混凝土的时效硬化

混凝土的时效硬化分析,主要内容,1、混凝土的发展状况2、结构抗力的时变性和时变可靠度3、结构抗力的衰减因素及影响机制4、减缓混凝土结构抗力劣化的方法5、结语,1、混凝土的发展状况,长期以来，混凝土作为土建工程中用途最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年的发展中，其强度不断提高。但是，在提出强度的同时，混凝土结构的抗力随时间劣化的问题也愈来愈被人们所关注。人们一直以为混凝土是非常耐久的材料，直到20世纪20年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后20-30年，甚至在更短的时期内就出现劣化。目前经济发达国家处于第三阶段，结构因承载力不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价。,2、结构抗力的时变性和时变可靠度,在我国现行规范中，常用极限状态来衡量结构是否可靠，并将极限状态方程中的基本变量表达为结构抗力R和荷载效应S两个综合基本变量，这种极限状态常用建筑结构的功能函数来表达，即G(S,R)=R-S0式中：S-结构的荷载效应R-结构的抗力,按结构可靠度来控制:,在设计及评定建筑结构时，按可靠度来控制。在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。若仍仅用结构抗力R和荷载S两个综合基本变量且均按正态分布时，结构构件的可靠指标可按下式计算：式中：-结构构件的可靠指标-结构构件作用效应的平均值和标准差-结构构件抗力的平均值和标准差,上述式子的缺点是：,在分析中忽略了基本变量随时间变化的关系，即忽视了基本变量的时变性，从而导致现行结构可靠度的评定方法是一种近似概率方法，据此求得的结构可靠度也是静态可靠度。单就钢筋混凝土结构而言，在使用早期，可靠度一般比设计值有所提高，这是因为在此期间混凝土强度有较大幅度的提高，但钢筋混凝土存在耐久性问题，即其性能会随时间发生退化，使结构的强度、刚度、可靠度降低。同时，由于结构刚度的变化对结构的动力性能产生直接的影响，从而使结构的动力荷载效应发生变化，并二次影响到结构可靠度。,为了更清楚地了解建筑结构在使用期间其可靠度随时间变化的规律，并据此为结构的耐久性设计提供依据，对建筑物的维修、维护和加固等防震减灾措施提供指导作用。避免因盲目性造成不必要的经济损失，下面将对各因素的影响机制和影响规律进行研究分析。,引起钢筋混凝土结构的抗力随时间退化的影响因素包括很多方面，一般可归纳为三类，即环境因素、自身因素和受荷因素。环境因素常见的有混凝土的碳化，钢筋的锈蚀，侵蚀性气体、液体的腐蚀以及温度变化的影响；自身因素主要是指混凝土及钢筋强度随时间的衰减、碱-集料反应、混凝土的收缩与徐变；受荷载因素主要指高应力幅度、疲劳损伤等。,3、结构抗力的衰减因素及影响机制,3.1钢筋的锈蚀及其影响机制3.2碱-集料反应及其影响机制3.3混凝土的抗渗及抗冻性及其影响机制3.4侵蚀性介质对混凝土的破坏及其影响机制,3.1钢筋的锈蚀及其影响机制,钢筋锈蚀主要由于混凝土的碳化和氯离子引起的锈蚀作用产生的。钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生空隙。,（1）混凝土的碳化,混凝土碳化的过程：碳化过程大致可分为三个阶段：第一阶段是CO2通过扩散到达混凝土中；第二阶段是CO2溶解到孔溶液中而形成了少量的碳酸：CO2+H2O=H2CO3；第三阶段是碳酸与溶液到孔溶液中于氢氧化钙发生化学反应形成碳酸钙和水；H2CO3+Ca(OH)2=CaCO3+2H2O。此时溶液中的pH值下降，在低pH值环境中钢筋的保护层受到破坏，从而导致钢筋锈蚀。,影响混凝土碳化的因素,材料因素水泥。其品种和用量决定了单位体积中可碳化物质（CaO）的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体积中水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会提高混凝土的抗碳化性能。水灰比。在水泥用量不变的条件下，水灰比越大，混凝土孔隙中游离水越多，蒸发后混凝土内部的孔隙率也越大，密实性就越差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的速度也越快。混凝土中外加掺合料和骨料品种施工养护质量的影响混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性，因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的水化程度有影响，也会影响混凝土的碳化。,影响混凝土碳化的因素,外部环境的影响空气中的CO2浓度和向混凝土中的扩散速度。