混凝土耐久性与质量控制培训教材.ppt

混凝土的耐久性,宋少民,长期以来，人们认为：混凝土是一种耐久性良好的材料，突出的例子，如法国的地铁建筑,部分已有近200年历史，仍然完好。,近些年出现的问题和形势的发展，使人们认识到混凝土材料的耐久性应受到高度重视。一方面国内外大量的混凝土结构物没有达到预期的使用年限，受环境作用而过早破坏。,另一方面，随着经济的发展、社会的进步，各类投资巨大、施工期长的大型工程日益增多。例如大跨度桥梁、超高层建筑、大型水工结构物等，所以人们对结构耐久性的期待日益提高，希望混凝土构筑物能够有数百年的使用寿命，做到历久弥坚.,同时，由于人类开发领域的不断扩大，地下、海洋、高空环境建筑越来越多，结构物使用的环境可能很苛刻，客观上要求混凝土有优异的耐久性。,回顾二十世纪的混凝土工程实践，Mehta教授认为：近一百年的混凝土在品质上不是很成功，存在着较严重的耐久性问题。展望未来，混凝土必须走可持续发展的道路，必须解决好耐久性这一重大课题。,唐明述院士指出:,节能减排应重视提高基建工程寿命,2006年基本数据煤产量（23.8亿t）为世界总量（64.3亿t）的37%钢产量（4.2亿t）占世界（12亿t）的35%水泥产量（12.4亿t）占世界（26.4亿t）的47%GDP（2.51万亿美元）仅占世界（46.7万亿美元）的5%左右CO2排放量达62亿t，约为世界（300亿t）的21%，并超过美国（58亿t）而居世界首位。,混凝土的耐久性,混凝土结构设计中不仅要考虑其所承受的荷载，而且要考虑环境的影响，即耐久性。把混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。,抗渗性,抗冻性,抗侵蚀性,中性化,碱骨料反应,1756年建造的爱迭斯顿灯塔(材料为水硬性石灰和火山灰)屹立了126年,混凝土的耐久性可表现为由于内部和外部引起的各种损坏。这些因素包括物理作用、化学作用和机械力作用。物理作用：高温或温度变化引起的热膨胀损坏与冻融循环。化学作用：各种离子侵蚀、碱集料反应机械力作用：冲击、磨蚀、冲蚀、气蚀影响混凝土耐久性最重要的是混凝土的孔隙率和渗透性,抗渗性,混凝土的抗渗性，是指其抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。对混凝土的耐久性起重要的作用。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示：P4、P6、P8、P10、P12共5个等级，分别能抵抗0.6、0.8、1.0、1.2、1.4MPa的水压力而不渗水。提高混凝土抗渗性的措施是增大混凝土的密实度、改变混凝土中的孔隙结构，减小连通孔隙。,普通混凝土配合比设计规程（JGJ552000）中规定，具有抗渗要求的混凝土，试验要求的抗渗水压值应比设计值高0.2MPa，试验结果应符合下式要求：Pt式中：Pt6个试件中4个未出现渗水的最大水压值，MPa；P设计要求的抗渗等级值。,抗渗性的重要性：混凝土品质劣化的四个原因依次是钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应。每个原因均与水相关，没有水的直接作用或作为侵蚀性杂质进入混凝土的载体，混凝土病害就不会发生。提高抗渗性的途径1）降低水灰比（水胶比）；2）选择好的骨料级配；3）充分振捣和养护；4）掺用引气剂和优质粉煤灰掺和料。,抗冻性,混凝土的抗冻性指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。混凝土的密实度、孔隙构造和数量，以及孔隙的充水程度以及从附近自由表面或出口可释放压力的能力是决定抗冻性的重要因素。密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土抗冻性较高。提高混凝土抗冻性的最有效办法是采用加入引气剂、减水剂和防冻剂的混凝土或密实混凝土。