混凝土结构的耐久性.ppt

混凝土结构的耐久性,1,早强、无收缩、微膨胀,2,1930年以前 早期的波特兰水泥通过人配料，严格控制化学成分和烧结温度，Wanger细度为1100cm2/g左右。1944年，美国公共道路管理局对加州等4个州的桥梁进行了检测，涉及检测的共约200座桥梁的实际使用时间跨度为330年。检测发现，67%在1930年以前建造的桥梁检查时完好，而1930年后建造的仅27%尚完好。,3,19301970年左右 水泥的粉磨技术在用户需求高早期强度的环境下迅速发展，水泥的Wanger细度为1100cm2/g上升为1800cm2/g（相当于勃氏300m2/kg）。出于同样的目的，水泥的化学组成也被迅速改变，水泥熟料中的早强组份C3S含量由1930年前的不到30%很快发展到1970年的50%甚至更多。1950年开始，混凝土的施工工艺发生了重大变化。预拌混凝土、泵送混凝土浇筑以及插入式振动棒振捣技术的发展，对混凝土的工作性要求越来越高。,4,1970年以后 外加剂技术促进了加筋混凝土技术发展对强度的要求，混凝土强度从之前普遍的30MPa猛增到60MPa，并越来越多的使用50MPa以上的混凝土。提高混凝土强度的办法除采用高标号水泥外（意味着更高的细度、更多的C3S和C3A含量），更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比及单方加水量。随后的观察发现，这样的技术措施带来的负面影响是混凝土结构物的开裂增加。强度的提高虽然使混凝土的徐变减小，但脆性和早期可见裂缝与其它异常开裂现象使结构物在腐蚀和锈蚀环境下的可预期寿命显著降低。,5,二十世纪八十年代 高强混凝土（High Strength Concrete，简称HSC）曾经是混凝土技术中比较热门的技术领域，混凝土的抗压强度一度达到100MPa以上，并有高达152MPa混凝土用于现浇工程。但是二十世纪九十年代初期，HSC工作性差（流动性、可泵性、均匀性等）、脆性（易于开裂和突然破坏）、体积稳定性差（收缩、膨胀）等一味追求强度所带来的负面问题逐渐被认识。于是，提出了HPC的概念。,6,1、美国国家标准与技术研究所（NIST）与美国混凝土协会（ACI）于1990年5月召开的讨论会上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。,7,2、1990年美国Mehta PK认为：高性能混凝土不仅要求高强度，还应具有高耐久性（抵抗化学腐蚀）等其他重要性能，例如高体积稳定性（高弹性模量、低干缩率、低徐变和低的温度应变）、高抗渗性和高工作性。 3、1992年法国Malier YA认为：高性能混凝土的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性、高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。,8,4、1992年日本的小泽一雅和冈村甫认为：高性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、黏聚性与可浇筑性）、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。 5、1992年日本Sarkar S L提出：高性能混凝土具有较高的力学性能（如抗压、抗折、抗拉强度）、高耐久性（如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀）、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土家族。,9,综上所述 1.高性能混凝土（High Performance Concrete，缩写为HPC）是最近十多年才出现的新型高技术混凝土。它以混凝土耐久性作为设计的主要指标，保证混凝土有良好的工作性、适用性、力学强度、体积稳定性和经济性，采用现代混凝土技术制作的混凝土。 2高性能混凝土不仅是对传统混凝土的重大突破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护以及环境等高面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料。,10,决定结构的耐久性 环境影响结构反应 1）环境条件 2）建筑和结构设计 3）施工 4）检验和维修,11,12,13,物理,孔的性质和分布,迁移机理,钢筋劣化,混凝土劣化,锈蚀,抵抗力,安全,表面条件,外观,刚度,使用性能,化学和生物,14,混凝土结构耐久性的影响因素 1、设计因素：保护层厚度过小，沉降缝、伸缩缝设置不当，变截面出配筋不当，基础强腐蚀，隔热层、分隔层、防滑层处理不当。 