混凝土耐久性问题分析及其提高办法.doc

混凝土耐久性问题分析及其提高办法 目录 引言 混凝土结构耐久性分析与评估是关系到结构可靠性与合理性的重要课题，是当前混凝土结构理论研究的一个热门话题，它涉及到混凝土材料耐久腐蚀理论、建筑结构可靠度设计准则、混凝土结构维修加固等诸多方面知识，其分析与应用方法的研究对实际工程建设起着关键作用。规范采用了宏观控制的方法，即根据结构设计使用年限和环境类别对结构混凝土提出相应的限制和要求，以保证其耐久性。这种方法概念清楚，设计简单。规范规定设计人员在设计图纸上应标明建筑结构的使用年限，为此，设计人员应结合已有的设计经验和当地工程建设实践认真进行结构的耐久性设计，以保证和提高混凝土结构的耐久性。 耐久性：Durability 冻融破坏：Freeze and absorb damage集料反应：Set material response 化学侵蚀：Chemical erosion一、混凝土耐久性问题分析（一）混凝土耐久性的概念 混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。现行国家标准混凝土结构设计规范（GB50010-2002）中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行设计规范只划分成两个极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限状态之中。且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。 （二）耐久性等级 根据混凝土结构在使用过程中需要维修的程度可划分不同耐久性等级: 1、1级耐久性:一般针对室内干燥环境下的住宅、办公楼等室内构件。仅需一般性的粉刷或油漆防护，即可满足在规定的使用年限内所要求的年限。 1、2级耐久性:针对露天环境或高温高湿环境下的构件，在规定的使用年限内偶尔需要进行维修的情况。维修的方法可能是修补或更替个别构件。 1、3 级耐久性:在沿海地带或受冻融作用的环境以及使用除冰盐的结构。在规定的使用年限内需要经常维修的情况。 （三）混凝土耐久性的影响因素 1、混凝土的冻融破坏。当结构处于冰点以下环境时,混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好。 混凝土的抗冻性是混凝土受到物理作用（干湿变化、温度变化、冻融变化等）后反映混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土冻融作用破坏机理是混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀9%，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中的水的冰点随着孔径的减小而降低。当胶凝孔水形成冰核的温度在-78 以下时，由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外胶凝不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大。发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。影响混凝土抗冻性的因素,除了孔结构和含气量外,还包括:混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等。 2、混凝土的碱-集料反应。混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应,引起混凝土的膨胀,开裂,甚至破坏。国内外因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校的事件并不在少数。混凝土碱-集料反应需具备三个条件,即有相当数量的碱,相应的活性集料,水分,避免碱-集料反应的方法可采用:尽量避免采用活性集料;限制混凝土的碱含量;掺用混合材。 3、化学侵蚀。当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时,会引起水泥石发生一系列化学,物理与物化变化,而逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强度降低,以至破坏.