（岩土工程专业论文）高性能钢筋混凝土结构的耐久性研究.pdf

中文摘要 目前，连云港市区的城市建设正处于大规模扩张阶段。由于连云港市区， 尤其是东部城区紧临海滨，新建的钢筋混凝土结构物极易受海水或土壤中的腐 蚀介质( 如硫酸根离子、氯离子) 的腐蚀影响，造成结构( 构件) 过早破坏， 丧失其耐久性，因此开展高性能钢筋混凝土结构的耐久性研究迫在眉睫。本文 在总结以往研究成果的基础上，对海水或土壤中富含硫酸根离子和氯离子的连 云港地区的高性能钢筋混凝土结构的耐久性研究主要开展了以下几个方面的工 作，这种研究方法和研究成果对其它沿海城市具有一定的借鉴意义。 1 、实验研究了硫酸根离子腐蚀机理和氯离子腐蚀机理。由于硫酸盐溶液的 腐蚀，普通混凝土和高性能混凝土的体积膨胀率都增大，强度都减小；而普通 混凝土的体积膨胀率和强度变化比高性能混凝土的大。由于氯盐溶液的腐蚀， 普通混凝土和高性能混凝土的氯盐渗透深度都增大，其中的钢筋都遭受到一定 程度的腐蚀；但高性能混凝土的氯盐渗透深度和钢筋锈蚀状况都比普通混凝土 的轻。同时，本文分析了引起腐蚀的影响因素，并针对性地提出了预防腐蚀的 措施。 2 、根据实验确定了适合本实验条件的计算氯离子扩散系数的计算公式，并 借助m a n ，a b 工具修正了计算氯离子含量的f i c k 第二定律计算公式。采用修 正后的计算公式所得的计算值与实验值吻合较好。经过评价发现高性能混凝土 的耐腐蚀性更强，更能保障钢筋混凝土结构安全。 3 、实验确定了造成钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的氯离子含量临界值，这为 沿海地区的钢筋混凝土工程的耐久性设计规范的修订提供了有力的参考。 4 、基于钢筋混凝土结构腐蚀破坏试验数据，运用人工神经网络方法建立用 于评估钢筋混凝土结构强度和氯离子含量的物理模型。结果表明，该物理模型 的测试值与实验值吻合较好。 5 、基于人工神经网络和专家系统知识，开发了一套钢筋混凝土结构耐久性 智能评估系统。该智能评估系统可在普通工程技术人员中推广，有助于提高其 评估钢筋混凝土结构耐久性的能力；具有一定的工程实用价值。 关键词：高性能钢筋混凝土结构腐蚀机理测试耐久性评估 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eu r b a nc o n s t r u c t i o n so fl i a n y u n g a n gc i t ya r ed e v e l o p i n g d r a m a t i c a l l y s i n c et h eu r b a nd i s t r i c to fl i a n y u n g a n g ( i np a r t i c u l a r , t h ee a s t e r n p a r to ft h ec i t y ) i sa d j a c e n tt ot h eb e a c h , n e w l y - b u i l tr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e i sr e a d yt ob ec o r r o d e db ys o m ec o r r o s i v em e s ai ns e a w a t e ro rs o i l ，f o re x a m p l e ， s u l f a t er a d i c a li o no rc h l o r i d ei o n ，w h i c hr e s u l t si na l le a r l yd a m a g eo fs t r u c t u r e a n dl o s so fd u r a b i l i t y , t h e r e f o r e ，i ti se x t r e m e l yu r g e n tt od e v e l o pr e s e a r c ho n d u r a b i l i t yo fh i g hp e r f o r m a n c er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e b a s e do nt h e p r e v i o u sr e s e a r c ho nd u r a b i l i t y ，al o to fs t u d yi sc o n d u c t e do nt h ed u r a b i l i t yo f h i 曲p e r f o r m a n c er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r ei nl i a n y u n g a n gd i s t r i c tw h e r et h e s e a w a t e ro rs o i li sa b u n d a n tw i t hs u l f a t er a d i c a li o na n dc h l o r i d ei o n , a n dt h e f o l l o w i n gi st h em a i nw o r