混凝土结构耐久性.doc

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混凝土结构耐久性1.1 混凝土结构耐久性问题的重要性钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，且一直被认为是一种非常耐久性的结构形式，其应用范围非常广泛。然而，从混凝土应用于建筑工程至今的150年间，大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的，有的是由于使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于结构的耐久性不足导致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，尤其是钢筋的锈蚀而造成结构的早期损坏，丧失了结构的耐久性能，已成为实际工程中的重要问题。早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强，甚至造成停工停产的巨大经济损失。耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。国内外统计资料表明，由于混凝土结构耐久性病害而导致的损失是巨大的，并且耐久性问题越来越严重。结构耐久性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25美元；严重破坏时采取措施将追加维修费125美元。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面可对新建项目进行耐久性设计，揭示影响结构寿命的内部与外部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的理论意义，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。图1-1 混凝土结构耐久性研究框架正因为混凝土结构耐久性的问题如此重要，近年来世界各国均越来越重视混凝土结构的耐久性问题，众多的研究者对混凝土结构耐久性展开了研究，取得了系列研究成果，而材料层面的成果尤为显著。迄今为止，已经形成了混凝土结构耐久性研究框架，如图1-1所示。本章将着重介绍混凝土结构耐久性研究中成熟的相关研究成果。1.2 混凝土碳化1.2.1 混凝土碳化的定义所谓混凝土的碳化是指空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其ph值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，从而导致了混凝土的ph值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现ph1这种情况，在这种环境下，混凝土中埋置钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其它条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。由此可见，进行混凝土的碳化规律分析，研究由碳化引起的混凝土化学成分的变化以及混凝土内部碳化的进行状态，对于混凝土结构的耐久性研究具有重要的意义。1.2.2 混凝土碳化的机理混凝土的基本组成是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙(ca(oh)2)，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水溶液是ph值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐或者其它物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，ph值下降到8.5左右。混凝土碳化的主要化学反应式如下：co2+h2oh2co3 (1-1)ca(oh)2+h2co3caco3+2h2o (1-2)1.2.3 影响混凝土碳化的因素混凝土的碳化是伴随着co2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取决于co2气体的扩散速度及co2与混凝土成分的反应性。而co2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、co2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如co2的浓度、环境温度和湿度。概况地说，混凝土碳化的影响因素为：1. 混凝土本身的密实度：混凝土密实度越大，碳化速度越慢；2. 二氧化碳的浓度：二氧化碳浓度越大碳化速度越快比；3. 环境温度：环境温度越高，碳化速度越快；4. 环境湿度：环境相对湿度在5070时，碳化速度最快。1.2.4 混凝土的碳化规律1. 混凝土的碳化规律国内外学者对混凝土碳化进行了深入的研究，在分析碳化试验结果的基础上，国内外公认的碳化深度d与碳化时间t的关系式为：(1-3)式中，a为碳化速度系数；d为混凝土碳化深度（mm）；t为测定d的碳化时间（年）。碳化速度系数体现了混凝土的抗碳化能力，它不仅与混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、养护方法、孔尺寸与分布有关，而且还与环境的相对湿度、温度及二氧化碳浓度有关。2. 碳化规律应用1自然锈蚀和快速碳化之间的关系。(1-4)式中， d1、d2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；c1、c2为测定d1和预测d2时的碳化浓度；t1、t2为测定d1和预测d2时的碳化时间。例1-1：某混凝土结构物在建造时，为了估计二氧化碳侵入混凝土结构的速度，预留了混凝土试块进行混凝土快速碳化试验。碳化箱浓度是结构物实际环境二氧化碳浓度的400倍，混凝土试块在放入碳化箱5天后测得其碳化深度为10mm。 试问：实际结构使用30年后的碳化 深度。解：已知 d1= 10 mm; t2 = 30365 天；t1 = 5天； c2/c1 = 1/400 ；则：d2 = 10 30365 /（ 5 400）=23.4（mm）.3. 碳化规律应用2自根据实测碳化深度推测以后情况 (1-5)式中， d1、d2分别为测得的和要预测的混凝土碳化深度；t1、t2为测定d1和预测d2时的碳化时间。