空气中的CO2浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈大，因而CO2向混凝土内的渗透速度快，碳化反应也快。空气湿度和温度。当空气相对湿度很大，碳化反应的附加水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。而在极干燥环境下，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应也无法进行。试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为70%85%时，混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。覆盖层当混凝土未碳化时，钢筋表面有一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀的电化学过程。当混凝土被碳化，钝化膜被破坏后，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。,钢筋因锈蚀而引起的碳化,影响混凝土碳化的因素,覆盖层当混凝土未碳化时，钢筋表面有一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀的电化学过程。当混凝土被碳化，钝化膜被破坏后，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)2），体积比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。除此之外，也可采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。,（2）氯离子引起的锈蚀,钢筋表面的混凝土孔隙溶液中氯离子浓度超过某一定值或不良环境中氯离子逐渐扩散和渗透进入混凝土内部时，也能破坏钢筋表面的氧化膜，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加26倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。,3.2碱-集料反应及其影响机制,混凝土集料中的某些活性矿物质与混凝土中所含的碱性溶液（Na2O+K2O）产生化学反应称为碱-集料反应。碱-集料反应导致混凝土破坏特征均表现为混凝土膨胀开裂，大量微裂缝的产生不仅降低混凝土的力学性能，更重要的是加速了水、腐蚀离子渗入混凝土内部，从而诱发碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻融破坏协调效应，严重影响了混凝土工程耐久性。再有碱-集料反应是在混凝土碱活性骨料周围缓慢、长期发生的，不仅无法阻止其破坏继续发展，且破坏后不宜修复，因此被称为混凝土的“癌症”。,3.2碱-集料反应及其影响机制,（1）碱-集料反应发生条件混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产生反应；骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质火山石、安山石等含SiO2的骨料；水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下很难发生碱骨料反应。,3.2碱-集料反应及其影响机制,（2）碱-集料反应分类级作用机理按照活性材料及其产生破坏时的反应机理不同，一般将碱-集料反应分三种：碱-硅酸反应（AlkaliSilicaReaction）,即最早的AAR或经典的碱集料反应。具体是指混凝土中的碱与骨料中微晶或无定型硅酸发生反应，生成碱硅酸类碱硅酸类会在混凝土表面形成凝胶（如图），干燥后为白色的沉淀物，具有强烈吸水膨胀的特性，此类反应一般发生在骨料与水泥石界处，致使混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。,碱-硅酸盐反应（Alkali-SilicaReaction，ASR），活性骨料是结晶良好的硅酸盐岩石。碱-硅酸盐反应是指混凝土中的碱与骨料中的某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间距增大，集料发生膨胀致使混凝土开裂。碱-碳酸盐反应（Alkali-CarbonateReaction,ACR）其活性骨料是指某些碳酸盐岩石。碱-碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩集料发生下列反应，进行的所谓去（脱）白云化作用：这种反应持续进行，直至白云石被完全作用或碱浓度降到足够低为止，其特点是反应较快，而且反应少见凝胶产物，多呈龟裂或开裂。,3.2碱-集料反应及其影响机制,因碱-集料反应引起的混凝土破坏,混凝土碱凝胶微观放大图,（3）碱-集料反应的危害实例混凝土碱-集料反应最早发现于1920年美国加利福尼亚州的玉成桥，该桥建成三年后，发现桥墩顶部开裂，并且裂缝向下发展。