工程結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理

工程結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理及危害研究1前言建筑物特別是在長期使用過程中，在內(nèi)部的或外部的，人為的或自然的因素作用下，隨著時間的推移，將會造成混凝土結(jié)構(gòu)的損傷。這是一個不可逆的過程，這種損傷的累積將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化，承載力下降耐久性能降低。由于耐久性不足而造成的結(jié)構(gòu)破壞事故經(jīng)常發(fā)生。世界上許多國家每年都要斥巨資用于修復(fù)由于混凝土結(jié)構(gòu)損傷而引起破壞的建筑物。由于混凝土的耐久性造成的結(jié)構(gòu)破壞是嚴(yán)重的，帶來的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視。2引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的損傷機(jī)理混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性損傷是指結(jié)構(gòu)性能隨時間的劣化現(xiàn)象。而混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理可以分為以下幾種：混凝土的鋼筋腐銹蝕、混凝土的碳化即混凝土的中性化。混凝土的碳化機(jī)理混凝土的碳化是指水泥石中的水化產(chǎn)物與環(huán)境的二氧化碳作用，主要是指混凝土中的氫氧化鈣成分(Ca(OH))與二氧化碳(CO)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時，CO也與未水化的C等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣和其他物質(zhì)的現(xiàn)象，這是一個及其復(fù)雜的多相物理化學(xué)過程，拌和混凝土?xí)r，硅酸鹽水泥的主要成分 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，使孔隙液成為飽和堿性溶液外大部分以結(jié)晶狀態(tài)存在，成為孔隙液保持高堿性的儲備，它的 PH值為12.5~13.5?？諝庵械腃O2氣體不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細(xì)孔，氣相擴(kuò)散到混凝土中部分充水的毛細(xì)孔中，與其中的孔隙液所溶解的Ca(OH)2進(jìn)行中和反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物為CaCO3和H2O,CaCO3溶解度低，沉積于毛細(xì)孔中。該反應(yīng)式為：Ca(OH)2.CO2—CaCO3jH2O反應(yīng)后，毛細(xì)孔周圍水泥石中的羥鈣石補(bǔ)充溶解為Ca2和OH-，反向擴(kuò)散到孔隙液中，與繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)來的CO2反應(yīng)，一直到孔隙液的PH值降為8.5~9.0時，這層混凝土的毛細(xì)孔中才不再進(jìn)行這種中和反應(yīng)，此時即所謂“已碳化”。確切地說，碳化應(yīng)稱為碳酸鹽化。另外，凡是能與Ca(OH)2進(jìn)行中和反應(yīng)的一切酸性氣體，如SO2、SO3、H2S或HCI等，均能進(jìn)行上述中和反應(yīng)，使混凝土堿度降低，故混凝土碳化應(yīng)廣義地稱為“中性化”?；炷帘韺犹蓟?，大氣中的CO2繼續(xù)沿混凝土中未完全充水的毛細(xì)孔道向混凝土深處氣相擴(kuò)散，更深入地進(jìn)行碳化反應(yīng)。碳化后的混凝土的特點是混凝土質(zhì)地疏松，強(qiáng)度降低?