钢筋混凝土结构损伤机理.ppt

土建学院防灾科学与安全技术研究所 李耀庄 2656625，,结构损伤鉴定与诊断,第三章 钢混凝土结构损伤机理,主要内容 3.1 混凝土中钢筋的锈蚀； 3.2 混凝土的碳化； 3.3 混凝土的腐蚀； 3.4 混凝土的冻融破坏；,3.1 混凝土中钢筋的锈蚀,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,（1）钢筋电化学腐蚀机理,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,（1）钢筋电化学腐蚀机理,普通硅酸盐水泥密实未碳化混凝土的PH值为13，无CI-存在，形成钝化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止钢筋锈蚀。如钝化膜破坏(在PH11.5将不能稳定存在)，在有水和氧气存在时，产生腐蚀电池反应,阳极,阴极,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,红铁锈,进一步氧化形成疏松易剥落的沉积物铁锈Fe2O3.Fe3O4.H2O,铁锈体积比铁增加24倍，将保护层胀开造成钢筋外露。,褐锈,（1）钢筋电化学腐蚀机理,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,腐蚀电池存在是腐蚀发生的必要条件，而腐蚀发展动力和速度与电极之间的电流速度有关。,阳极控制：砼高碱度在钢筋表面形成钝化膜阻止铁离子化 阴极控制：氧气不足或缺乏可阻止阴极反应 电阻控制：干燥环境、砼密实，存在涂覆层，电阻大,（2）钢筋电化学腐蚀的动力和速度,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素外在因素,3.1.1 钢筋电化学锈蚀,（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素内在因素,知识点：氯离子锈蚀机理,混凝土,钢筋,阳极表面,阴极表面,氯离子易渗入钝化膜，形成易溶绿锈，绿锈向砼孔隙液中迁徙，分解为褐锈，褐锈沉积于阳极区，同时释放氯离子和氢离子，回到阳极区，使阳极区附近孔隙液局部酸化，带出更多铁离子。氯离子不构成最终锈蚀产物，也不消耗，但促进锈蚀，起到催化作用。,绿锈,褐锈,3.1.2 钢筋的化学锈蚀,钢筋与酸、碱、盐等发生化学反应，形成锈蚀,钢筋在稀碱溶液中形成钝化膜，在高碱和高温下则产生碱裂或碱脆化的溶解腐蚀,3.1.3 钢筋的应力锈蚀,钢筋的应力腐蚀是电化学腐蚀和高应力复合作用结果。当钢筋中存在较高拉应力时电化学方面比低应力时活跃得多。如果因氯离子侵蚀形成蚀坑，则会形成明显应力集中。对于低韧性高强度钢筋而言，应力集中很难通过塑性变形消除，从而形成微裂缝，可能突然断裂而发生脆性破坏。没有任何征兆，一般发生在预应力混凝土构件中，破坏后果很严重。,钢筋锈蚀将引起混凝土与钢筋粘结性能的退化,3.2 混凝土的碳化,砼结构周围介质存在酸性物质，渗入混凝土内与水泥石中的碱性物质发生反应的过程叫做中性化。混凝土碳化是中性化最常见的形式，是CO2与混凝土中碱性物质相互作用的一种复杂物理化学过程。混凝土碳化将导致混凝土碱度降低，破坏钢筋钝化膜，同时加剧砼混凝土的收缩，导致收缩裂缝产生和加大。,3.2.1 混凝土碳化机理,混凝土碳化的化学反应(空气中CO2含量低，碳化过程缓慢),混凝土碳化速度取决于 化学反应速度(取决于CO2含量和可碳化物的含量) CO2向砼扩散速度(取决于CO2和酸性物质浓度、孔隙结构) Ca(OH)2扩散速度(取决于混凝土含水率和Ca(OH)2浓度),上述三个过程均与砼含水量、周围介质相对湿度、温度有关,3.2.2 混凝土碳化深度公式,混凝土碳化后体积增加17%，混凝土中孔隙率和透气性降低，表面硬度增加。