ki n v o l v e di nt h i st h e s i s ，o fw h i c ht h er e s e a r c hm e t h o d s a n dr e s u l t sw i l lb ef a v o r a b l ef o ro t h e rc o a s t a lc i t i e s 1 t l l ec o r r o s i o nm e c h a n i s mo fs u l f a t er a d i c a li o na n dc h l o r i d ei o n b e c a u s eo f c o r r o d i n go fs u l f a t e ，t h ev o l u m e s o fc o m m o nc o n c r e t ea n dh i 幽p e r f o r m a n c e c o n c r e t ea r ee x p a n d i n g a n dt 1 1 e i rs t r e n g t hi sd e c r e a s i n g h o w e v e r , b o t ht h e v o l u m ee x p a n s i o na n ds t r e n g t hc h a n g eo fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ea r es l i g h t e r t h a nt h o s eo fc o m m o nc o n c r e t e ；o nt h eo t h e rh a n d ，d u et oc o r r o d i n go fc h l o r i d e s o l u t i o n , t h ep e n e t r a t i n gd e p t hi nc o m m o nc o n c r e t ea n dh i g hp e r f o r m a n c e c o n c r e t ei si n c r e a s i n g ，a n dt h es t e e lr e i n f o r c i n gb a r si nt h e ma r er u s t e dt os o m e e x t e n t ，b u tt h ep e n e t r a t i n gd e p t ha n dr u s t i n gd e g r e eo fh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e a r es l i g h t e rt h a nt h o s eo fc o m m o nc o n c r e t e m e a n w h i l e ，f a c t o r st h a tc a u s er u s t h a v eb e e na n a l y s e d , a n ds o m er e l e v a n tm e 觥e so fc o r r o s i o np r o t e c t i o nh a v e b e e np u tf o r w a r d e d 2 t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l af o r c a l c u l a t i n gd i f f u s i v i t yo fc h l o r i d ei o nw a s i d e n t i f i e da n df i c k ss e c o n dl a wf o rc a l c u l a t i n gc o n t e n to fc h l o r i d ei o nw a s r e v i s e dw i t ht h eh e l po fm a t l a b t h ev a l u e sc a l c u l a t e dw i t ht h er e v i s e d c a l c u l a t i o nf o r m u l ac o n f o r mb e t t e rt ot h ee x p e r i m e n t a lo n e s i ti sd i s c o v e r e dt h a t t h ec o r r o d e r e s i s t a n c eo fh i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t ei ss t r o n g e rt h a nt h a to ft h e c o m m o nc o n c r e t ea n di tc a ng u a r a n t e et h es e c u r i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e s n l l c t u r e 3 t h ec r i t i c a lv a l u eo nt h ea m o u n to fc h l o r i d ei o nt h a tc