；炷林械匿摻罡g機(jī)理混凝土中水泥水化后會在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，因此，在正常情況下鋼筋不會銹蝕，但鈍化膜一旦遭到破壞，在有足夠的水和氧氣的條件下會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。在混凝土的孔隙中是堿度很高的Ca(OH)飽和溶液，PH值在12.5左右。同時Ca于混凝土中還含有少量的NaO,K.O等氧化物，實際的PH值可能會超過13.在這樣的堿性環(huán)境中，鋼筋表面形成了一層水化氧化物，可以保護(hù)鋼筋不被銹蝕，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，使鋼筋位置的PH值降低，鋼筋表面鈍化膜的作用被破壞，從而在一定的環(huán)境條件下(如氧和水的存在)，鋼筋開始銹蝕。造成鋼筋銹蝕的另一個主要原因是由于Cl-的侵入，當(dāng)鋼筋表面的混凝土孔溶液中的游離Cl-濃度超過一定值時，即使在堿度較高，PH值較大的時候，Cl-也能破壞鈍化膜，從而使鋼筋發(fā)生銹蝕，這就是鋼筋銹蝕機(jī)理。3影響混凝土中的鋼筋銹蝕的因素溫、濕度對鋼筋的影響相對濕度對混凝土中鋼筋銹蝕有雙重作用：一方面影響混凝土中的氧氣的擴(kuò)散速度；另一方面則影響混凝土的電導(dǎo)率。因此，存在一個鋼筋銹蝕速度最快的相對濕度。濕度不僅直接影響鋼筋的電化學(xué)銹蝕速度，而且還影響了混凝土的碳化，而混凝土的碳化則間接地影響了鋼筋的銹蝕，混凝土的濕度大時，其自由含水量高，對空氣的滲透性低，碳化慢，對鋼筋的影響也小。根據(jù)山東省建筑科學(xué)研究院地實際調(diào)查和試驗分析，蘭州與北京、濟(jì)南還有武漢與杭州等地區(qū)實際調(diào)查表明了，在干燥的環(huán)境下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅碳化速度慢，即使碳化達(dá)到鋼筋表面，鋼筋也可能不發(fā)生銹蝕；但當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于濕度較大的環(huán)境下，尤其是處于干濕交替的環(huán)境或漏雨，滲水的部位，鋼筋銹蝕速度一般比較快。混凝土保護(hù)厚度及密實度對鋼筋銹蝕的影響混凝土保護(hù)層是影響鋼筋銹蝕的一個重要因素。在相同的環(huán)境下，保護(hù)層越厚，保護(hù)層完全碳化的時間越長，鋼筋銹蝕的程度越輕。根據(jù)實驗結(jié)果分析，保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕的影響系數(shù)為?a=1.48-0.25*a?a為鋼筋銹蝕厚度影響系數(shù)，a為混凝土保護(hù)層厚度（mm）;從式中可以看到，保護(hù)層對鋼筋銹蝕的影響呈線性關(guān)系，同時，鋼筋保護(hù)層除了有延長鋼筋開始銹蝕的時間外，還有提高混凝土鋼筋銹蝕引起混凝土開裂的能力。而混凝土的密實度則是擁有阻止外界腐蝕介質(zhì)，氧氣及水分等滲入的作用，能有效地防止鋼筋的銹蝕。3.3混凝土液相PH值對鋼筋銹蝕的影響混凝土中鋼筋表面鈍化膜的穩(wěn)定性主要取決于周圍混凝土的 PH值，因此，鋼筋銹蝕速度與混凝土液相得PH值有密切的關(guān)系。當(dāng)PH值〉10時，鋼筋的銹蝕速度很小，而PH值V4時，則銹蝕速度急劇增加。有研究表明，鋼筋銹蝕是從 PH=11.8時開始的，那時的鋼筋鈍化膜已不穩(wěn)定并且開始逐步破壞， 使鋼筋產(chǎn)生了銹蝕。由于混凝土碳化后PH值降低，碳化深度增加，鋼筋的銹蝕率也相應(yīng)增加，國內(nèi)外的很多學(xué)者因此進(jìn)行了大量的研究。我國建研院混凝土研究所以快速碳化試驗法對200組不同水泥用量不同水灰比的普通混凝土及輕骨混凝土進(jìn)行試驗， 最后，研究工作證明，鋼筋的銹蝕與混凝土的抗碳化能力有明顯的函數(shù)關(guān)系。3.4裂縫對鋼筋銹蝕的影響混凝土的高堿性是保護(hù)鋼筋的必要條件， 而水泥水化產(chǎn)物中，最具活性，最不穩(wěn)定的就是以氫氧化鈣為主的“堿”（氫氧化鈉，氫氧化鉀含量少）。在與空氣、水接觸時會起化學(xué)反應(yīng)，也可隨水二流失。混凝土“堿”的損失速度取決于混凝土內(nèi)的堿含量、環(huán)境介質(zhì)等。