混凝土结构耐久性浅谈(模板)

内容摘要 近年来 越来越多的大跨桥梁 高层建筑 地下水下工程的修建 工程建设 对混凝土的性能要求越来越高 要求混凝土不仅要有良好的物理性能还要有很好 的耐久性 本文从等多个因素对混凝土的耐久性进行研究 关键词 写作规范 排版格式 毕业论文 3 5 个 混凝土的耐久性 冻融破坏 渗透破坏 碱骨料反应 混凝土碳化 钢筋锈蚀 化学侵蚀 目 录 内容摘要 I 引 言 1 1 绪论 2 1 1 混凝土耐久性问题的提出 2 1 2 混凝土耐久性的概念 2 2 混凝土结构耐久性问题的分析 3 2 1 混凝土冻融破坏 3 2 1 1 破坏机理 3 2 1 2 影响因素 3 2 2 混凝土渗透破坏 3 2 2 1 破坏原因 4 2 2 2 影响因素 4 2 3 碱骨料反应 4 2 3 1 破坏原因 4 2 3 2 影响因素 4 2 4 混凝土的碳化 4 2 4 1 破坏原因 4 2 4 2 影响因素 4 2 5 钢筋锈蚀 4 2 5 1 破坏原因 5 2 5 2 影响因素 5 2 6 化学侵蚀 5 2 6 1 产生原因 5 2 6 2 影响因素 5 3 提高混凝土耐久性的措施 6 4 案例分析 7 5 结论与展望 8 参考文献 9 注 2 在该页面中点击鼠标 右键 选择 更新域 在弹出窗口中选择 更新 整个目录 确定即可自动 生成目录 阅后删除此文本 框 注 1 更新目录前必须对每 章节的标题做标题格式定 义 阅后删除此文本框 引 言 从引言开始是正文的第一页 页码从 1 开始编排 注意引言内容不要与摘要内容雷同 引言 或称前言 主要阐述立题的背景与问题的提出 诸如本课题所及的国内外现状 理论 依据 研究的意义 并点出自己要研究的主题和本论文要解决的问题等 阅后删 除红字 字体要求 宋体 小四 号 行距固定值 22 磅 阅后删除此文本框及内容 按原格式加入你自己的内 容 1 绪论 1 1 混凝土耐久性问题的提出 本节主要分析各类混凝土破坏现象 提出混凝土耐久性的重要性 引出混 凝土耐久性这个课题 阅后删除红字 1 2 混凝土耐久性的概念 混凝土结构在自然环境 使用环境及材料内部因素作用下 在设计要求的目 标使用期内 不需要花费大量资金加固处理而保持其安全 使用功能和外观要求 的能力 混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用 长期保持强度和外 观完整性的能力 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 2 混凝土结构耐久性问题的分析 2 1 混凝土冻融破坏 混凝土冻融破坏是指混凝土在饱水或潮湿的状态下 由于环境中温度的正负 变化 导致混凝土内部松弛产生疲劳应力 反复的冻融循环造成混凝土由表及里 逐渐剥蚀的破坏现象 混凝土发生冻融破坏后 破坏作用不断积累 裂缝不断扩大和深入 由外向 里 直至混凝土破坏 而其现象就是从表层开始向内逐层剥落 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 最终严重影响了结构的长期使用 2 1 12 1 1 破坏机理破坏机理 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 2 1 22 1 2 影响因素影响因素 1 平均气泡间距 平均气泡间距越大 冻融过程中毛细孔中的静水压和渗透压越大 混凝土抗 冻性越低 2 水灰比 它的变化影响混凝土中可冻水的含量 平均气泡间距及混凝土的强度 水灰 比越大 可冻水的含量越多 混凝土的结冰速度越快 气泡结构越差 平均气泡 间距越大 混凝土强度越低 抗冻性越差 3 外加剂 影响气泡间距的主要因素是含气量 混凝土中封闭空气泡除搅拌 振捣混入 外 主要是引气剂等其他外加剂人为引入的 引入的空气泡越多 平均气泡间距 越小 毛细孔中的静水压和渗透压越小 混凝土抗冻性越好 4 强度 静水压和渗透压超过混凝土的抗拉强度时 混凝土即产生冻融破坏 当含气 量和平均气泡间距相同时 强度高的混凝土的抗冻性高于强度低的混凝土 5 骨料 骨料的冻害机理可用静水压假设来解释 6 水泥品种和用量 随水泥混合材掺入量的增加 混凝土的抗冻性越差 7 冻结温度和降温温度 静水压力与结冰速度和降温速度成正比 孔隙水的冻结是随着大孔向小孔扩 展 大孔冻结时结冰速度大 