例1-2：某结构物使用10年以后测其碳化深度为15mm，试问:该结构物使用30年后的碳化深度。解: 已知d1 =15mm; t1 = 10年; t2 =30年; 则:d2=15(30/10) =26(mm).1.2.5 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。在对服役结构的抗力进行评价时，所关心的是结构在经过一个服役期后，混凝土强度是高于设计强度还是低于设计强度，具体值又是多少，这些问题是服役结构抗力评价需要解决的问题。一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。为了了解碳化后混凝土本身强度的变化，须进行了混凝土的抗压和劈拉试验。通过试验研究分析，有下列结论：随着碳化龄期的增长，混凝土的抗压强度也随之提高；同一龄期碳化试件的抗压强度均比未碳化试件的抗压强度高。从这一点来看，混凝土的碳化对抗压强度本身并没有破坏作用。1.3 氯离子对混凝土结构的侵蚀我国海域辽阔，海岸线很长，大规模的基本建设都集中于沿海地区，而海边的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，已建的海港码头等工程多数都达不到设计寿命的要求。在我国北方地区，为保证冬季交通畅行，向道路、桥梁及城市立交桥等撒除冰盐，大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏。我国还有广泛的盐碱地，腐蚀条件更为苛刻。在1991年召开的第二届国际混凝土耐久性会议上，mehta教授在混凝土耐久性五十年进展主旨报告中指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用。”而来自海洋环境和使用防冰盐中的氯离子，又是造成钢筋锈蚀的主要原因。1.3.1 氯离子对混凝土的作用机理1.破坏钝化膜水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往的研究认为该钝化膜是由铁的氧化物构成，最近研究表明，该钝化膜中含有si-o键，对钢筋有很强的保护能力。然而，此钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，当ph11.5时，钝化膜就开始不稳定；当ph9.88时，钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。cl是极强的去钝化剂，cl进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，可使该处的ph值迅速降低，可使钢筋表面ph值降低到4以下，破坏了钢筋表面的钝化膜。2. 形成腐蚀电池如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能使均匀腐蚀。但是，在不均质的混凝土中，常见的局部腐蚀。cl对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成单位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果使，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。3. 去极化作用cl不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。cl与阳极反应产物fe2+结合生成fecl2，将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而加速阳极极化作用称作去极化作用，cl正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，钢筋的锈蚀产物中是很难找到fecl2存在，这是由于fecl2是可溶的，在向混凝土内扩散时，遇到oh就能生成fe(oh)2沉淀，再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常说的铁锈。由此可见，cl起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的cl，会周而复始的起到破坏作用，着也是氯离子危害的特点之一。4. 导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路，混凝土中cl的存在，强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴阳极之间的欧姆电阻。1.3.2 氯离子侵蚀模型1.基本模型fick第二定律通常，氯离子的侵入是以几种侵入方式的组合而作用的，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件，其中一种侵蚀方式是主要的。目前有一些对各种机理全面考虑的模型，但是由于模型中的一些参数很难确定，有些只能从定性上加以描述，其实用性还需要继续探讨。尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂，在许多情况下，扩散仍然被认为是一个主要的传输方式之一。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程一般引用fick第二定律。fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，可以直观地体现结构的耐久性。由于fick第二定律的简洁性及与实测结果之间较好的吻合性，现在它已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择fick第二扩散定律也是基于一种经验的假定，因为它的模型可以很好地拟合结构的实测结果。假定混凝土中的孔隙分布是均匀的，氯离子在混凝土中扩散是一维扩散行为，浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面方向变化，fick第二定律可以表示为： （1-6）式中：ccl氯离子浓度（），一般以氯离子占水泥或混凝土重量百分比表示； t时间（年）；x位置（cm）；dcl扩散系数。fick第二定律的解取决于问题的边界条件。2.氯离子侵蚀模型混凝土结构在经过相当长时间的使用后，表面基本达到饱和，在稳定的使用环境中不会发生太大的变化，因此可以假定混凝土结构表面氯离子浓度恒定。