a u s e ss t e e lr e i n f o r c i n g b a ri nc o n c r e t ei sd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d e saf o r c e f u lr e f e r e n c e f o rr e v i s i n gs t a n d a r do fd u r a b i l i t yd e s i g no nr e i n f o r c e dc o n c r e t ep r o j e c t si n c o a s m la r e a 4 t h ep h y s i c a lm o d e l s ，w h i c ha r eu s e dt oe v a l u a t et h es t r e n g t ho fr e i n f o r c e d c o n c r e t es t n l c t u r ea n dt h ep o r t i o no fc h l o r i d ei o n , a r em o d e l e db yu s eo fn e u r a l n e t w o r kb a s e do nt h ed a t u mo ft h ec o r r o d e de x p e r i m e n t so fr e i n f o r c e dc o n c r e t e s n l l c t i l r e t h er e s u l t ss h o wt h ev a l u e sf r o mt h ep h y s i c a lm o d e l sc o n f o r mt ot h o s e o fe x p e r i m e n t s 5 b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fn e u r a ln e t w o r ka n de x p e r ts y s t e m s ，a l l i n t e l l i g e n ts y s t e me v a l u a t i n gt h ed u r a b i l i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es 臼1 l c t l l r e sw a s d e v e l o p e d t h ei n t e l l i g e n te v a l u a t i o ns y s t e mc a nb e ，s p r e a da m o n go r d i n a r y e n g i n e e r sa n dh e l p f u lt oi m p r o v et h e i ra b i l i t yo fe v a l u a t i n gt h ed u r a b i l i t yo f r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s i ti sp r o v e dt ob e w i t hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：h i g hp e r f o r m a n c e ；r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ；c o r r o s i o n m e c h a n i s m ；t e s t ；e v a l u a t i n gd u r a b i l i t y 天津大学博士学位论文 第一章绪论 南地区1 8 座码头调查的结果显示，这些使用7 2 5 年的码头，凼构件单薄和混 凝土水灰比大或旌工质量差导致钢筋锈蚀而使结构破坏的占8 0 以上。 天津新港从1 9 j 8 年到1 9 8 5 年共建了2 5 个码头泊位，岸线长达6 0 0 0 米， 其结构均为高桩承台式，使用时间长的有3 0 多年，短的只有5 6 年，在使用 过程中不断发现粱，板，桩等构件有不同程度的损坏，影响码头的正常使用”“。 单国良等对连云港第一和第二码头混凝土结构的耐久性调查也表明，由钢 筋锈胀产生纵向裂缝的占5 8 和8 4 。1 9 8 6 年建成于该海港的煤码头，使用不 到网年，就已经出现混凝土锈胀开裂。9 ，见图卜1 。临近连云港港口地区的临 洪闸混凝土柱、墙及护栏由于受到盐雾的影响也产生了严重的锈胀开裂，见图 卜2 ，图l 一3 。 图卜l 码头混凝土结构锈胀开裂 图卜2 混凝土护栏锈胀开裂 天津大学博士学位论文第一章绪论 图卜3 混凝土柱、墙锈胀开裂 惠州港1 9 9 2 年所建35 万吨级油码头，在1 9 9 9 年调查时发现，该码头纵 粱混凝土保护层严重爆裂，钢筋大部分锈蚀、外露，不得不于2 0 0 1 年来停产3 个月大修，龄期仅9 年，造成了较大的经济损失1 。 2 0 0 1 年河海大学对连云港西大堤钢筋混凝士护栏工程进行现场调查”，该 工程虽运行不足4 年，但已出现严重的钢筋锈蚀、混凝土开裂、混凝土剥落和 钢筋锈断现象，见图卜4 。 