而混凝土的高堿性使鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜， 使其處于鈍化狀態(tài)，對鋼筋形成保護(hù)。但是，如果在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫，那便為周圍介質(zhì)的入侵提供了條件，可能導(dǎo)致鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕的發(fā)生。3.5氯鹽對鋼筋銹蝕的影響混凝土中ci-含量對鋼筋銹蝕影響極大。ci-可能是隨著混凝土組成的成分（水泥、砂或外加劑）進(jìn)入混凝土的，也可能是混凝土硬化后經(jīng)空隙進(jìn)入的。有許多學(xué)者認(rèn)為，由混凝土組成材料帶入混凝土的有限氯鹽不會引起鋼筋銹蝕， 因為這些有限的含量的氯鹽能與水泥中的鋁酸鹽結(jié)合成難溶于水的氯鋁酸鹽及水化鐵氯鹽， 而不會以游離的Cl-存在，由外界經(jīng)混凝土自身孔隙滲入的氯鹽比摻入的氯鹽危害更大。因為摻入的氯鹽僅有極少量可參與化合反應(yīng)生成難溶的化合物。當(dāng)外界滲入的氯鹽量達(dá)到混凝土重的0.1%~0.2%時，即能引起鋼筋銹蝕的情況。Cl-含量對鋼筋銹蝕影響還與混凝土是否碳化、PH值的大小有關(guān)。當(dāng)混凝土PH值降低時，氯化物含量很低也有可能造成鋼筋銹蝕的情況。而一般情況是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的氯鹽摻量應(yīng)少于水泥重量的1%（按無水狀態(tài)算），而且摻氯鹽的混凝土必須振搗密實，且不宜蒸汽養(yǎng)護(hù)。4影響混凝土碳化的因素水泥用量對混凝土碳化的影響水泥用量直接影響商品混凝土吸收CO2的量，商品混凝土吸收CO2的量等于水泥用量與商品混凝土水化程度的乘積。另外，增加水泥用量一方面可以改變商品混凝土的和易性，提高商品混凝土的密實性；另一方面還可以增加商品混凝土的堿性儲備。因此，水泥用量越大，商品混凝土強(qiáng)度越高，其碳化速度越慢。水泥品種對混凝土碳化的影響水泥品種不同意味著其中所包含的塑料的化學(xué)成分和礦物成分以及水泥混合材料的品種和摻量有別，直接影響著水泥的活性和商品混凝土的堿性，對碳化速度有重要影響。在同一試驗條件下砂漿的碳化速度大小順序為，高爐礦渣水泥（BFC）>普通硅酸鹽水泥（OPC）>早強(qiáng)水泥（HEC）。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，高鋁水泥商品混凝土的碳化規(guī)律同普通硅酸鹽水泥商品混凝土的碳化規(guī)律基本相似。水灰比對混凝土碳化的影響商品混凝土的水灰比和強(qiáng)度是兩個密切相關(guān)的概念。商品混凝土的水灰比越低，其強(qiáng)度越高，商品混凝土的密實程度也越高；反之亦然。由于商品混凝土的碳化是CO2向商品混凝土內(nèi)擴(kuò)散的過程，商品混凝土的密實程度越高，擴(kuò)散的阻力越大。商品混凝土碳化的深度受單位體積的水泥用量或水泥石中的Ca（OH）2含量的影響。水灰比越大，單位水泥用量越小，商品混凝土單位體積內(nèi)的Ca（OH）2含量也就越少，碳化速度越快。在商品混凝土拌和過程中，水占據(jù)一定的空間，即使振搗比較密實，隨著商品混凝土的凝固，水占據(jù)的空間也會變成微孔或毛細(xì)管等。因此水灰比對商品混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)影響極大，控制著商品混凝土的滲透性。在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，商品混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，碳化速度增大。4.4商品混凝土抗壓強(qiáng)度對混凝土碳化的影響商品混凝土抗壓強(qiáng)度是商品混凝土基本性能指標(biāo)之一，也是衡量商品混凝土品質(zhì)的綜合性參數(shù)，它與商品混凝土的水灰比有非常密切的關(guān)系，并在—定程度上反映了水泥品種、水泥用量與水泥強(qiáng)度，骨料品種摻和劑，以及施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)方法等對商品混凝土品質(zhì)的共同影響。