小孔冻结时结冰速度小 结冰速度随温度的降低而 降低 2 2 混凝土渗透破坏 混凝土结构的渗透破坏是指气体 液体或者离子等有害介质在混凝土中渗 透 扩散或迁移 最终导致混凝土结构受到破坏 混凝土结构发生渗透破坏后 有害介质首先破坏结构表层混凝土 导致混凝土中发生钢筋锈蚀 碱骨料反应等 变化 而这些变化多数伴随着体积的膨胀 膨胀产生的应力又使得混凝土进一步 开裂 从而进一步加大混凝土的渗透性 使得有害介质的入侵更加迅速 导致混 凝土结构循环往复产生更大范围的破坏 因此混凝土的渗透性给有害介质提供了 入侵的通道 而有害介质与混凝土发生的破坏性反应则增大了混凝土的渗透性 两者相互促进 最终严重影响混凝土结构的耐久性 阅后删除红字 2 2 12 2 1 破坏原因破坏原因 当水与混凝土接触时 由于压力差和毛细孔的表面张力会使水向砼内部迁移 于是发生了渗透现象 混凝土的渗透性能主要取决于砼的孔隙率 孔结构及骨料 的性能 虽然含有大小不同的孔隙和裂缝 但并非这些孔隙和裂缝均是渗水通道 抗渗性除了孔隙率之外还要看孔结构 2 2 22 2 2 影响因素影响因素 1 随着砼强度等级的提高 砼渗水高度呈降低趋势 砼的抗渗等级逐渐增加 反映了砼抗水渗透性随着砼的强度增加而提高 2 对于掺加矿物掺合料的砼 存在最佳掺量 在某一掺量之前 随着矿物掺 合料的增加 抗水渗透性而提高 说明矿物掺合料最充分发挥了二次水化作用和 微集料作用 但超过最佳掺量后 抗渗性能趋于下降 2 3 碱骨料反应 混凝土中的碱与混凝土中的活性骨料发生反应 生成膨胀性物质 导致混 凝土发生膨胀破坏 称为碱骨料反应 这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开 裂 改变混凝土的微结构 使混凝土的抗压强度 抗折强度 弹性模量等力学性 能明显下降 严重影响结构的安全使用性 而其反应一旦发生很难阻止 更不易 修补和挽救 被称为混凝土的 癌症 阅后删除红字 2 3 12 3 1 破坏原因破坏原因 碱骨料反应的机理碱骨料反应是水泥 混凝土中 达到一定数量的可溶性碱性 氧化物 如 Na20 Kz0 与混凝土中某些含有活性矿物的骨料在有水分的条件下发 生化学反应 生成的凝胶体体积膨胀 引起已硬化的混凝土开裂破坏 其中 Na20 K2O 属于强碱 是水泥炼烧过程中和水化过程中的产物 混凝土的总碱含量 等于水泥碱含量 外加剂碱含量 掺合料碱含量以及拌合水碱含量之和 另外 碱溶性骨料分为两种 一种是硅酸类 指非结晶 Si 和结晶不完整的 Si 具有碱 活性的硅酸盐类岩石矿物有蛋白石 玉髓 火山玻璃体 另一类是碳酸盐类 指 结晶小的泥灰石灰石 白云石等 具有碱活性的碳酸盐类岩石矿物是细小菱形白 云石晶体 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 碱性溶液 K0H NaOH 和水 2 3 22 3 2 影响因素影响因素 碱硅酸反应碱一硅酸反应是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生 碱硅酸凝胶或称碱硅凝胶 其体积大于反应前的体积 且有很强的吸水性 吸水 后进一步膨胀 引起混凝土内部膨胀应力 而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨 料反应的发展 使混凝土内部膨胀应力增大 导致混凝土开裂 严重的可导致混 凝土结构崩溃 其反应机理如下 混凝土中的活性骨料与混凝土中的碱集料发生 反应 2NaOH Si02 Na0 Si H20 当 KOH 和 NaOH 浓度较低时 不足以引起混凝 土的破坏 一般认为当含碱量小于 0 6 时 可不考虑碱骨料反应 碱一硅酸盐 反应的机理与碱一硅酸反应的机理是一致的 只是反应速度比较缓慢 能与碱发 生反应的溶性氧化硅矿物有蛋白石 玉髓 鳞石英 方英石 火山玻璃及结晶有 缺乏的石英以及微晶 隐晶石英等 而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中 因 而迄今为止世界各国反应的碱骨料反应绝大数为碱硅酸反应 碱碳酸盐反应碱一碳酸盐反应引起的混凝土破坏 目前归结为白云石质石灰 岩骨料脱白云石引起的体积膨胀 白云石质石灰集料在碱性溶液中发生的脱白云 石反应如下 CoMg