图卜4 大堤钢筋混凝土护栏锈张开裂 天津大学博士学位论文第一章绪论 2 0 0 2 年对浙江舟山1 5 9 座码头的调查发现晗射，这些码头直接与海水接触， 潮汐区的混凝土构件处于最恶劣的氯离子侵蚀环境，已经工作二三十年的码头 普遍存在较为严重的耐久性问题，例如某码头各部位均出现不同程度的腐蚀损 坏，尤其是上部结构已达到严重损坏的程度：码头横梁出现大面积锈斑，大部 分横梁梁底沿主筋方向出现明显的裂缝，裂缝宽度在1 3 m m ，码头横梁上搁置 的万型板出现严重锈蚀，构件沿主筋方向出现大量顺筋裂缝，7 0 的板锈胀裂缝 宽度大于3 m m ，其余万型板的顺筋锈胀裂缝宽度1 - 3 r a m 2 _ 间。 2 0 世纪3 0 年代建造的美国俄勒冈州a l s e a 海湾上的多拱大桥，施工质量很 好，但因混凝土的水灰比太大，较短时间内大量氯离子侵入混凝土，导致钢筋 严重锈蚀，引起结构破坏。用传统的方法局部修改破坏处，不久就发现修补处 的附近钢筋又加剧腐蚀，不得不拆除、更换心副。 2 0 世纪6 0 年代建造的美国旧金山海湾的第二座s a nm a t e o - h a y w a r d 大桥， 处于浪溅区的预制横梁虽采用优质混凝土拌合物，但由于在混凝土浇筑养护时 梁底部产生了微裂缝，给氯离子侵入创造了条件，因此钢筋发生严重锈蚀，1 9 8 0 年不得不花巨资修补。 在阿拉伯海湾和红海上建造的大量海工混凝土结构，由于严重的侵蚀环境、 混凝土等级和混凝土保护层厚度不够、施工质量差等原因，往往在使用一年后 钢筋就遭到严重锈蚀。如沙特阿拉伯东部j u b a i l 用于冷却海水的4 0 k m 长的输 送渠道，采用高6 5 m 的钢筋混凝土墙和直径2 m 的预应力混凝土虹吸管，在完 全投入使用前就不得不因钢筋锈蚀而进行修补，在使用2 3 年后钢筋断面损失 达1 4 。1 9 7 3 1 9 7 5 年建造的阿联酋迪拜a l - s h i n d a g h a 海底隧道，1 9 8 6 年就不 得不修补，修补资费是建造资费的两倍。阿布扎比新建的干船坞也因钢筋锈蚀 严重破坏。对沙特阿拉伯海滨地区4 2 座混凝土框架结构耐久性调查结果表明： 只显轻微或没有钢筋锈蚀的测试区只占测试区总数的2 6 ，其余7 4 都显示严重 的钢筋锈蚀破坏。 1 1 2 混凝土结构耐久性研究的重要意义 混凝土是土木工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的建筑材料。目前 钢筋混凝土结构已成为世界上应用最广泛的结构形式，我国每年耗资在混凝土 结构上的费用为2 0 0 0 亿元以上。钢筋混凝土一直被认为是最为耐久的材料，但 对其耐久性的认识和研究相对滞后，为此付出了巨大的代价。 硫酸盐侵蚀是破坏混凝土耐久性最严重的一种环境水侵蚀心制，目前国内外 都在进行抗侵蚀方面的研究。由于混凝土耐久性不足造成的破坏而带来高额的 4 天津大学博士学位论文第一章绪论 维修费用已越来越引起国内外专家学者的注意船明。 在我国，由于耐久性不足造成的损失也是巨大的。在我国的工业与民用建 筑中，钢筋混凝土结构占有相当的比例，由于混凝土碳化和钢筋锈蚀引起的结 构破坏问题非常严重。据1 9 7 9 年的调查晗6 1 ，已有3 6 的建筑物需要大修，一般 的冶金、化工等工业建筑，其安全使用期一般为1 5 2 0 年；而经常处于高温、 高湿条件下的工业建筑，其安全使用期仅为5 7 年。 美国材料咨询委员会( n m a b ) 1 9 8 7 年的年度报告中指出，有2 5 3 万座混凝土 桥处于不同程度的损伤，并且以每年3 5 7 座的速度在增加；1 9 9 1 年用于修复由 于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资9 1 0 亿美元口 。英国为解决海洋环境下的钢 筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费将近2 0 万英镑。日本引以为自 豪的新干线铁路使用不到1 0 年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象晗引。 过去我国为解决居住需要和促进工业生产，建造过很多质量不高的民用房 屋和工业建筑，因为对耐久性要求考虑不足，现有建筑物老化现象相当严重。 另外，海港码头、盐碱地带以及大量使用除冰盐的地区，都潜存盐害问题，我 国尚缺乏完整的统计数据。据估计我国1 9 9 9 年底一年内由腐蚀造成的损失约在 1 8 0 0 - - 3 6 0 0 亿元馏”。 据美国报道口们，仅就桥梁而言，5 7 5 万座钢筋混凝土桥中就有一半以上出 现腐蚀破坏，4 0 因承载力不足需要修复加固处理。美国标准局1 9 9 8 年的调查 表明，美国全年由于各种腐蚀造成的损失约为2 5 0 0 亿美元。美国公路研究战略 计划披露，到2 0 世纪末，为更换或修复冬天的除冰盐引起的破损公路混凝土桥 面板，估计耗资4 0 0 0 亿美元，其中大部分是由钢筋锈蚀引起的。 据瑞士联邦公路局统计“，瑞士公路系统约有3 0 0 0 座桥梁，每年用于桥 面检测及维护的费用达8 0 0 0 万法郎，至于修理或更换的费用更高。 英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花费 将近2 0 亿英镑刳。