據(jù)有關(guān)資料表明，商品混凝土強(qiáng)度高，抗碳能力強(qiáng)。4.5集料品種和級配對混凝土碳化的影響集料的品種和級配不同，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，直接影響著商品混凝土的密實性。試驗說明，普通商品混凝土的抗碳化性能最好，在同等條件下其碳化速度約為輕砂天然輕骨科商品混凝土的0.56倍。4.6施工質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)方法對碳化的影響施工質(zhì)量差表現(xiàn)為振搗不密實，養(yǎng)護(hù)不善，造成商品混凝土密實低，烽窩麻面多，為大氣中的二氧化碳、氧和水分的滲入創(chuàng)造了條件，加速了商品混凝土的碳化速度。除此之外，商品混凝土養(yǎng)護(hù)狀況對碳化也有一定影響。商品混凝土早期養(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，使表層商品混凝土滲透性增大，碳化加快。施工中常用自然和蒸汽養(yǎng)護(hù)法。試驗表明，普通商品混凝土采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的碳化速度比自然養(yǎng)護(hù)提高1.5倍。光照和溫度對混凝土碳化的影響商品混凝土碳化與光照和溫度有直接關(guān)系。隨著溫度提高，CO2在空氣中的擴(kuò)散逐漸增大，為其與Ca(OH)2反應(yīng)提供了有利條件。陽光的直射，加速了其化學(xué)反應(yīng)，碳化速度加快。相對濕度對混凝土碳化的影響CO2溶于水后形成H2CO3方能和Ca(OH)2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以非常干燥時，商品混凝土碳化無法進(jìn)行，但由于商品混凝土的碳化本身既是一個釋放水的過程，環(huán)境相對濕度過大，生成的水無法釋放也會抑制碳化進(jìn)一步進(jìn)行。試驗結(jié)果表明，相對濕度在50%?70%之間時，商品混凝土碳化速度最快。CO2的濃度對混凝土碳化的影響對于CO2的影響，學(xué)者們提出了多達(dá)幾十種觀點，其理論模式大多數(shù)基于菲克(Fick)第一擴(kuò)散(滲透)定律，即：x=2Dqcat(1)其中，x為碳化系數(shù)，D為CO2滲透系數(shù)；qc為空氣中CO2濃度；a為單位體積商品混凝土吸收CO2能力的系數(shù)。(1)式表明CO2濃度越高，碳化速度越快。鋼筋混凝土的防護(hù)措施混凝土表面涂覆防護(hù)措施混凝土表面涂層措施是在混凝土表面涂覆一層涂料，形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲人混凝土，以延緩鋼筋銹蝕；還有表面涂覆浸入型涂料，這是一種粘度很低的有機(jī)硅化物液體，將它涂或噴于風(fēng)干的混凝土表面上，靠毛細(xì)孔的表面張力作用吸入深約數(shù)毫米的混凝土表層中，它與孔壁的氫氧化鈣反應(yīng)，以非極性基是毛細(xì)孔憎水化或者填充部分細(xì)孔，使孔細(xì)化。它不能在混凝土表面上成膜，不會形成隔離層，也不能充滿混凝土毛細(xì)孔隙，所以，不會影響混凝土透氣性，秀水蒸汽性，但是它卻能顯著降低混凝土的吸水性，使水和只能溶解于水中才能被毛細(xì)管吸收作用吸進(jìn)去的氯化物都難以吸進(jìn)混凝土中，而混凝土中的水分卻可以化為水蒸氣自由蒸發(fā)出去，使混凝土保持干燥，從而顯著地提高混凝土的護(hù)筋性。使用鋼筋阻銹劑混凝土拌合物中滲人適量阻銹劑，可阻止或延緩金屬和電解質(zhì)界面的電化學(xué)反應(yīng)，從而阻止金屬腐蝕是預(yù)防惡劣環(huán)境中鋼筋銹蝕的一種有效的補(bǔ)充措施。但是，它不能代替優(yōu)質(zhì)混凝土，也就是說摻加阻銹劑不能降低對混凝土保護(hù)層的基本要求。