冰鹽所引入的氯離子的作用?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧箱摻钿P蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件破壞的幾種形式混凝土材料的耐久性建筑材料混凝土中鋼材的銹蝕CorrosionofSteelinConcrete1）碳化引起的銹蝕（均勻腐蝕）條件：CO2、水分（相對(duì)濕度50~70%時(shí)最迅速）微電池腐蝕2）氯化物引起的銹蝕（點(diǎn)蝕）條件：氯離子擴(kuò)散速度、氧與水分；與保護(hù)層厚度、水灰比、水泥用量等有關(guān)。宏電池腐蝕

混凝土材料的耐久性建筑材料T0：開始銹蝕;T1：混凝土開裂；

T0T11）脫鈍介質(zhì)(酸性氧化物或氯化物)到達(dá)鋼材表面并開始銹蝕的時(shí)間T0產(chǎn)生開裂的時(shí)間分兩個(gè)階段2）銹蝕到達(dá)臨界水平，即混凝土出現(xiàn)開裂的時(shí)間T1混凝土材料的耐久性建筑材料鋼筋混凝土的使用壽命對(duì)于重要結(jié)構(gòu)物，常用t0作為設(shè)計(jì)壽命；對(duì)于一般結(jié)構(gòu)物，可用t1作為設(shè)計(jì)壽命，但應(yīng)有定期的維護(hù)制度?；炷敛牧系哪途眯越ㄖ牧?/p>

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、適當(dāng)?shù)乃嘤昧颗c足夠的養(yǎng)護(hù)對(duì)增大t0、降低吸收與擴(kuò)散系數(shù)有利?；炷林袖摬牡匿P蝕CorrosionofSteelinConcrete混凝土材料的耐久性建筑材料

下列幾種措施，可以在原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、保護(hù)層厚度與施工過程的優(yōu)化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善對(duì)鋼材的防護(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，或用環(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)DefendthecorrosionofSteelinConcrete混凝土材料的耐久性建筑材料選擇改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的措施，要考慮到性能與費(fèi)用兩方面。下面列出許多防護(hù)和延緩混凝土因鋼筋銹蝕引起劣化的措施及費(fèi)用增加比例（以增加一次投資的百分?jǐn)?shù)表示）：1)摻用粉煤灰和礦渣，減少水泥用量（0%）2)預(yù)冷混凝土拌合物（3%）3)用硅灰和高效減水劑（5%）4)增大保護(hù)層厚度15mm（4%）5)摻加阻銹劑（8%）6)采用環(huán)氧涂層鋼筋（8%）7)外表涂刷涂層（20%）8)陰極保護(hù)（30%）混凝土材料的耐久性建筑材料圖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Theeffectofflyashonreducingdiffusionrateofchlorideion混凝土材料的耐久性建筑材料素混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化Deteriorationofplainandreinforcedconcretestructures一、表面損耗造成的劣化：磨耗、沖磨、空蝕二、由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透或擴(kuò)散進(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）和物理的（凍融、鹽結(jié)晶等）。混凝土材料的耐久性建筑材料一個(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)

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）混凝土受環(huán)境作用產(chǎn)生劣化的“整體性”模型混凝土材料的耐久性建筑材料圖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

混凝土材料的耐久性建筑材料耐久性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)鋼筋銹蝕預(yù)應(yīng)力鋼筋－開始銹蝕普通鋼筋－混凝土表面銹痕，順筋開裂（0.1mm,---,1mm）保護(hù)層剝落混凝土腐蝕

輕微，不影響混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)混凝土材料的耐久性建筑材料

耐久性設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)方法指數(shù)(評(píng)分)法

因子法

基于材料劣化模型的計(jì)算方法

混凝土材料的耐久性建筑材料

傳統(tǒng)方法

Deem-to-satisfyMethod針對(duì)不同環(huán)境類別和環(huán)境作用等級(jí)，對(duì)混凝土材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造規(guī)定不同要求。（回避使用壽命要求）混凝土原材料（水泥、摻合料、外加劑、－－）混凝土配合比（最大水膠比、最低膠凝材料用量－－）混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)，抗凍等級(jí)，－－－結(jié)構(gòu)構(gòu)造（保護(hù)層最小厚度，－－－）

改進(jìn)趨向――細(xì)化環(huán)境類別及其作用等級(jí)提出不同使用年限的不同要求混凝土材料的耐久性建筑材料指數(shù)（評(píng)分）法IndexMethod日本土木工程學(xué)會(huì)1990年提出

環(huán)境指數(shù)S≤耐久性指數(shù)R

S＝S0＋∑SiS0——正常環(huán)境指數(shù)（50年設(shè)計(jì)壽命取100）