O33 2 2NaOH Mg OH 2 CaCO3 maaCO3 式中 Na 也可转换作 K 这一反应不是发生在集料颗粒与水泥浆的表面 而是发生在集料颗粒的内部 这样水镁石 Mg 0H 2晶体排列的压力和粘土吸水膨胀 引起混凝土内部应力 导 致混凝土开裂 2 4 混凝土的碳化 混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳气体渗透到混凝土内 与其碱性 物质起化学反应生成碳酸钙和水 使混凝土碱度降低的过程 这一过程又称混凝 土的中性化 阅后删除红字 2 4 12 4 1 破坏原因破坏原因 混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀 空气中 CO2 气渗透到混凝土 内 与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水 使混凝土碱度降低的过程称为 混凝土碳化 又称作中性化 其化学反应为 Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O 水泥 在水化过程中生成大量的氢氧化钙 使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液 其碱性介质对钢筋有良好的保护作用 使钢筋表面生成难溶的 Fe2O3 和 Fe3O4 称为钝化膜 碳化后使混凝土的碱度降低 当碳化超过混凝土的保护层时 在水 与空气存在的条件下 就会使混凝土失去对钢筋的保护作用 钢筋开始生锈 可 见 混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化 对于素混凝土 碳化还有 提高混凝土耐久性的效果 但对于钢筋混凝土来说 碳化会使混凝土的碱度降低 同时 增加混凝土孔溶液中氢离子数量 因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱 2 4 22 4 2 影响因素影响因素 影响混凝土碳化速度的因素是多方面的 首先影响较大的是水泥品种 因不 同的水泥中所含硅酸钙和铝酸钙盐基性高低不同 其次 影响混凝土碳化主要还 与周围介质中 CO2 的浓度高低及湿度大小有关 在干燥和饱和水条件下 碳化反 应几乎终止 所以这是除水泥品种影响因素以外的一个非常重要的原因 再次 在渗透水经过的混凝土时 石灰的溶出速度还将决定于水中是否存在影响 Ca OH 2 溶解度的物质 如水中含有 Na2SO4 及少量 Mg2 时 石灰的溶解度 就会增加 如水中含有 Ca HCO3 2 的 Mg HCO3 2 对抵抗溶出侵蚀则十分 有利 因为它们在混凝土表面形成一种碳化保护层 另外 混凝土的渗透系数 透水量 混凝土的过度振捣 混凝土附近水的更新速度 水流速度 结构尺寸 水压力及养护方法与混凝土的碳化都有密切的关系 2 5 钢筋锈蚀 混凝土中水泥水化后 会生成碱性的氢氧化钙 导致混凝土孔隙中的水分 有很高的碱性 在钢筋表面形成一层致密的钝化膜 因此在正常情况下钢筋不会 锈蚀 但钝化膜一旦破坏 在有足够水和氧气条件下会产生电化腐蚀 混凝土中 钢筋一旦发生锈蚀 在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物 同时向周围混凝土孔 隙中扩散 混凝土中的钢筋锈蚀后 一方面会使钢筋有效截面减小 另一方面 锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落 钢筋混凝土之间的粘结作用下 降 阅后删除红字 2 5 12 5 1 破坏原因破坏原因 钢筋锈蚀的原因有两个方面 一是钢筋保护层的碳化 其碳化的原因是混凝 土不密实 抗渗性能不足 硬化的混凝土 由于水泥水化 生成氢氧化钙 故显 碱性 pH 值 12 此时钢筋表面生成一层稳定 致密 钝化的保护膜 使钢筋不 生锈 当不密实的混凝土置于空气中或含二氧化碳环境中时 由于二氧化碳的侵 入 混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳反应 生成碳酸钙等物质 其碱性逐渐降低 甚至消失 称其为混凝土的碳化 当混凝土的 pH 值 12 时 钢筋的钝化膜就不 稳定 当 pH 值 n 5 时 钢筋的钝化保护膜就遭破坏 