由于混凝土碳化降低混凝土碱度，特别是混凝土保护层碱度，减弱对内部钢筋的保护作用，最终导致钢筋锈蚀。混凝土碳化是导致混凝土耐久性降低的主要原因。混凝土碳化导致孔隙部分被堵塞，此外随着龄期增加，混凝土水化作用不断增强，砼孔隙率降低，混凝土碳化速度降低。,3.2.3 混凝土碳化影响因素,水泥品种（普通水泥比矿渣水泥和火山灰水泥等好）,混凝土碳化影响因素,水泥用量（大好改善和易性、提高密实性、增加碱性）,粉煤灰（小好与Ca(OH)2结合，降低碱度）,水灰比（小好降低孔隙率和渗透性、增加密实性）,集料品种影响(普通集料如火成岩等和人造集料如粉煤灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好),养护方法影响(标养和蒸养比普通养护差）,3.2.4 混凝土碳化深度合格性指标,目前无统一标准，普遍观点：混凝土碳化深度到达保护层厚度定为安全使用期，即在正常大气条件下，50年内混凝土碳化深度不允许超过混凝土保护层厚度。,3.2.5 混凝土碳化深度计算,普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ8385），首次提出混凝土在CO2体积分数为20、标准养护28天时快速碳化的多系数方程如下：,（1）水泥用量影响系数,水泥用量影响系数,轻集料混凝土,普通混凝土,每立方米混凝土的水泥用量（kg）,与水泥用量成反比，水泥用量越大，则 越小，混凝土的抗裂性能越好。水泥用量的增加可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性，增加混凝土的碱性储备量，使其抗碳化性能得以增强。,（2）水水灰比影响系数,水灰比影响系数,轻集料混凝土,普通混凝土,水灰比对混凝土碳化影响呈明显的线性关系。水灰比越大，则 水灰比影响系数越大，混凝土内部孔隙率越大，密实性越差，渗透性越差，碳化速度越快。为了配制抗碳化性能较好的混凝土，应尽可能降低混凝土的水灰比。,（3）粉煤灰取代影响系数,粉煤灰影响系数,轻集料混凝土,普通混凝土,粉煤灰等量取代水泥的质量分数（），例如取代水泥的质量分数为10，则F=10。,粉煤灰具有一定的活性，掺用一定的粉煤灰，可节约水泥、降低大体积砼水化热、改善泵送砼性能。但它和水泥水化后的氢氧化钙相结合，使水泥碱度降低，从而削弱混凝土的抗碳化性能。在一般工艺条件下，其最大取代量不宜超过水泥质量的20，否则 增加太快。,（4）水泥品种影响系数,水泥品种影响系数,普通硅酸盐水泥配制的砼比混合材含量较高的同标号矿渣水泥和火山灰是你配制的同有较好的抗碳化性能。水泥中活性混合材含量越高，越易与水泥水化产物氢氧化钙反应，降低碱度，影响碳化性能。为提高抗碳化性能，应选用不含混合材的硅酸盐水泥或少含混合材的普通硅酸盐水泥。,（5）集料品种影响系数,集料品种影响系数,普通集料结构致密，吸水率小。天然集料结构多孔，吸水率较大。人造轻集料孔隙率较小，且多为圆形封闭孔，吸水率较小。,注：影响系数为表中粗细集料的乘积,（6）养护方法影响系数,养护方法影响系数,标准养护：温度203，相对湿度不小于90 蒸汽养护：静庭4h，升温3h，恒温最高温90，恒温68h，降温2h,碳化深度小结,公式建立在快速碳化的基础上，按照我国标准，快速碳化试验是在温度203，CO2体积分数为203条件下进行的。快速碳化28天的碳化深度约相当于在正常大气条件下（ CO2体积分数为0.03 ）条件下混凝土存放龄期为50年的自然碳化深度。通过 CO2体积分数对混凝土碳化深度的影响对比，可以用下式表示,碳化深度计算例题,某工业厂房已经投入使用12年，现场对其混凝土构件实测碳化深度为18.2mm。构件混凝土保护层厚度为25mm，如果以碳化深度达到保护层厚度为构件正常使用年数参考，试预估该厂房剩余使用年数。,3.2.6 碳化深度检测方法,对旧混凝土结构进行检测时常常需要实测混凝土碳化深度。 