英国英格兰岛中部环行线的快车道上有1 1 座混凝土高架桥， 建于1 9 7 2 年，建造费用为2 8 0 0 亿英镑，1 9 7 4 1 9 8 9 年的1 5 年间，其修补费用 已高达4 5 0 0 万英镑，为初始造价的i 6 倍。英国每年用于修复钢筋混凝土结构 的费用达2 0 0 亿英镑。 日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用就达4 0 0 亿日元，大约有2 1 4 的钢筋混凝土结构损坏是由于钢筋锈蚀引起的。 另外，北欧、加拿大、澳大利亚都存在着以氯盐为主的盐害，促使钢筋锈 蚀，不得不花费大量资金进行维修。 综上所述，从国内 x 天津大学博士学位论文第一章绪论 筑业正处于建设和维修的高潮，因此，研究并找出混凝土强度、钢筋锈蚀与环 境因素之间的关系，进而对结构的耐久性进行评估，具有重大的经济和社会意 义，值得做深入的研究。 1 2 国内外对混凝土结构耐久性研究的现状 我国研究人员曹双寅口3 3 对硫酸盐侵蚀环境下的混凝土进行了室内模拟试 验，试验结果表明，随着时间的增长，硫酸盐侵蚀对混凝土的腐蚀起主导作用，其 腐蚀加速了混凝土力学性能的劣化；慕儒b 4 1 对荷载作用下的高强混凝土的性能 变化规律进行了实验研究，结果表明，在硫酸盐作用下，混凝土性能下降速度很 快，荷载的作用使得硫酸盐侵蚀有加剧的趋势；曲立清等曙即对硫酸盐侵蚀环境 下的高性能混凝土应用技术研究表明，海水中的硫酸盐与水泥石中c a ( o h ) ，起 交换作用而生成石膏，在水位变化区域，石膏在水泥石中的毛细孔内沉积、结 晶，引起体积膨胀，使水泥石开裂，最后材料转变成糊状物或无粘结力的物质。 而处于水下的混凝土，所生成的石膏会与水泥石固态单硫型水化硫铝酸钙和水 化铝酸钙作用生成三硫型水化硫铝酸钙( 钙矾石) ，引起膨胀性开裂。 仇新刚等n 3 1 在天津大港腐蚀试验站进行为期8 年的大气土壤综合腐蚀钢筋 混凝土桩试验，论述了钢筋混凝土材料在盐土地区遭受腐蚀的特征、混凝土强 度和中性化变化规律。文中环境土壤及混凝土中s o ，含量分析结果表明，土壤 中s o ：。通过混凝土内毛细管进人到混凝土内部，干湿作用部位的混凝土遭受化 学腐蚀与盐类结晶侵蚀，腐蚀破坏比较严重。 1 8 9 2 年，米哈埃利斯首先发现硫酸盐对混凝土的侵蚀作用啪3 ，在受侵蚀的 混凝土中发现一种针粒状晶体，并称之为“水泥杆菌 ，实质上就是三硫型水化 硫铝酸钙( 钙矾石) ，随后的1 0 0 多年里，各国学者对硫酸盐侵蚀进行了大量的、 全面的研究，积累了丰富的文献资料。但由于硫酸盐侵蚀的复杂性，其侵蚀机 理仍有许多问题未弄清楚。 美国学者米勒从1 9 2 3 年开始在含硫酸盐土壤中进行混凝土的腐蚀试验，其 目的是为了获得2 5 年、5 0 年以至更长时期的混凝土腐蚀数据，目前已有2 0 多 年数据公布于众。 宾伊尔试验了各种水灰比的水泥石试件b 。结果表明，水泥石的抗硫酸盐 性能取决于水灰比和侵蚀性溶液的浓度。试验时为了避免混凝土因密实习惯不 同而影响试验结果，采用各种水灰比的拌合物在各种浓度的溶液中同时进行试 验，试验中还采用成分与实际使用情况相近似的侵蚀性溶液( 即建筑物在使用 中最可能受到腐蚀的那种溶液) 。麦季耶希和托罗兹卡娅用侵蚀性天然水对各种 6 天津大学博士学位论文 第一章绪论 水泥制成的各种不同配合比的混凝土进行了试验b 引，试验表明，混凝土在硫酸 盐含量5 8 克升的水中，两年后受到严重损坏。如果增加水泥用量，混凝土的 抗蚀性将得到提高。 许多研究人员都认为渗透压力在混凝土的破坏过程中起重大作用。例如： a e 舍伊金和h h 奥列伊尼科娃认为，随着水合硫铝酸钙的生成，必然出现一 种水泥石组分的半渗透性凝胶体，这种水泥石组分的封闭晶格内含有高浓度的 氢氧化钙。此时，水渗透晶格后，产生一种高渗透压力，从而使水泥石破坏。 b h 巴布什金也认为混凝土在硫酸盐溶液作用下的破坏是由渗透压力造成的。 但是，在水泥石中可能产生渗透压力的条件、以及渗透压力在腐蚀过程中的作 用，只能由试验结果来鉴定。显然，如果在混凝土内部有利于产生渗透正压， 即从内部向外部的渗透压力，那么混凝土就不可避免地要出现裂缝，甚至完全 破坏。 j i c 布勃诺夫的试验表明，当碱含量超过2 克升( 即水合含碱水泥的真实 数量) 时，必然会改变硫酸盐腐蚀过程的发展，特别是改变了水合硫铝酸钙的 生成速度。该速度会因液相中c a ( o h ) ，含量的不足而下降。在碱浓度较高的情 况下，不可能生成水合硫铝酸钙，而在碱浓度较低时( c a ( o h ) ，浓度低于1 5 克升) 时，在某种程度上反而加速了水合硫铝酸钙的生成，因为液相中砧，o ， 浓度增高时，c a ( o h ) ，的浓度下降尚不明显。这些资料表明，碱的存在造成了 生成石膏的条件。c a ( 0 h ) ，的浓度越低( 碱的浓度越高) ，溶液中生成的 c a s o 。2 h ，o 数量就会越少。因此，碱在一定程度上提高了水泥石的抗硫酸盐 性能，尤其是在有1 ( 以水泥重量计) n a o h 存在的情况下，抗蚀性能提高 的幅度更明显。另一方面，由于石膏会与水泥石固态单硫型水化硫铝酸钙和水 化铝酸钙作用生成三硫型水化硫铝酸钙( 钙矾石) ，三硫型水化硫铝酸钙含有大 量的结晶水，其体积比原来增加1 5 倍以上，因此会产生局部膨胀压力，使水 泥石结构胀裂，强度下降而造成破坏。 