,2、抗冻性的表征：1）、慢冻法（D50、D100）采用立方体试块，以龄期28天的试块在吸水饱和后承受反复冻融循环（冻4h，融4h），以抗压强度下降不超过25%，质量损失不超过5%时所承受的最大冻融循环次数表示,快冻法采用100mm100mm400mm的棱柱体试件，以龄期28天后进行试验，试件饱和吸水后承受反复冻融循环，一个循环在2-4h内完成，以相对动弹性模量值不小于60%，而且质量损失率不超过5%时所承受的最大循环次数表示，如F50、F100、F150等。根据快速冻融最大次数，按以下公式可以求出混凝土的耐久性系数。式中：Kn混凝土耐久性系数；N满足快冻法控制指标要求的最大冻融循环次数，次；P经N次冻融循环后试件的相对动弹性模量。,冻融破坏的大坝坝面,使用20年的高速公路桥梁,【案例】混凝土受冻破坏概况某省一十层砖混结构写字楼，砖墙承重，楼盖为现浇钢筋混凝土，施工时间为1990年初，期间气温为05。此楼在拆模后出现严重冻害现象，具体表现为：混凝土表面酥松、剥落、裂缝遍布，强度严重不足。分析取样发现混凝土中骨料表面有明显的结冰痕迹，很显然是混凝土在凝结硬化过程中受了冻害。在低温环境下浇注混凝土，混凝土在硬化前受冻，水泥水化反应很弱，而且生成的水泥水化物少，强度低。此时水结冰冻胀，混凝土内部结构遭到破坏，因而使得强度严重不足。,除冰盐对混凝土的盐冻破坏,在冬季，高速公路和城市道路为防止因结冰和积雪使汽车打滑造成交通事故，在路面撒盐（NaCl或CaCl2）以降低冰点去除冰雪。近年来，国内外交通行业和学术界越来越注意到除冰盐对混凝土路面和桥面造成的严重破坏，即不仅引起路面破坏，渗入混凝土中的氯盐又导致严重的钢筋锈蚀，加速碱骨料反应。,(1)破坏机理1)渗透压增大导致混凝土孔隙饱和吸水度提高，结冰压增大；2)盐的结晶压力；3)盐的浓度梯度使受冻时因分层结冰产生应力差。4)浓度大于20%的CaCl2水溶液，当环境温度超过30时生成3CaOCaCl215H2O复盐而溶出，而低于30时生成的3CaOCaCl215H2O复盐消耗Ca(OH)2的同时结晶析出，使混凝土结构产生剥蚀破坏。,(2)破坏特征1)破坏从表面开始，逐渐向内部发展，表面砂浆剥落，集料暴露；2)剥落层内部的混凝土保持坚硬完好；3)这种破坏非常快，少则一冬，多则数冬，可产生严重剥蚀破坏；4)剥蚀表面及裂纹内可见白色粉末NaCl晶体。,【案例4-7】沈大高速公路的盐冻破坏概况沈大高速公路两侧路缘石和排水槽等设施出现混凝土脱皮、开裂、剥蚀等现象，其中某些路段构件损坏更为严重。分析2003年调查发现造成破坏的主要原因是设计未考虑包括冻融在内的相关混凝土耐久性问题。在北方地区冬季大量使用除冰盐，除冰盐引发混凝土盐冻剥蚀而破坏。,除冰盐造成的混凝土冻融剥蚀是最危险的冻融破坏形式(3)主要预防措施1)混凝土必须引气，含气量应在5%以上；2)要使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；3)适量掺粉煤灰、矿渣，但提倡掺硅灰；4)适当增加保护层厚度。,提高混凝土抗冻性的措施1)降低混凝土水胶比，降低孔隙率；2)掺加引气剂，保持含气量在5-6%；3)提高混凝土强度，在相同含气量的情况下，混凝土强度越高，抗冻性越好。4)尽量使用粒径比较小的粗骨料；避免使用吸水率大，4-5微米孔比较多的骨料。,抗侵蚀性,抗侵蚀性是指混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受到化学侵蚀、物理作用不破坏的能力。混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥的品种、混凝土密实度与孔隙特征等。,青藏公路三叉河大桥被有害离子侵蚀的混凝土墩,混凝土的碳化（中性化）,主要指环境中的CO2和水与混凝土中的Ca(OH)2反应，生成CaCO3和水，从而使混凝土的碱度降低（中性化）现象。碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。