常用方法就是用质量分数为1的酚酞酒精试剂喷在混凝土新破损面上（钻孔或凿开混凝土形成测试面），已经碳化的混凝土不会变色，未碳化部分为紫红色，用卡尺精确量测混凝土表面到变色分界处的深度，即为混凝土碳化深度。 对于整个构件或结构应在有代表性的地方布置测区，每一个测区应测三个点，以其平均值作为该测区的代表值。,3.2.7 碳化处理方法,（1）碳化深度过大，钢筋锈蚀明显，危及结构安全构件应拆除重建； （2）对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬的，可用优质涂料封闭； （3）对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土； （4）对钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈，并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋，防碳化后的结果，要达到阻止或尽可能减慢外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使其内部和钢筋一直处在高碱性环境中。,3.3 混凝土的腐蚀,3.3.1 混凝土化学腐蚀,（1）硫酸盐腐蚀 在化工建筑中最常见，污水处理、化纤、制盐、制皂等建筑混凝土构件常因硫酸盐腐蚀破坏。常见的有硫酸钠、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钙等，基本都溶于水，其与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，导致混凝土破坏。硫酸盐侵蚀混凝土，表面发白，损害从棱角处开始，裂缝展开并剥落，混凝土形成一种易碎的松散状态（桥梁上也比较常见）。,3.3.1 混凝土化学腐蚀,（1）硫酸盐腐蚀 硫酸钠、硫酸镁、硫酸氨等，有两个反应过程：,石膏腐蚀过程,硫铝酸盐腐蚀过程,单硫型铝酸盐,水化硅酸钙,钙矾石,伴随体积的明显膨胀，导致混凝土开裂！,防止方法：用沥青、橡胶、沥青漆等处理混凝土表面，形成耐蚀的保护层。,3.3.1 混凝土化学腐蚀,（1）硫酸盐腐蚀影响因素,3.3.2 混凝土酸侵蚀,硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、甲酸、乳酸、磷酸等,影响因素：混凝土本身的特性，包括混凝土的渗透性、孔隙率、裂缝状况等，以及混凝土结构所处的酸环境，包括酸的种类、浓度和状态等。防止方法：用沥青、橡胶、沥青漆等处理混凝土表面，形成耐蚀的保护层。,3.3.3 碱骨料反应,水泥和混凝土的有关添加剂中碱性氧化物质（K2O和Na2O）与混凝土骨料中的活性物质（活性氧化硅）在常温常压下缓慢反应形成碱硅胶后，吸水膨胀导致混凝土破坏的现象。生成物体积膨胀（34倍）。碱骨料反应速度较慢，破坏现象多年才能发现。,碱骨料反应的必要条件是水泥中碱量较高（混凝土总碱量达到3kg/m3）； 骨料中存在活性硅（活性、粒径、数量）； 碱骨料反应的充分条件是存在水分；,3.3.3 碱骨料反应,碱骨料反应的特点,混凝土表面产生杂乱的网状裂缝，或在骨料周围出现反应环； 在破坏区的试样中可测定碱硅酸盐凝胶； 在构件裂缝中，可以发现碱硅酸盐凝胶失水硬化形成的白色粉状物；,3.3.4 海水侵蚀,海水中含有大量可溶性盐类 NaCI2，MgCl2，CaSO4，MgSO4等,构筑物与海水不直接接触部位(潮湿空气中氯盐侵蚀) 海水浪溅区(干湿循环作用，盐类膨胀锈蚀) 潮汛涨落区(最严重，海水冲蚀、干湿循环、冻融循环) 长期在海水中部位,3.3.5 混凝土腐蚀防治措施,选用合适的水泥品种 提高混凝土的密实性和抗渗性 增加混凝土保护层厚度 掺用火山灰质的活性掺合料 对混凝土表面进行处理 使用超耐久性混凝土,