常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀,一般酸性水腐蚀,碳酸腐蚀,硫酸盐腐蚀,镁盐腐蚀等几类.淡水的冲刷,会溶解水泥石中的组分,使水泥石孔隙增加,密实度降低,从而进一步造成对水泥石的破坏;当水中溶有一些酸类时,水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用,腐蚀明显加速;碳酸在溶淅水泥石的同时,破坏混凝土内的碱环境,降低水泥水化产物的稳定性,影响水泥石的致密度;硫酸盐SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应,生成物体积膨胀开裂造成损坏。 4、钢筋的锈蚀。钢筋的锈蚀表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应,逐步生成氢氧化铁等即铁锈,造成混凝土顺筋裂缝,从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道,加快结构的损坏.混凝土碳化和中性化主要是由于混凝土的密实度即抗渗性不足,酸性气体渗入混凝土内与氢氧化钙作用;其二,氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用;其三,钢筋在拉应力和腐蚀性介质共同作用下形成的脆性断裂;其四,钢筋的氢脆现象,即预应力筋在酸性与微碱性的介质中发生脆性断裂,钢筋在腐蚀过程中会产生少量氢气,当钢筋内部存在缺陷,会产生很大压力,出现鼓泡现象,使钢筋脆化。3. 提高混凝土结构耐久性的措施 5、原材料的选择。水泥类材料的强度和工程性能,是通过水泥砂浆的凝结,硬化形成的,水泥石一旦受损,混凝土的耐久性就被破坏,因此水泥的选择需注意水泥品种的具体性能,选择碱含量小,水化热低,干缩性小,耐热性,抗水性,抗腐蚀性,抗冻性能好的水泥,并结合具体情况进行选择。集料的选择应考虑其碱活性,耐蚀性和吸水性,同时选择合理的级配,改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土密实度;掺混合材混凝土,是提高混凝土耐久性的有效措施.即近年来发展的高性能混凝土。 6、控制施工质量。控制施工质量主要从混凝土结构保护层的厚度控制、混凝土结构各种孔隙的控制以及水灰比控制等几个方面进行。针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度。如一类环境(室内正常环境),设计使用年限为100年的结构混凝土应保护层厚度应按规范的规定增加40%;混凝土结构及构件宜整体浇筑,不宜留施工缝。可以通过掺加高效减水剂,在保证混凝土拌和物所需流动性的同时,降低用水量,减小水灰比,使混凝土的总孔隙率大幅度降低。 7、结构的日常维护。结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。在使用中,应尽量避免结构承受超重荷载、接触腐蚀性物质,并尽量减少冻融环境的影响。同时在结构建成后定期检查,在结构破坏超过一定的界限后,就需要详查破坏原因并评估是否需要维修或加固。（四）混凝土缺陷检测1、声发射法。声发射法是利用材料或结构受力时发出瞬态振动现象的原理，在混凝土构件表面的不同部位上放置声传感器，并将传感器与信号放大器、信号调节器和磁带记录仪等组成测量系统。当混凝土构件受力产生的应变超过其弹性极限点时就会产生小振幅弹性波，波向构件表面传播，会被放置在构件表面上的传感器探测到，根据不同探测位置上的应力波到达时间差可以确定变形点的位置，即混凝土构件由于受力而发生损伤的位置。用声发射法可以检测结构遭受损伤的程度。但是，该方法只能在结构变形和应力增加时才能应用，在静荷载下不能单独测量混凝土的损伤或破坏。2、雷达法。雷达法是利用频率为1001200MHz的电磁波扫描混凝土构件表面，当混凝土构件存在孔洞、裂缝、分层等缺陷时，雷达扫描波形图会发生改变，根据雷达扫描波形图，即可分析混凝土的缺陷。3、红外线热谱法。红外线热谱法又称红外扫描，是通过测量和记录混凝土结构热发射来分析判断混凝土构件缺陷的方法。