2、材料不合格：水泥碱含量、C3A含量、细度，骨料碱活性、骨料粒形、级配，外加剂。 3、施工质量低劣：水灰比过大，水泥用量大，拆模过早，浇筑不当，养护不当，施工组织不当（冷缝），使用含氯早强剂，使用海水搅拌混凝土等。 4、外界环境条件恶化： 气候条件异常:气候突变，干湿交替频繁； 自然环境恶化：工业排污、空气质量下降； 建筑物场地有害物侵入：地基土有侵蚀水，碳酸盐及碱溶液侵入等。,15,劣化的内在条件和机理 1. 气体、水以及含在水气中的有害物质在砼的孔隙和裂缝中的迁移、结合和变化是砼劣化的基本条件, 其中水气的迁移是首要条件。 2. 水气迁移的动力有: 浓度差引起扩散; 压力差引起渗透; 表面能引起毛细吸引。,16,无粘结,接触粘结,水泥浆填满缝隙 (混凝土， 低坍落度),间隔排列的颗粒 (混凝土， 高坍落度),1,1824年，英国人Aspdin J取得了波特兰水泥的专利。 1886年，美国首先采用回转窑煅烧熟料，使水泥进入大规模工业化生产阶段。 1850年，法国人取得钢筋混凝土专利权。 1928年，预应力混凝土技术由法国人创造。,17,r(m) 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10,微孔,毛细孔,大孔,mm,nm,m,与耐久性有关,振捣不密实,引入气孔,毛细孔,凝胶孔,18,毛细孔,补给,蒸发,毛细凝结（水充满） 表面积/孔体积,水迁移的速度 蒸发 毛细管作用 （水压力）,20,混凝土,钢 筋,化学过程,物理过程,酸、硫酸盐、碱,生物过程,开裂、冻害、磨蚀,地衣、苔藓等,锈蚀、应力腐蚀、氢脆,21,1、混凝土的碳化 影响因素：H2O、CO2(完全饱和，完全干燥) CO2扩散进入孔隙 与Ca(OH)2反应生成CaCO3 同时也在CSH（水化硅酸钙）固液界面上发生 混凝土内碱度由pH12.6降低pH9 钢筋脱钝,22,23,材料因素：水灰比、水泥品种与用量、骨料品种与粒径（骨料底部、交界面）、 外加剂（降低用水量、引气剂切断毛细管的通道，降低CO2的扩散速度）、 养护方法和龄期、混凝土强度 环境条件：湿度、温度和CO2浓度 应力状态：压应力、拉应力,24,碳化检测方法：X射线法（试验室精确测量，能测试部分碳化深度） 化学试剂法（1%酚酞酒精溶液） 已碳化区无色，未碳化区红色 碳化深度的预测模型 碳化对结构物的影响 素混凝土：基本无影响 钢筋混凝土：钢筋锈蚀 预应力混凝土：目前方案下基本无影响,25,2、钢筋锈蚀 腐蚀诱因混凝土中性化、游离氯离子聚集 电化学腐蚀阳极反应阴极反应 应力腐蚀腐蚀与拉应力作用下钢筋产生晶粒间或跨晶粒断裂现象 氢脆腐蚀由于H2S与铁作用或杂散电流阴极腐蚀产生氢原子或氢气的腐蚀现象,26,影响因素： H2O、O2、温度、氯离子浓度、pH值、裂缝 钢筋锈蚀对结构物的影响 对配筋混凝土影响巨大，强度降低、脆性增大、延性变差，导致承载力降低 钢筋锈蚀的检测方法：自然电位法（应用广泛）、交流阻抗谱法、线性极化法、恒电位法、电化学噪声法、混凝土电阻法、谐波法 自然电位法测试（受影响因素多，比较粗糙） 单电极法：钢筋端头外露或建造时的预埋电极 双电极法：钢筋不外露的构件,27,28,裂缝类型,物理的,化学的,温度的,结构的,建筑的位移,早期冻结破坏,塑性的,可收缩骨料、干缩、龟裂,钢筋锈蚀、碱骨料反应、碳化,冻融、季节温度、早期热收缩,偶然荷载、徐变、设计荷载,模板位移、地基位移,塑性收缩、塑性层缩,硬化后,硬化前,3、混凝土裂缝,29,塑性收缩 毛细管张力引起 龟裂 塑性沉缩 颗粒下沉、水挤压排出、体积缩小 受钢筋和模板阻碍部位出现裂缝，水平缝较多,30,荷载引起的开裂 弯曲 剪切 拉伸 变形引起的开裂 温度 ，通常为龟裂，受约束时表现为分割裂缝 收缩 ，通常表现为龟裂，局部可逆 基础或模板沉降,31,4、碱骨料反应 混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应 后果：混凝土体积膨胀和开裂，混凝土微结构被改变，强度和弹性模量等力学性能降低癌症 三种类型： 碱硅酸反应（Alkali-Silica Reaction ） 碱碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction ） 碱硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction ）,32,碱硅酸反应 骨料中的活性SiO2与碱发生的膨胀反应。