1 9 9 1 年在法国召开的“第二届混凝土耐久性会议上，m e h t a 教授在题为 混凝土耐久性五十年进展主旨报告中指出引：“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、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境 的物理化学作用”。混凝土开裂是造成钢筋锈蚀的重要原因之一。在富含氯离子 的环境中，混凝土构件的裂缝为加速氯离子侵入构件腐蚀钢筋提供了快捷的通 道。 最早将裂缝与氯离子渗透性能、钢筋锈蚀性能结合起来研究的是法国的 r f r a n c o i s 和j c m a s o 1 。他们采用符合法国标准的两种钢筋混凝土梁，采用 两种不同的混凝土配合比，采用三点弯曲的方法施加荷载，施加两种水平的荷 天津大学博士学位论文第一章绪论 载，分别对应于规范中要求的含氯离子的腐蚀环境和非腐蚀环境中的最大荷载。 通过对制作的钢筋混凝土梁喷洒盐雾或通入二氧化碳气体，促进氯离子或二氧 化碳的渗透导致钢筋的锈蚀。通过初步研究，发现氯离子或二氧化碳的渗透与 荷载引起的混凝土微观结构变化有关；侵蚀介质在受拉区的渗透明显大于受压 区的渗透，而且当裂缝宽度小于0 5 衄时，侵蚀介质主要沿着裂缝与钢筋交叉 渗透，渗透区域为裂缝附近的狭窄区域。经过1 2 年的观察，他们进一步发现， 钢筋锈蚀的发展与裂缝宽度( 小于0 5 衄时) 和裂缝本身无关，钢筋的应力与 氯离子扩散系数存在幂函数关系。法国的v i n c e n tp i c a n d e t 等人，对单轴受压 的混凝土卸载后的透气性能进行了研究，结果发现，当单轴压缩荷载加到极限 强度的9 0 ，然后卸载，混凝土的气体渗透性增大一个量级。由于是在卸载以 后进行测试，他们推断。若在加载时测试渗透性，则结果会有明显差别。法国 的p l o c o g e ，m m a s s a t ，j p o l l i y i e r 和c r i c h e t 等，研究了氯离子在带裂缝混 凝土中的渗透性，方法是将试件施加一定荷载，然后卸载，采用扩散池法进行 渗透性研究。结果表明，微裂缝对氯离子扩散系数有着明显的影响。 沙特阿拉伯的g j a 卜s u l a i m a n i ，m k a l e e 删1 1 a h ，i a b a s u n b u l 和 r a s h e e d u z z a f a r 等，通过拨出试验和弯曲试验，对钢筋混凝土梁的腐蚀性能和 力学性能进行了研究，采用通入一定大小的直流电以加速钢筋锈蚀，观察在混 凝土中没有出现裂缝、即将出现裂缝、出现裂缝时、出现裂缝后等不同阶段的 力学( 粘结) 性能的变化情况，发现钢筋的粘结性能和极限弯曲强度先随锈蚀 的发展而增加，后又随着锈蚀的发展而降低，但粘结性能和弯曲强度受锈蚀的 影响程度不同。 日本的m i t s u r us a i t o m l 对经受静态和循环压缩荷载作用以后的混凝土的 氯离子渗透性进行了研究，其方法是测量卸载以后的混凝土导电量。结果表明， 静态荷载作用下产生的微裂缝对氯离子的渗透性影响很小；循环荷载作用下， 当应力水平低于5 0 时与静载作用区别不大，超过5 0 时循环荷载对氯离子的渗 透性影响较大。 英国的c a r y a 和f k 0 f o r i d a r k o h 剐，研究了裂缝数量和裂缝宽度对钢筋 混凝土腐蚀的影响。采用不同形式模拟钢筋混凝土梁，试验持续2 年，结果表 明，在相同的总裂缝宽度情况下，裂缝数量越少，腐蚀越小，并认为应该通过 增大混凝土保护层来限制裂缝的数量而不是限制裂缝的宽度以提高钢筋混凝土 的耐久性。 美国的k e ii nw a n g ，d a n i e lc j a n s e n ，s u r e n d r ap s h a h 和a l a n f k a r r 4 6 3 采用反馈控制的劈裂试验，让混凝土试件产生不同的裂缝，卸载后测量试件的 渗水性能。极限荷载情况下，裂缝宽度小于o 0 2 衄时，在该应力水平下卸载， 天津大学博士学位论文第一章绪论 大约有8 0 的位移会恢复，剩下的残余位移对水的渗透性没有多大影响，但水 的渗透性随裂缝宽度的增大而增大，增大的程度取决于裂缝宽度的大小；但裂 缝宽度为0 0 5 0 2 m m 时，混凝土的水渗透性大大增加；当裂缝宽度超过0 2 m m 时，水渗透性增大速率变得稳定且比以前缓慢。美国的c o t i n a - m a r i a a l d e a ，s u r e n d r ap s h a h 和a l a nk a r r r h 7 1 ，采用反馈控制的劈裂方法，使不同强 度等级的混凝土试件产生不同的裂缝宽度或应变水平，然后研究卸载以后水渗 透性和氯离子渗透性( 导电量) 与这些应变或裂缝的关系。结果表明，无论高 强还是普通混凝土，裂缝对水渗透性都有影响，这种影响随着裂缝宽度的增大 而增大；而对于氯离子渗透性而言( 采用导电量进行评价) ，只有水灰比非常低 的混凝土，才对荷载引起的裂缝敏感。 裂缝对钢筋锈蚀的影响是个跨度较长的课题，目前的快速试验方法不能足 够真实地模仿实际情况，长时间的暴露试验又受到各种外界环境的影响，一般 不能得到非常统一的结果，有时得到的结果甚至互相矛盾。