美国德鲁姆犹他坝运行20年后发现了混凝土发生碱-集料反应。加拿大的蒙特利尔桥梁于1953年发现第一例AAR破坏实例。在国内，北京的三元交叉桥于1984年建成，北京地区碱活性砾石、混凝土碱含量超高，发生碱反应。北京地区的钢筋混凝土铁路桥梁构件厂生产的轨枕于1988年铺设于铁路，1955年调查发现13618块轨枕中有9387根严重开裂，发生了碱反应，还有山东济南、吉林长春和北京通县的机场跑道等也有不同程度开裂。,3.2碱-集料反应及其影响机制,3.3混凝土的抗冻性及其影响机制,混凝土由于其自身的特点，环境温度对工程质量的影响极大，常规施工，当气温降至零度以下时，如果混凝土自身还未达到临界抗冻强度，则混凝土发生冻伤，对混凝土的内在质量造成严重影响。,3.3混凝土的抗冻性及其影响机制,（1）混凝土受冻破坏的三种形式受冻破坏的第一种形式：混凝土在早龄期一次受冻，就是在形成不可逆构造前，微孔和毛细管里含有的游离水（在105摄氏度时蒸发）冻结。破坏程度表现为强度和变形性降低，以及外形的变化。受冻破坏的第二种形式：硬化混凝土在水饱和状态下多次冻融循环，构造的坚固性受到破坏。受冻破坏的第三种形式：在低负温作用下，由于线性缩短或压缩变形在混凝土内部结构中形成裂缝直至整体性完全破坏。,3.3混凝土的抗冻性及其影响机制,（2）影响混凝土抗冻性的主要因素含气量含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素，尤其是加入引气剂形成的微小气孔对提高混凝土抗冻性史为重要。为使混凝土具有较好的抗冻性，其最佳含气量约为5%6%。水灰比水灰比大小是影响混凝土各种性能(强度、耐久性等)重要因素。在同样良好成型条件下，水灰比不同，混凝土密实程度、孔隙结构也不同。由于多余的游离分子在混凝上硬化过程中逐渐蒸发掉，形成大量开口孔隙，毛细孔又不能完全被水泥水化生成物填满，直至相互连通，形成毛细孔连通体系，具有这种孔隙结构的混凝土渗透性、吸水性都很大，最容易使混凝土受冻破坏。,混凝土的饱水状态混凝土的冻害与其饱水程度有关。一般认为含水量小于孔隙总体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，在混凝土完全保水状态下，其冻结膨胀压力最大。混凝土的饱水状态主要与混凝上结构的部位及其所处的自然环境有关。混凝土的受冻龄期混凝土的抗冻性随龄期的增长而提高。以为龄期约长水泥水分越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力越大，这一点对旱期受冻的混凝土尤为重要。外加剂的影响引气剂、减水剂及引气型减水剂、纤维等外加剂均能提高混凝土的抗冻性。引气剂能增加混凝土的含气量且使气泡均匀分布，而减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减少孔隙率，纤维提高混凝上的抗拉伸能力，最终都能提高混凝土的抗冻性。,3.4侵蚀性介质对混凝土的破坏及其影响机制,硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以SO2的含量表示）达到2时，就会产生严重的腐蚀。酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。,3.4侵蚀性介质对混凝土的破坏及其影响机制,海水腐蚀：在海港、近海结构中的混凝土构筑物，经常收到海水的侵蚀。海水中的NaCl、MgCl2、MgSO4、K2SO4等成分，尤其是Cl-和硫酸镁对混凝土有较强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，也有利于Cl-和SO4+的渗入，极易造成钢筋锈蚀。,混凝土结构因腐蚀而破坏,混凝土结构因腐蚀而破坏,4减缓混凝土结构抗力劣化的方法,4.1原材料的选择（1）水泥。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，干缩性效，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。水泥强度并非是决定混凝土强度和性能的唯一指标，如用较低标号水泥同样可以配制高标号混凝土，因此，工程比强度更重要。（2）集料与掺和料。集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成危害，集料的耐腐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实度；大量研究表明了掺粉煤灰，矿渣，硅粉等混合材料能有效改善混凝土的性能，改善混凝土内孔结构，填充内部空隙，提高密实度，高掺量混凝土还能抑制碱-集料反应，因而掺混合材料混凝土，是提高混凝土耐久性的有效措施。,4.2混凝土的设计混凝土配合比的设计。配