未经碳化的混凝土PH=1213，碳化后PH=8.510，接近中性。混凝土碳化程度常用碳化深度表示。,有利作用：碳化放出水分有助于水泥的进一步水化，减少水泥石内部的孔隙，提高混凝土抗压强度。不利作用：使钢筋失去碱性保护而锈蚀，碳化收缩会引起微细裂缝，使混凝土抗拉强度降低等。,掺60低钙粉煤灰砂浆人工碳化14d,掺60低钙粉煤灰砂浆人工碳化28d,【案例】碳化导致混凝土腐蚀破坏概况内地某4层住宅楼工程设有1层地下室，采用C18-C23混凝土，楼板厚100mm，该工程于1994年主体框架建成后一直裸露在外而未装修使用，直至2002年复工时，发现较严重的钢筋锈蚀和混凝土剥落现象。,分析混凝土表面离析、漏浆、蜂窝、麻面、松散、含水泥量小的现象较为普遍，钢筋裸露现象严重，使空气中的C02和水分极易侵入混凝土保护层，导致钢筋锈蚀。而该房屋长期空置且混凝土结构未作任何表层防护，加剧了混凝土的碳化的进行，从而加剧了钢筋的锈蚀膨胀，导致混凝土剥落现象。,钢筋锈蚀及对混凝土的影响钢筋表层保护膜破坏时，在氧、水分存在的条件下，钢筋表面发生电化学腐蚀，在阳极铁离子发生化学反应生成氧化亚铁、氢氧化铁等腐蚀物。钢筋锈蚀后，有效直径减小，直接危及到混凝土结构的安全性；同时，钢筋锈蚀后，锈蚀生成物的体积膨胀，致使混凝土保护层顺筋开裂，混凝土自身免疫性大幅降低，品质迅速劣化。,氯离子对钢筋锈蚀的影响氯离子是一种极强的钢筋腐蚀因子，扩散能力很强，混凝土中含有1.2-2.5kg/m3氯离子时足以破坏钢筋钝化膜，腐蚀钢筋。,美术馆地下室顶板钢筋锈蚀情况,氯离子呈游离状态时会破坏潮湿混凝土中钢筋的保护膜使钢筋产生锈蚀，其反应过程如下：钢筋在水泥水化的碱性介质中会形成稳定的钝化膜，但是当PH值11.5时钝化膜就开始不稳定，PH值到9.88时这种钝化膜就会逐渐分解。当混凝土有Cl离子存在、并处于潮湿环境时，Cl离子会被吸附在钢筋钝化膜表面，使该处的PH值下降至4以下，于是该处钝化膜被破坏。,因此氯离子就象催化剂一样,既促进钢筋的锈蚀又不消耗自己,同时氯离子的存在还强化了离子电路,加速了电化学腐蚀过程；,南方某海港码头混凝土被锈蚀,外加剂,碱骨料反应,(活性SiO2)骨料,碱(NaOH、KOH),Na2OSiO2nH2O碱-硅酸凝胶K2OSiO2nH2O,水泥,无限吸水膨胀,避免碱骨料反应措施：选择非活性骨料；选用低碱量水泥，慎用含碱外加剂；掺用活性掺和料；提高混凝土密实度。,1)鹼骨材反應,花蓮港,表3-34鹼骨材反應之症狀,建于1984年大型钢筋混凝土立交桥，1990年开始发现部分盖梁和主梁开裂。1996年盖梁开裂部分占一半以上。盖梁混凝土设计强度等级为C30，使用42.5普通硅酸盐水泥，北京河砂河卵石和UNF2高效减水剂。冬季施工，加入占水泥重5%的防冻剂、阻锈剂NaNO2。,碱骨料反应危害实例（1）北京三元桥,三元桥墩岩芯的开裂（91年取出试验室养护）,北京三元桥建于1984年，因碱集料反应、冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀而破坏，现已部分拆除重建。,三元桥梁的开裂,Theworldsmostsophisticatedfighter,theF-117,operatesfromHollomanAirForceBase,wherethepavementsareriddledwithalkali-silicareactioncracking.,【案例4-21】碱骨料反应致使混凝土开裂破坏概况某钢筋混凝土桥梁于1988年建成，于1990年交付使用。1991年底发现该桥某段排水管道损坏，混凝土梁表面出现不同程度的裂缝，且裂缝在继续发展，使得混凝土梁上常有雨水浸渍。,分析混凝土发生碱骨料反应致使开裂破坏。经调查发现该桥梁采用水泥为325号快硬水泥，水泥碱含量高达1.3%（换算成当量Na2O+K2O总百分含量），单方混凝土水泥用量约为500Kg/m3左右。