当混凝土中存在裂缝或不连续时，扫描仪上将显示完好和有缺陷混凝土热发射的差异。二、提高混凝土结构耐久性的设计我国的结构设计规范长期没有设计使用年限的要求,在近几年修订颁布的建筑结构设计规范中才明确规定将建筑结构的设计年限分为四类,但这对提高混凝土结构的耐久性起不到太大的作用,虽然结构的使用年限可以通过维修延长,但结构中的个别部件不一定能够达到设计使用年限,这在桥梁等结构中尤为明显。例如设计使用30年的拉索往往不到20年就要更换,这无疑会大大缩短结构的使用寿命,应该在设计时加以考虑。 另外,由于我国的国情限制,我国的混凝土结构往往达不到发达国家的设计与施工水平。随着改革开放的进行,我国的结构设计水平已经逐渐与国际接轨,但不可否认的是,我国的科技水平仍然无法与发达国家相比,在设计中也就难免有这样那样的问题。我国的劳动力素质普遍低下,建筑施工大多还是粗放型的建造方式,施工质量难以保证。同时,我国的建筑材料与国外也有不小的差距,例如我国的水泥质量一般要比欧洲差,随着龄期的发展其后期性能提高可能相对较少,因此在龄期系数的取值上宜偏低取用。而这些也就使我国的混凝土结构耐久性低于国外水平。（一）提高混凝土结构耐久性的措施。1、划分混凝土结构的环境类别混凝土结构耐久性与结构的工作环境条件有密切的关系。同一结构在强腐蚀环境中要比一般大气环境中使用寿命短。对结构所处的环境划分类别可使设计者针对不同的环境采用相应的对策。第一类环境类别为：室内正常环境；第二类环境类别为：室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境。这部分主要是考虑基础、地下室、人防工程等在浸水情况下的耐久性；第二类环境类别为：严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；第三类环境类别为：使用除冰盐的环境；严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境。这类环境在空气中含有大量的氯离子，氯离子有很强的活性，日长月久极易破坏钢筋表面的钝化膜而引起钢筋锈蚀；水位变动的环境加上严寒和寒冷地区冬季的反复冻融，往往对混凝土造成很大的损伤；第四类环境类别为：海水环境。如港口码头，灯塔、海岛高脚屋等；第五类环境类别为：受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境。由于耐久性与环境条件密切相关，不同的环境条件，应有不同的控制要求。对此设计者应根据具体工程情况具体分析。2、控制混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度的大小及保护层的密实性是决定结构的设计使用年限的根本因素。环境条件及保护层厚度又是从钢筋开始锈蚀到出现沿钢筋的纵向裂缝的时间的决定因素。因此，结构规范根据混凝土结构所处的环境条件类别，规定了混凝土保护层的最小厚度。要求设计人员应根据已有的经验和当地工程实践来适当增加钢筋混凝土保护层厚度。3、控制裂缝等级和限值裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是钢筋开始锈蚀的主要条件。因此，结构规范根据钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构所处的环境类别和构件受力特征，规定了裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。（二）混凝土的基本要求根据结构的环境类别，合理地选择混凝土原材料，控制混凝土的氯离子含量和碱含量，防止碱集料反应。改善混凝土的级配，控制最大水灰比、最小水泥用量和最低混凝土强度等级，提高混凝土的抗渗性能和密实度。选择合适的混凝土抗渗等级和抗冻等级。对抗冻混凝土必须掺加引气剂。有抗渗要求的混凝土结构，混凝土的抗渗等级应符合有关标准的要求；严寒及寒冷地区的潮湿环境中，结构混凝土应满足抗冻要求，混凝土抗冻等级应符合有关标准的要求。混凝土表面喷涂或涂刷聚合物水泥砂浆、沥青及环氧树酯等防腐层。必要时在结构表面设置专门的防渗面层。对于二类和三类环境中，设计年限为100年的混凝土结构，应采用专门有效措施。采用耐腐蚀钢筋。暴露在侵蚀环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧树酯涂层带肋钢筋；为防氯盐的腐蚀，采用各种钢筋阻锈剂或对钢筋采用阴极防护法。