因此，裂缝对钢筋 锈蚀的影响并没有明确的定论，从而无法在耐久性评估中合理地考虑裂缝的影 响。人们判断带裂缝混凝土结构的耐久性时，都是根据自己认为合理的理论进 行计算评估，结果各不相同。 1 3 本文研究内容及创新点 本文结合连云港市海港码头、拦海堤坝、围海造田及盐渍土壤中钢筋混凝 土结构( 构件) 的腐蚀现状，借助连云港市东浦管桩有限公司这个平台，采取 试验方法研究了钢筋混凝土结构( 构件) 的腐蚀机理，分析了造成连云港地区 的钢筋混凝土结构( 构件) 腐蚀的关键影响参数，并且针对性地提出了防止腐 蚀的措施。为了便于普通工程技术人员开展高性能钢筋混凝土结构( 构件) 的 耐久性评估，本次研究开发了高性能钢筋混凝土结构( 构件) 的耐久性智能评 估系统。 本文的创新如下： ( 1 ) 试验基于连云港市东浦管桩有限公司应用成熟的c 6 0 普通混凝土，通 过掺加矿渣微粉和高效减水剂对其进行改良，对比研究了孵一环境中和c ，一环 境中高性能混凝土构件和普通混凝土构件的腐蚀机理，分析了造成混凝土强度 降低和钢筋锈蚀的各种影响参数。实验数据分析表明，高性能混凝土的体积膨 胀率和强度损失率比普通混凝土的小，造成钢筋锈蚀的程度也比普通混凝土的 轻。同时，针对研究情况提出了相应的防止腐蚀的有效措施。 ( 2 ) 通过实验研究，文章确定采用了m a n g a t 的计算扩散系数的计算公式， 9 天津大学博士学位论文第一章绪论 并且使用m a t l a b 工具，依据本实验情况对f i c k 第二定律氯离子含量计算公式 进行了修正，进一步确定了造成钢筋混凝土中钢筋锈蚀的氯离子含量临界值， 这为沿海地区的钢筋混凝土结构的耐久性设计规范的修订提供了参考依据。 ( 3 ) 通过神经网络和专家系统原理的研究，借助神经网络模型建立了基于 本试验的评估钢筋混凝土结构强度和氯离子含量的物理模型；并开发了一套高 性能钢筋混凝土结构( 构件) 的耐久性智能专家评估系统。该系统具有一定的 工程实用价值。 1 0 天津大学博士学位论文第二章5 研一环境中混凝土构件的腐蚀机理 第二章s 讲一环境中混凝土构件的腐蚀机理 连云港市是我国首批沿海开放城市之一，其海水、海风及土壤中含有大量 的硫酸盐。由于硫酸盐容易使钢筋混凝土建( 构) 筑物受到其物理作用和化学 作用的侵蚀，直接造成钢筋混凝土建( 构) 筑物的严重破坏，因此，研究连云 港地区的混凝土结构抗硫酸盐侵蚀的重要性显得尤为突出。 2 1 蛾一的存在形式及腐蚀条件 2 1 1 蜣一的存在形式 大多数天然水都含有硫酸盐。在淡水湖中和河流中，硫酸根离子( s o ：) 的 含量通常不超过6 0 毫克升，达到1 0 0 毫克升的情况极为罕见。在地下矿化水 中，硫酸根离子的含量相当高，其中，在弱矿化水中，c a 2 + 的含量一般都高于 c a s o 。的当量数；在强矿化水中m 1 ，易溶性硫酸钠和硫酸镁很可能占优势。在 含盐量为3 3 3 5 克升的海水中，s o j 的含量为2 5 0 0 2 7 0 0 毫克升。天然水中， s o i 。的存在是以硫酸钙、硫酸钠和硫酸镁的溶解为条件的。因而，这些溶液与 混凝土建筑构件的接触是不可避免的。 由于沿海地区的土壤及海水中存在丰富的侵蚀性硫酸盐介质，这些介质与 混凝土建筑构件的接触不可避免，所以要求我们必须详细研究混凝土与硫酸盐 溶液接触时产生腐蚀的过程。这有助于防止各种使用条件下对钢筋混凝土结构 ( 或构件) 造成的实际危害。 2 1 2 硫酸盐腐蚀产生和发展的条件 溶于水中的硫酸钠当与水泥石接触时，一方面在很大程度上能提高水泥石 组分的可溶性，从而加速混凝土的浸析破坏的发展；另一方面也会使硫酸盐中 的n a + 、k + 、m 9 2 + 取代水泥石中c a 2 + 而发生置换反应，从而引起碳酸水作用 下的腐蚀；甚至，在一定条件下，硫酸盐的作用也将造成盐积聚在混凝土的孔 隙和毛细孔内，产生结晶作用，从而产生固相体积的膨胀。 随着硫酸钙的进一步生成，固相石膏的数量会有所增多，但硫酸钙在溶液 中的浓度却并未提高，因此，在有c a ( o h ) ，存在的情况下，硫酸钙的浓度比较 天津大学博士学位论文 第二章s 研一环境中混凝土构件的腐蚀机理 实的混凝土孔隙中，在一定的湿度和温度下将转化为体积膨胀的结晶水合物，造 成混凝土结构( 构件) 的破坏，因此，含液态硫酸盐比较丰富的沿海地区混凝土 结构( 构件) 极易受到腐蚀破坏。各种盐类结晶转化膨胀率见表2 - i 。 表2 - i 盐类晶体转化膨胀率 转换温度 名称结晶水化物膨胀率( ) ( o c ) n a c l n a c l 2 h 2 0 0 1 51 3 0 n a 2 c 0 3n a 2 c 0 3 i o h 2 0 3 3 o1 4 8 n a 2 s 0 4n a 2 s 0 4 1 0 h 2 0 3 2 33 1 1 m g s 0 4 h 2 0m g s 0 4 7 h 2 0 7 3 o1 4 5 m g s 0 4 6 h 2 0m g s 0 4 i o h 2 0 4 7 o1 1 从表2 - 1 可以看出，盐类结晶侵蚀以n a ，s o 。最为严重，在3 2 3 c 以上析出 晶体为无水硫酸钠，3 2 3 c 以下析出晶体为芒硝n a ，s o 。1 0 h ，o ，膨胀率高达 3 1 1 。