按照作用機(jī)理，鋼筋阻銹劑可分為陽極型，陰極型和混合型三種，。加入鋼筋阻銹劑既推遲了鋼筋開始銹蝕的時間，又減緩了鋼筋銹蝕發(fā)展的速度。陰極保護(hù)陰極保護(hù)技術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)原理，通過給保護(hù)鋼筋加一負(fù)向電流，使它的電極電位互移，即使鋼筋表面氯離子已達(dá)到或超過使鋼筋脫頓的臨界值，由于電化學(xué)腐蝕過程得到有效的抑制而使鋼筋不會發(fā)生銹蝕?；炷撂蓟姆雷o(hù)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內(nèi)在措施。提高配合比，我們可以從水灰比、水泥品種、骨料、外加劑這幾個方面考慮。（1）水灰比的控制。水灰比是決定混凝土性能的重要參數(shù)，對混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)影響極大，控制著混凝土的滲透性。水灰比的大小決定了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，水灰比越大，混凝土內(nèi)部的孔隙率就越大。碳化速度加大。因此，在滿足設(shè)計條件下，可通過減小水灰比來提高結(jié)構(gòu)抗碳化能力。（2）水泥品種及用量的選擇。首先，不同品種的水泥，其主要礦物成分、摻合料品種及其摻量不同，其水化物的堿性物質(zhì)含量存在較大的差異，尤其是 CaO的含量直接影響混凝土水化物中氫氧化鈣的含量。水泥中CaO含量高，混凝土中氫氧化鈣的含量高，吸收二氧化碳能力越大，故對混凝土碳化速度有很大的影響。其次，增加水泥用量，一方面可以改變混凝土的和易性，提高混凝土的密實度；另一方面可以增加混凝土的堿性儲備，直接影響混凝土吸收二氧化碳的量。在工程施工中，應(yīng)根據(jù)工程抗碳化能力的設(shè)計要求、環(huán)境要求、經(jīng)濟(jì)要求等各方面因素，宜優(yōu)先選用抗碳化能力較強(qiáng)的水泥品種用于混凝土結(jié)構(gòu)施工，如：快硬快早強(qiáng)硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥等。（3）選擇優(yōu)良的骨料。骨料的品種不同，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差別很大，直接影響混凝土的密實性。在混凝土強(qiáng)度相同的情況下，普通混凝土的抗碳化性能最好，在同等條件下其碳化速度約為輕砂天然骨料混凝土的0.56倍。（4）依據(jù)條件要求選擇外加劑。不同品種的外加劑對混凝土的抗碳化能力有不同作用。一般情況下減水劑能降低水灰比，增加混凝土的抗碳化能力；引氣劑能增加混凝土的孔隙含量，導(dǎo)致加快碳化速度。如羥基羧酸鹽復(fù)合性高性能減水劑能提高抗碳化能力。（5）表面覆蓋防護(hù)。表面覆蓋防護(hù)對提高抗碳化能力有一定的效果，比如用瀝青、瀝青防水涂料、馬賽克和瓷磚覆蓋，對延遲碳化有比較明顯的效果。為延緩混凝土結(jié)構(gòu)碳化，我們可以在混凝土結(jié)構(gòu)覆蓋有機(jī)涂料。6.2施工過程防護(hù)措施施工過程防護(hù)措施施工質(zhì)量差表現(xiàn)為表面不平，蜂窩麻面多，振搗不密實，養(yǎng)護(hù)不善，造成混凝土密實度低，從而使大氣中的二氧化碳和水分滲入混凝土結(jié)構(gòu)中，加速了混凝土的碳化速度。為防止有害氣體進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中，我們可以采取以下措施來提高混凝土的抗碳化性：(1)改善混凝土的使用環(huán)境條件，混凝土的碳化速度與其所處環(huán)境中的二氧化碳的濃度成比例關(guān)系，因此，在允許的條件下，適當(dāng)?shù)脑龃笫褂铆h(huán)境的濕度、減少二氧化碳的含量，是延緩混凝土碳化的一項有效措施。(2)混凝土澆筑過程中，振搗密實，嚴(yán)格控制混凝土的水灰比，坍落度。務(wù)必符合設(shè)計規(guī)范要求；施工選擇模板應(yīng)盡可能選擇鋼材、膠合板等不易變形的