另外，假定混凝土结构相对暴露表面为半无限介质，在任一时刻，相对暴露表面的无限远处的氯离子浓度治为初始浓度。那么相应初始条件可以写为：ccl（x,0）=0 （1-7） 边界条件：(1-8)(1-9)式中：cs为混凝土表面的氯离子浓度；co为氯离子初始浓度。根据初始条件和边界条件，可以得到式（3-1）的解为：(1-10)式中：cx.,t为t时刻x深度处的氯离子浓度；erf()为误差函数，。1.3.3 氯离子扩散影响因素1扩散系数氯离子扩散系数是反应混凝土耐久性的重要指标。一般通过建立扩散深度和实测浓度的关系，然后根据fick定律拟合氯离子的扩散系数。氯离子的扩散系数不仅和混凝土材料的组成，内部孔结构的数量和特征、水化程度等内在因素有关系，同时也受到外表因素的影响，包括温度、养护龄期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等。2混凝土中cl的临界值尚不致引起钢筋去钝化的钢筋周围混凝土空隙液的游离cl的最高浓度，被成为混凝土氯化物的临界浓度。这是一个十分重要的指标，但是因为影响因素很多，既受到混凝土成份、组织与环境条件的影响，而且氯化物浓度也还没有一个严格统一的标准方法，所以目前尚无统一的定论。但是，有一点是很清楚的，即钢筋腐蚀危险随混凝土氯化物含量增大而增加，当氯化物含量超过氯化物临界浓度是，只要其它必要条件已经具备，就会发生很严重的钢筋腐蚀。3表面氯离子浓度氯离子的扩散是由于氯离子的浓度差引起，表面浓度越高，内外部氯离子浓度差越大，氯离子扩散至混凝土内部的氯离子会越多。而结构表面的氯离子除了与环境条件有关外，还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。4混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度为钢筋免于腐蚀提供了一道坚实的屏障，混凝土保护层厚度越大，则外界腐蚀介质达到钢筋表面所需的时间越长，混凝土结构就越耐久。理论上混凝土保护层越厚，混凝土结构耐久性就越好。但实际上，过厚的保护层在硬化过程中，其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制，很容易产生裂缝，裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下，混凝土保护层厚度不应超过80100mm，具体尺寸应根据结构设计而定。1.4 混凝土的冻害1.4.1 混凝土冻害机理在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多于的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当处于饱和水状态时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态。因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温度在-78oc以下。胶凝孔中处于过冷状态的水分子因为其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见，处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土又表及里遭受破坏。1.4.2 主要影响因素1混凝土水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增加，不仅饱和水的开孔总体积增加，而且平均孔径也增加，在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力就大，因而混凝土的抗冻性必然降低。2含气量含气量也是影响混凝土抗冻性的主要影响因素，特别是加入引气剂形成的微细孔对提高混凝土抗冻性尤为重要，因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的静水压力减小，即起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。3混凝土饱水状态混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7就不会产生冻结膨胀压力。该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大。由于混凝土表面层含水率通常大于其内部的含水率，且受冻时表面的温度又低于内部的温度，所以，冻害往往是由表层开始逐步深入发展的。4混凝土受冻龄期混凝土的抗冻性随其龄期的增长而提高。因为龄期越长水泥水化就越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力就越大，这一点对早期受冻的更为重要。1.5 混凝土的碱集料反应碱集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。该反应不同于其它混凝土病害，其开裂破坏是整体性的，且目前没有有效的修补方法，而其中的碱碳酸盐反应的预防尚无有效的措施。由于碱集料造成的混凝土开裂破坏难以被阻止，因而被成为混凝土的“癌症”。半个多世纪以来，碱集料反应已经在全世界近二十多个国家造成了严重的损失。1.5.1 碱集料反应机理碱集料反应是混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间的发生的反应。可见，促使这类反应发生必须具备三个条件，即在混凝土中同时存在活性矿物集料（活性二氧化硅、白云质类石灰岩或粘土质页岩等）、碱性溶液（koh、naoh）和水。在水泥水化生成物中，除了c2s、c3s、s3a和c4af之外，还有少量的ca(oh)2，与集料中的钾长石或钠长石反应会置换出koh和naoh。在水泥水化反应初期，于集料颗粒四周形成c-s-h凝胶及ca(oh)2附着层，然后ca(oh)2与长石反应置换出koh和naoh，形成发生碱集料反应的一个必要条件。混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱集料发生反应：(1-11)koh和naoh浓度较低时，不足以引气混凝土的破坏，一般认为当含碱量小于0.6时，可不考虑碱集料反应。当koh或naoh浓度较高时，koh或naoh不仅能中和二氧化硅颗粒表面及微孔中的氢离子，还会破坏o-s-o之间的结合键，