钢筋的锈蚀便开始进行 二是氯离子的含量 据有关试验证明 即便是 pH 值较高的溶液 如 pH 值 13 只要有 4 6mg L 的氯离子含量 就足可以破坏钢筋的钝化膜 使钢筋失去钝化 在水和氧气的作用下导致钢筋锈蚀 2 5 22 5 2 影响因素影响因素 混凝土不密实或有裂缝存在 混凝土密实不良和构件上产生的裂缝 往往是 造成钢筋腐蚀的重要原因 尤其当水泥用量偏小 水灰比不当和振捣不良 或在 混凝土浇筑中产生露筋 蜂窝 麻面等情况 都会加速钢筋的锈蚀 混凝土碳化 侵蚀气体和介质的侵入 碳化是介质与混凝土相互作用的一种 很广泛的形式 最典型的例子是空气中的 CO2 渗入 与孔隙中的 Ca OH 2 反应 生成 CaCO3 使 pH 值下降 当 pH 值 11 5 时 钝化膜就开始不稳定 当 pH 值降 低到 9 左右时 钢筋表面的钝化膜遭到破坏 钢筋开始腐蚀 混凝土中 C1 含量对钢筋锈蚀的影响 一方面 C1 可能是随混凝土组成材料 水泥 砂 石 外加剂 进入的如在冬季施工 为提高混凝土抗冻性而掺入氯盐 海砂拌制混凝土等 另一方面 C1 是在混凝土硬化后经其孔隙由外界渗入的 如 遭受海水侵蚀的海岸混凝土构筑物 冬季在混凝土路面上喷洒盐水防止路面冰冻 游泳池用氯气消毒等 与环境湿度密切相关 混凝土的碳化和钢筋腐蚀与环境湿度有直接关系 在 十分潮湿的环境中 其空气相对湿度接近于 100 时 混凝土孔隙中充满水分 阻 碍了空气中的氧向钢筋表面扩散 二氧化碳也难以透入 所以 使钢筋难以腐蚀 2 6 化学侵蚀 一些侵蚀性介质 比如酸 碱 硫酸盐 压力动水等 侵入混凝土 可能 会造成混凝土的化学腐蚀 化学腐蚀主要有三类 分别为溶出性侵蚀 溶解性侵 蚀和膨胀性侵蚀 阅后删除红字 2 6 12 6 1 产生原因产生原因 2 6 22 6 2 影响因素影响因素 3 提高混凝土耐久性的措施 可以从混凝土材料 结构设计 工程施工等方面出发 提出提高混凝土耐 久性的措施 也可以从第二章中所提到的各耐久性失效现象出发 提出避免或补 救相关破坏作用的措施 本章是需要同学们自行发挥的 阅后删除红字 一 预防钢筋的锈蚀 常用的方法有环氧涂层钢筋 采用静电喷涂环氧树 脂粉末工艺在钢筋表面形成一定厚度的环氧树脂防腐涂层 这种钢筋保护层能长 期保护钢筋使其免遭腐蚀 此外 在混凝土表面涂层也是简便有效的方法 但涂 料应是耐碱 耐老化和与钢筋表面有良好附着性的材料 还可掺加高效减水剂 在保证混凝土拌和物所需流动性的同时 尽可能降低用水量 减小水灰比 使混 凝土的总孔隙率 特别是毛细孔隙率大幅度降低 还可研究新技术 开发新产品 如耐锈钢筋 阻锈钢筋等 二 避免或减轻碱集料反应 混凝土碱集料反应危害很大 一旦发生很难 修复 当混凝土使用有碱活性反应的骨料时 必须从配合比出发 严格控制混凝 土中的总碱含量以保证混凝土的耐久性 此外 外加剂特别是早强剂带来高含量 的碱 为预防碱集料反应 在设计上应对外掺剂的使用提出要求 三 加强施工管理 严格控制施工配合比 搅拌必须均匀 振捣必须到位 要严格遵守养护制度 可以用表面养护剂来改善养护条件 提高保水性 加速表 面硬化 混凝土构件的侵蚀病害都是从表面开始的 在混凝土终凝前做好原浆抹 面压光 增强表面密实度 也可采用表面浸渍和表面涂覆的手段来降低混凝土表 面渗透性 四 防止混凝土的冻融破坏 混凝土的组成 配合比 养护条件和密实度 决定了其在饱水状态下抵抗冻融破坏的能力 目前只有加气混凝土才能有效提高 混凝土的抗冻性 引气是提高混凝土抗冻性的主要参数 一般引气量 4 8 同时 应避免采用吸水率较高的集料 加强排水以免混凝土结构被水饱和 在混 凝土中掺加优质引气型高效减水剂 既能获得大量均匀分布的微小气泡 显著提 高抗冻性 又能大幅度减小 W C 从而保证混凝土强度不降低 甚至有所提高 五 拌合及养护用水 混凝土拌合及养护用水 应考虑其对混凝土强度的 影响 水灰比的大小很大程度影响混凝土强度值的大小 拌合水应检查其杂质情 第三章开始另 起一页 阅后 删除此文本框 况 防止影响砂浆及混凝土生成时杂质影响其耐久性 海水中含有硫酸盐 镁盐 和氯化物 除了对水泥石有腐蚀作用外 对钢筋的腐蚀也有影响 因此在腐蚀环 境中的混凝土不宜采用海水拌制和养护 六 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