对于日温差较大的地区，白天混凝土表面温度往往大于3 2 3 ，在这一 温度下析出的晶体为n a ，s o 。；夜间气温低，下部溶液因毛细上升进入盐晶间空 隙，或因夜间大气相对温度下盐产生潮解，已结晶的盐通过晶间空隙饱和液相重 结晶，使n a ，s o 。晶型转化为n a ：s o 。1 0 h ：o ，产生巨大膨胀应力而破坏。 f 凹 耋 扩 _ 缃筋棍疆土桩 口 ；f ， 萼鲁 j匿 ， 黑 景茬 h 馨 ， 。 ， ， ， 耄 型 _舅 州 l 一、 u 一- ， 图2 - 1 钢筋混凝土桩埋设示意图 如图2 - 1 所示，对于存在大气区、吸附区和土壤区的钢筋混凝土桩而言，研 1 3 天津大学博士学位论文 第二章5 讲一环境中混凝土构件的腐蚀机理 究发现其各区位腐蚀的严重程度有很大的区别n 羽：腐蚀最严重的是从地面起0 3 5 0 r a m 的吸附区，混凝土表面水泥砂浆严重剥落，石子外露，最大剥离深度为1 8 r a m ， 并出现顺筋裂缝，裂缝最大宽度为5 衄，裂缝最大深度为4 0 r a m 左右；其次是大气 区，混凝土表面完整，风干后有起砂现象，但没有裂缝出现；土壤区相对最轻。 钢筋混凝土桩部分埋入土壤中与含盐溶液接触，通过毛细孔作用，溶液沿毛 细管上升至混凝土迎空面，水分蒸发，溶液达到过饱和在毛细管中析晶，结果产 生晶间推力，而且还会加速化学侵蚀反应。特别是某些盐，因结晶温度不同，将 由带水晶体向结晶水晶体转化，致使体积显著增大而产生巨大的膨胀应力，结果 加速混凝土破坏，其破坏速度和程度往往比化学反应侵蚀更快、更严重。因此， 吸附区混凝土的破坏比大气区和土壤区都严重。 另一方面，钢筋混凝土桩各区的混凝土强度与原始强度相比都有所提高，这 主要是由于混凝土中水泥的继续水化造成的。混凝土强度同时遭受各种腐蚀介质 的侵蚀及水泥继续水化的影响，在早期，水泥的继续水化起主要作用，所以混凝 土的强度是增长的。但是，钢筋混凝土桩吸附区混凝土抗压强度低于大气区和土 壤区，主要是由于吸附区遭受硫酸盐化学腐蚀损坏和盐类结晶膨胀损坏比大气区 和土壤区严重所致。 2 侵蚀性溶液的渗透动力掣删 当混凝土或钢筋混凝土结构部分浸泡在盐溶液中时，其腐蚀的程度取决于 侵蚀性组分渗透到混凝土中的动力学，而渗透动力学又取决于水的蒸发强度和 混凝土毛细孔的渗透性。混凝土的外露表面积、侵蚀性溶液液面到混凝土外露 表面的项面距离、以及外部条件( 空气的温度和湿度) 等都对侵蚀性溶液在混 凝土内部的运动起着重要的作用，而在混凝土体内，溶液按照毛细孔迁移作用 的机理而运动，因此，腐蚀过程的特点将取决于混凝土的渗水率与水在外露表 面上蒸发强度之间的比例关系。 盐溶液既可以附着在构件的蒸发表面，也可以在不改变溶液浓度的情况下 渗透到构件的表层深处。一般情况下，所有的盐都沉积在混凝土的表面上，但 是，如果水在混凝土的表层深处早已蒸发，那么这些溶解盐就会沉积在离混凝 土表面一定距离的地方，并在表层内逐渐积聚，直至破坏混凝土。 3 硫酸盐溶液对混凝土的干湿交替作用 由于毛细力作用的结果，在混凝土被浸湿时，侵蚀性介质就被吸收到混凝 土深处，而干燥时侵蚀性介质又向混凝土的蒸发表面转移，这种干湿交替的腐 蚀过程反复发生，再加上温度的变化影响和液相运动，使这种腐蚀过程更加激 1 4 天津大学博士学位论文 第二章5 讲一环境中混凝土构件的腐蚀机理 c 3 a c s h 。和c 。a c h h 。8 与硫酸盐反应生成钙矾石。反应过程为： s 3 心c 8 h 1 8 + 2 c h + 2 s + 嗍“3 九3 c s m 3 2( 2 _ 8 ) c 3 a c h h 1 8 + 2 c h + 3 s + 1 2 h 专c 3 a 3 c s h 3 2 此反应中固体体积又增加了2 倍多。由于硬化水泥浆体积膨胀，产生内应力， 因此，这也是导致混凝土强度下降甚至开裂破坏的原因。各种化合物的克分子体 积列入表2 2 中。 表2 2 各种化合物的克分子体积( c m 3 ) 化合物分子量密度( g c m 3 )克分子体积 c a ( o h ) 2 7 1 4 02 2 33 3 2 m g ( o h ) 2 5 8 3 4 2 3 82 4 5 c a s 0 4 2 h 2 0 1 7 2 2 02 3 27 4 2 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 3 7 82 5 21 5 0 0 4 c a o 越2 0 3 1 9 h 2 0 6 6 81 8 13 6 9 0 3 c a o 越2 0 3 3 c a s 0 4 1 2 h 2 0 6 2 21 9 93 1 5 o 3 c a o 灿2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 1 2 5 51 7 37 1 5 0 2 2 4 混凝土受硫酸盐腐蚀时的膨胀变形 许多腐蚀过程往往都伴随着水泥石材料固体面积的增大，也就是说，固体 面积较大的石膏和水合硫铝酸钙的生成造成了混凝土的膨胀和裂缝，这是混凝 土破坏的主要原因。 硫酸盐腐蚀的典型特点是：混凝土试件的变形是循序渐进发展的。根据各 种材料的密实性不同，其变形速度之间有着明显的差别。由于硫酸盐与水泥石 的水合铝酸盐相互反应，使新生成物在混凝土孔隙内沉淀，有可能局部恢复混 凝土的结构强度。在已发生很大变