是迄今为止分布最广、研究最多的碱骨料反应。 活性SiO2包括蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英和隐晶、微晶或玻璃质石英。 在火成岩、变质岩和沉积岩中均有分布 常见在花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、石英岩、燧石、硅藻土等 膨胀机制： 2ROH+nSiO2-R2OnSiO2H2O 吸水肿胀理论和渗透压理论,33,碱碳酸盐反应 黏土质白云石质石灰石与碱发生的膨胀反应。美国在1957年首次在加拿大发现，美国的多个地方存在。 白云石与石灰石含量大致相等，黏土含量约为520，白云石颗粒粒径约在50微米以下且被微晶方解石和黏土包围。 CaCO3MgCO3+2ROH-Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3 (白云石) R2CO3+Ca(OH)2-2ROH+CaCO3 膨胀来源：包裹在白云石晶体内的黏土吸水膨胀,34,碱硅酸盐反应 碱与某些沉状硅酸盐骨料反应，使沉状硅酸盐层间距增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。 因发生反应机理与碱硅酸反应不同，而被新命名。 唐明述观点：大部分（页腊石、蛇纹石、云母、高岭石、蛭石等）具有层状结构的硅酸盐矿物都不具有碱活性，个别能产生膨胀反应的层状硅酸盐中均含有微晶石英和玉髓，其膨胀反应实质是碱硅酸反应,35,碱骨料发生的条件 （1）混凝土中的碱含量。 水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水或环境 （2）骨料的碱活性 与地域有关：美国、加拿大、英国、日本、新西兰、南非等已建立了区域性的碱活性骨料分布图。 我国建立了京津塘地区碱活性骨料分布图。 （3）潮湿环境 高湿度环境，80,36,关于碱含量的规定： 一般认为：高活性骨料2.1kg/m3 中等活性骨料3.0kg/m3 德国、英国、加拿大、日本规定碱含量限制为： 3.0kg/m3 新西兰：2.5kg/m3 南非：2.1kg/m3,37,碱骨料反应的破坏特征： 时间:一般在混凝土浇筑后2、3年或者更长时间。 变形：整体位移或变形 裂缝：网状，顺筋或沿压应力方向 凝胶析出：透明或淡黄色凝胶（AAR） 部位：越潮湿越明显 内部：骨料周围有反应环，内部缝隙界面有凝胶,38,骨料的碱活性检测方法： （1）岩相法：鉴定岩石种类、矿物组成和各组分含量 缺点：不能对骨料碱活性做定量分析，必须与其他方法配合使用。 （2）化学法：通过测试溶出的SiO2浓度Sc和溶液碱度的降低值Rc进行判断。Rc70，ScRc （3）砂浆棒法：(P3m0.05%,P6m0.1%) （4）快速砂浆棒法：(P14d0.1%) （5）混凝土棱柱体法： (P3m0.02%,P6m0.03%或P12m0.04%) （6）压蒸法： (P6h0.1%),39,4、冻融破坏 饱水冻融循环 特征：冻胀开裂和表面剥蚀 静水压假说 渗透压假说,40,静水压假说 毛细孔水结冰，约12，有害孔。 凝胶孔水结冰，低于78。,气泡间距系数,41,渗透压假说 大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。浓度差使小孔中的溶液向大孔迁移。 两个重要参数 平均气泡间距：直线导线法250微米？300微米？ 临界水饱和度：,42,抗冻试验方法 （1）快速冻融法 水冻水融法、气冻水融法耐久性指数 （2）慢冻法 （3）临界膨胀试验法 （4）临界水饱和度法,43,盐冻更严重 （1）含盐混凝土的初始饱水度提高 （2）盐的浓度差使孔隙中的渗透压加大 （3）由于盐产生的过冷水处于不稳定状态，结冰速度更快，产生更大的静水压。 （4）含盐混凝土在水分蒸发失水干燥时，孔中盐过饱和而结晶，产生一个额外的结晶压力。,44,5、磨蚀 磨损侵蚀：车轮、松散材料的冲击夹砂的风 主要由粗骨料承担混凝土磨耗率 空穴侵蚀：液体水 空蚀水流静水压力小于水的蒸汽压时，产生气泡，流到静水压力大于蒸汽压时，蒸汽在气泡中冷凝，气泡崩坍（类似于爆炸）。 主要由细质砂浆承担砂浆磨耗率,45,6、腐蚀 侵蚀介质与水泥水化产物发生反应酸、硫酸盐和生物。 腐蚀速度取决于钙盐的溶解速度。 酸侵蚀：酸在混凝土中的作用就是使所有的钙化合物，如氢氧化钙、水化硅酸钙、水花铝酸钙转变成侵蚀酸的钙盐。 有机酸：盐酸氯