因此单方混凝土碱含量约6.5Kg/m3，超过了3.5Kg/m3的混凝土碱含量限定值。这为碱骨料反应提供了条件，混凝土发生碱骨料反应，反应产物吸水膨胀导致混凝土开裂。,混凝土中碱集料反应一旦发生，不易修复，损失大。预防措施如下：1)避免使用碱活性骨料。2)限制混凝土中碱总含量，一般3.5kg/m3。3)掺用矿物细粉掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣，但至少要替代25%以上的水泥。4)掺用引气剂。5)保证混凝土在使用期一直处于干燥状态，注意隔绝水的侵入。,提高混凝土耐久性的措施,1.减少拌和水及水泥浆的用量将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量要求的一种标志，要比用最大水胶比（或水灰比）更为适宜。依靠水胶比的控制尚不能解决混凝土中因浆体过多，而引起收缩和水化热增加的负面影响。,在高性能混凝土中，减少浆体量，增大骨料所占的比例，又是提高混凝土抗渗性或抗氯离子扩散性的重要手段。如果控制拌和水用量，则可同时控制浆体用量（浆骨比），就有可能从多个方面体现耐久性要求。对水胶比很低的混凝土一般不宜超过150kg/m3。对水胶比在0.42以下的混凝土，用水量一般应控制在170kg/m3以下。,为达到减少拌和水与水泥浆量的目的，主要途径有：1)选用良好级配和粒形的粗骨料。2)添加高效减水剂。3)添加低需水量比的矿物掺和料。,在胶凝材料体系中，降低混凝土的水泥用量，增大矿物细粉掺合料的用量，可以提高混凝土结构的体积稳定性和抵抗化学侵蚀的能力，降低内部缺陷，提高密实性。,粉煤灰、磨细矿粉的添加，在过去曾被严重误解，以为对混凝土品质会有很大影响，但随着减水剂的应用，当水胶比较低时，大掺量矿物细粉掺合料配制的混凝土各方面品质优良，这一点已被近年的工程实践所证实，并已在1995年版的美国混凝土ACI318结构混凝土规范中被认同，也算平反了粉煤灰、磨细矿渣在混凝土中的行为，2004年出版的土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南（CCES012004）中提出大掺量矿物掺合料混凝土水胶比不宜大于0.42。,2.增强界面的粘结性混凝土中骨料与水泥浆界面是最薄弱的环节，强化界面是提高耐久性的重要措施，主要通过以下途径达到这一目的。1)降低水胶比。降低水胶比可以提高长期强度，而且使界面强化。2)降低水泥浆量，增加矿物细粉掺合料。以上方法可以有效降低界面水胶比，提高密实性，减少氢氧化钙富集现象。3.合理选择水泥品种选用低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥。,4.增加电阻系数及降低毛细孔渗透性(1)降低水固比（W/S）对混凝土整体而言，降低拌和水量而增加固态材料的重量，是有益的建议，在高性能混凝土建议水固比（W/S）0.08。(2)使孔隙细致化通过添加优质矿物细粉掺合料使得孔隙变细且减少。5.掺用引气剂掺用引气剂，引入微小封闭气泡，不仅可以有效提高混凝土抗渗性、抗冻性，而且可以明显提高混凝土抗化学侵蚀能力。这主要是由于这些微小气泡可以缓解部分内部应力，抑制裂纹生成和扩展。,6.限制单方混凝土中胶凝材料的最高用量减少单方混凝土中胶凝材料用量，有利于抑制混凝土的早期水化温升，降低混凝土的渗透性，并减少收缩量，所以必须有最高用量的限制。我国对于低水胶比混凝土的胶凝材料用量，过去一直偏高，甚至有的高达550kg/m3以上，其主要原因就是因为骨料不好，因此必须特别重视混凝土骨料的级配以及粗骨料的粒形要求。,7.防止钢筋锈蚀碳化和卤化物（尤其是氯盐）是混凝土中钢筋腐蚀的主要原因，因此应注意以下几点：1)控制混凝土组成材料中的氯离子含量。2)降低氯离子渗透量。3)提高混凝土密实度，降低混凝土碳化速度，这样可防止碳化引起的钢筋腐蚀的同时，控制含氯盐混凝土碳化时氯离子向钢筋表面富集加速钢筋腐蚀。