对预应力钢筋、锚具及连接器，应采取专门防护措施。（三）耐久性设计原则 在进行混凝土耐久性设计时，设计人员应首先明确该结构耐久性目标是什么，即预期设计使用寿命是多少;其次是要清楚耐久性失效标准是什么。对于拟建结构的预期使用寿命已明确将结构设计使用年限划分为4类;对于耐久性失效标准的定义，目前尚没有一致的看法，对于一般的钢筋混凝土结构，多数的观点认为有两种耐久性失效标志:一种是结构由于耐久性能退化导致结构的变形不能满足正常使用的要求，多数以钢筋锈蚀发展到出现混凝土沿顺筋开裂作为正常使用耐久性失效标准;另一种是以结构性能退化导致结构承载能力降低到承载能力极限状态，称为承载能力耐久性失效标准。 （四）耐久性设计内容与要求 1、耐久性材料的选择： (1)根据使用环境条件、设计使用年限和耐久性等级的要求，选择混凝土原材料和配合比，并选用不同强度等级的混凝土、水灰比和水泥用量。环境侵蚀作用轻微时，混凝土强度等级可用C25，水灰比可以是0.6左右，水泥用量在260kg/m3左右;而当环境侵蚀作用严酷时，混凝土强度等级C40，水灰比可以是0.6左右，最低水泥用量在380kg/m3左右。 (2) 对用于冻融环境下的混凝土，可根据平均冻融次数的不同，掺入不同数量的引气剂，占水泥重量的4.5%-7%。 (3) 对有氯盐侵蚀的环境(海岸周围或使用除冰盐时)要控制混凝土中的氯离子含量，应 0. 1%的水泥重量。 (4) 有严重化学侵蚀作用的环境，受力钢筋可考虑采用环氧涂层钢筋或耐腐蚀的合金钢材。 2、结构构造设计： (1)要区别普通混凝土和预应力混凝土，分别针对不同的侵蚀环境和设计使用年限，取用不同的混凝上保护层厚度，少则20mm，多则70mm。 (2) 构件处于可能遭受严重锈蚀环境时，应控制受力钢筋最小直径为16mm。 (3)合理地选择结构构件截面的几何形状，使其不能形成侵蚀性物质的停留区，构件的截面积与表面积应具有适当的比例。 (4) 室外构件宜设滴水沟，防止雨水从构件侧面流向底面。 (5)混凝土墙板在侵蚀环境中承受温度和湿度作用时，应注意通风，避免过高的局部潮湿和水气聚积。 (6)用离心法制作的混凝土结构构件可达到有效的密实度，用于架空输电线路的离心法混凝土电杆，在严寒气候条件下具有较高的抗蚀性。 (7) 混凝土构件的配筋布置要保证足够钢筋间距，避免保护层不足引起钢筋过早锈蚀或混凝土保护层剥落。 (8) 构件的设计应避免出现过大裂缝，在荷载作用下，混凝土表面裂缝计算宽度 0.2mm，对有氯离子侵蚀的环境和预应力混凝土构件，其宽度 0.1mm。 (9)构件中的应力状态和大小，在很大程度上会影响混凝土的渗透性及其与活性介质相互作用的速度，在弹性应变范围内，材料的受压和受拉都会引起结构的孔隙、毛细管和裂缝发生可逆变化，在弹塑性区也影响材料的显微结构和多孔结构，所以要加强混凝土的密实性。在任何情况下，张拉都会加大混凝土的渗透性，降低其抗腐蚀性。 3、裂缝宽度的限制： (1) 现行混凝土结构设计规范(GB50010-052)给出不同环境类别下裂缝宽度限制值，如裂缝控制等级为三级(允许出现裂缝构件)的最大裂缝宽度限值，室内正常环境下的受弯构件，最大裂缝宽度可放宽到0.4mm，对处于露天干湿交替环境下的构件，允许的裂缝宽度可放宽到0.2mm，对处于氯离子侵蚀环境下的钢筋混凝土构件，建议裂缝宽度 0.1 mm。 (2)对一类环境下的预应力混凝土屋面梁、托梁、屋架、托架、屋面板和楼板，应按二类裂缝控制等级进行验算，在一类和二类环境下，对需作疲劳验算的预应力混凝土吊车梁，应按一级裂缝控制等级进行验算。 4、施工要求： (1) 混凝土结构及构件宜整体浇筑，不宜留施工缝。当必须有施工缝时，其位置及构造不得有损于结构的耐久性。 (2) 拌合的混凝土应尽快入模，应以适当的速度浇筑混凝土，混凝土自由下落的高度不宜大于1.5m。 (3) 混凝土应充分振捣;分层浇筑时，连接部位的混凝土应重点振捣。 (4)在寒冷条件下浇筑混凝土时，混凝土材料、钢筋、模板及与混凝土接触的堆料地面都不得温度过低。混凝土材料可适当加温后搅拌，使混凝土保持适当的硬化温度。 (5)不宜将与混凝土起化学作用或与钢筋起电解作用的设备套管等预埋入结构构件内;当必须这样做时，应在其外涂刷或覆盖有效的防护膜。 (6)钢筋应在模板内正确定位，绑扎牢