8.加强混凝土质量的生产控制在混凝土施工中，应当均匀搅拌、灌注和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。,混凝土强度的检验评定,混凝土的质量控制混凝土强度质量评定混凝土强度合格率评定的方法,混凝土的质量控制,混凝土质量控制的目标，是要生产出质量合格的混凝土，即所生产的混凝土应能按规定的保证率满足设计要求的技术性质。由于混凝土的抗压强度与其它性能有较好的相关性，能较好地反映混凝土整体的质量情况，因此，工程中通常以混凝土抗压强度作为评定和控制其质量的主要指标。,混凝土强度质量评定,混凝土强度的波动规律；混凝土强度保证率；混凝土配制强度。,混凝土强度波动原因,混凝土强度,混凝土组成与结构,原料,制备工艺,骨料；水泥；掺合料；外加剂；水灰比。,不同性质骨料颗粒的随机分布；水泥不同组份及其水化物的不均匀分布；掺合料颗粒也不能均匀分布；外加剂也不能均匀分布；不同局部水灰比有差异，导致气孔的分布、大小以及水化物的形态、粒度在混凝土中的分布不均匀；,混凝土强度的正态分布,Cv值越小，说明混凝土质量越稳定，混凝土生产的质量水平越高。,变异系数（离差系数、标准差系数）,混凝土强度保证率P%,P%为混凝土强度总体中大于设计的强度等级值（fcu,k）的概率，见图中阴影部分。,概率度t（保证率系数）,变量替换：,令,=1，t=0,概率度（tk）与强度保证率（P%）的换算,混凝土生产管理水平,生产场所,评定指标,混凝土强度等级,差,85,引自混凝土强度检验评定标准GBJ107-87,混凝土的配制强度（fcu,t）,设计强度概率度标准差,令,P%=95%，tk=-1.645,4.3.3混凝土强度合格率评定的方法,已知标准差的统计方法；未知标准差的统计方法；非统计方法,已知标准差的统计方法,在一个验收批，强度应同时满足：fcufcu,k+0.7o；fcu,minfcu,k-0.7o；而且：fcu,min0.85fcu,k，混凝土强度等级不高于C20；fcu,min0.90fcu,k，混凝土强度等级高于C20。,未知标准差的统计方法,当生产连续性较差，即在生产中无法维持相同的生产条件，或生产期较短，无法积累强度数据以计算可靠的标准差参数，此时检验评定条件中的强度标准差只能直接根据每一验收批抽样的强度数据确定。,非统计方法,强度应满足：fcu1.15fcu,kfcu,min0.95fcu,k,检验结果评定,当检验结果不能满足上述规定时，该批混凝土判为不合格，由不合格批混凝土制成的结构或构件，应进行鉴定。对不合格的结构或构件必须及时处理。当对混凝土试件强度的代表性有怀疑时，可采用从结构或构件中钻取试件的方法或采用非破损检验方法，按有关标准的规定对结构或构件中混凝土的强度进行推定。,练习,1、混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系是()。A.轴心抗压强度大于立方体抗压强度B.轴心抗压强度等于立方体抗压强度C.轴心抗压强度小于立方体抗压强度D.轴心抗压强度与立方体抗压强度无关系,答案,C,2、测定混凝土强度所用的标准试件规格是()，测定砂浆强度所用的标准试件是规格是()。A.200mm200mm200mmB.100mm100mm100mmC.150mm150mm150mmD.70.7mm70.7mm70.7mmE.40mm40mm160mm,答案,CD,3、判断：混凝土抗压强度试验时，试件受压面上涂润滑剂后，混凝土抗压强度提高。(),答案,4、下列混凝土的变形，哪些属于混凝土在荷载作用下的变形()。A.化学收缩B.干湿变形C.弹塑性变形D.徐变E.温度变形,答案,CD,5、混凝土在夏季和冬季施工中，分别应该注意哪些问题？并分别采取哪些措施？,答案,夏季施工时，由于温度较高，会使水分失而影响水泥正常水化，严重的会形成大量干缩裂纹，所以应注意保持足够湿度，可采取措施有：表面用草袋等物覆盖，并不断浇水，坍落度损失快，泵送剂中适当增加