第6章材料的公共检测要点.ppt

混凝土材料学,河南理工大学材料科学与工程学院,本章主要内容,第六章混凝土的耐久性,第一节混凝土的抗渗性第二节混凝土的抗冻性第三节环境化学侵蚀对混凝土的破坏第四节碱集料反应第五节混凝土中钢筋的侵蚀第六节多因素协同作用下混凝土破坏规律,混凝土在压力水的作用下抵抗渗透的能力，是混凝土耐久性的第一道防线。因此，混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好，混凝土的抗渗性能越好。,6.1混凝土的抗渗性,6.1.1概念,混凝土抗渗仪,6.1.2抗渗等级,混凝土的抗渗等级以每组6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力(MPa)计算。混凝土抗渗等级分为P2、P4、P6、P8、P10、P12，其计算公式为：式中:P抗渗等级；H六个试件中三个试件渗水时的水压力(MPa)。,6.1混凝土的抗渗性,6.1混凝土的抗渗性,6.1.3抗渗性影响因素,水灰比混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用。,渗透性水灰比关系存在临界区域,高水灰比,大渗透性,低水灰比,小渗透性,6.1混凝土的抗渗性,6.1.3抗渗性影响因素,集料集料的尺寸越大，集料的级配越差，水灰比越大，混凝土的渗透越高。,水灰比、集料粒径对混凝土渗透性的影响,水泥细度与品种水泥的水化程度其它因素,6.1混凝土的抗渗性,6.1.3抗渗性影响因素,选择渗透性小的集料；减小水灰比，提高强度；在保证相同强度的条件下，掺加适量掺合料；适量引入细空气泡；加强养护，避免在施工期干湿交替。,6.1混凝土的抗渗性,6.1.4设计高抗渗性混凝土的主要措施,6.2混凝土的抗冻性,6.2.1概述,定义混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性能，是评定混凝土耐久性的主要指标。抗冻等级根据混凝土所能承受的反复冻融循环的次数，划分为F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等9个等级。,冰岛一港口被冻坏的路面,静水压假说由于毛细孔力的作用，孔径小的毛细孔容易吸满水，孔径较大的空气泡在常压下不容易吸水饱和。在某个负温下，部分毛细孔水结成冰，体积会随之增大，这个增加的体积产生一个水压力把水推向空气泡方向流动。,6.2混凝土的抗冻性,6.2.2水泥浆受冻机理,说明静水压力的模型,6.2混凝土的抗冻性,6.2.2水泥浆受冻机理,静水压力与材料渗透系数成反比，与结冰量增长速率、降温速率成正比与气泡间距的平方成正比,静水压力,渗透压假说作为施于混凝土的破坏力的渗透压是冰水蒸气压差以及盐浓度差两者引起的。综上所述，冻结对混凝土的破坏力是：水结冰体积膨胀造成的静水压力冰水蒸气压差溶液中盐浓度差造的渗透压,6.2混凝土的抗冻性,6.2.3水泥浆受冻机理,6.2混凝土的抗冻性,6.2.4影响混凝土抗冻性的因素,集料饱和水泥浆体结冰产生内部压力的机理同样适用于集料集料对抗冻性的影响相对说是次要因素集料的尺寸对抗冻性也有影响水泥品种国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰(粉煤灰水泥)硅酸盐水泥。强度混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响远远大于强度的影响，与混凝土耐久性不一定成正比。,6.2混凝土的抗冻性,6.2.4影响混凝土抗冻性的因素,水灰比,水灰比对抗冻性的影响,6.2混凝土的抗冻性,6.2.4影响混凝土抗冻性的因素,气泡间距,0.28,W/C=0.6,W/C=0.7,0.18,0.20,0.22,0.24,0.30,0.26,0.5,1.0,0,抗冻性与平均间距和水灰比的关系,平均气泡间距和水灰比两者是决定混凝土抗冻性的最主要因素。,抗冻性DF,气泡间距系数,6.2混凝土的抗冻性,6.2.5设计高抗冻性混凝土的要点,合理地选择集料；尽量用普通硅酸盐水泥，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增大含气量和引气剂剂量；在选定原材料后最关键的控制参数是含气量和水灰比；水灰比确定后，根据抗冻性要求，确定要求的含气量（36）。根据含气量确定引气剂掺量；因引入气泡造成混凝土强度有所降低，须调整混凝土配比（水灰比），以弥补强度损失。,6.2混凝土的抗冻性,6.2.6抗冻性试验,抗冻性试验方法ASTM方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。评价抗冻性的方法测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、体积变化和重量损失。,6.2混凝土的抗冻性,6.2.6抗冻性试验,抗冻性试验方法ASTM方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。评价抗冻性的方法测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、体积变化和重量损失。,6.2混凝土的抗冻性,6.2.6抗冻性试验,评价指标国际通用的评价指标是动弹模量的变化，以抗冻耐久性指数DF表示之。如循环次数不足300次，试件动弹模量已减小40以上，则可以下式计算：DF0.4时，混凝土抗冻性不好，不能用于与水直接接触和遭受冻融的部位；DF0.40.6之间，尚可用；DF0.6时,则认为抗冻性好的。,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.1侵蚀类型,化学侵蚀的类型,水泥浆体组分的浸出,酸的侵蚀,硫酸盐侵蚀,混凝土受到纯水及由雨水或冰雪融化的含钙少的软水浸析时，水泥浆体中的Ca(OH)2被溶出，在混凝土中形成空隙，混凝土强度不断降低。只要混凝土的密实性和抗渗性好，一般都可以避免这类侵蚀。,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.2水泥浆体组分的浸出及其原因,环境水的pH值小于6.5即可能产生侵蚀。酸的侵蚀机理当遇到肥料工业废水2NH4ClCa(OH)2CaCl22NH3H2O当遇到含CO2较高的水（碳酸）Ca(OH)22CO22H2OCa(HCO3)22H2O,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.3酸的侵蚀,酸性水的侵蚀程度,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.3酸的侵蚀,影响因素混凝土的自身特性混凝土结构所处的环境,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.4硫酸盐侵蚀,硫酸盐侵蚀机理以往主要强调它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO42H2O+NaOH结晶,C3A+3CH2+26HC3A3CH32,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.4硫酸盐侵蚀,硫酸镁的侵蚀比硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙更为严重，因为：Ca（OH）2+MgSO4+2H2O=CaSO42H2O+Mg(OH)23CaO2SiO2nH2O+MgSO4+mH2O=2（CaSO42H2O）+Mg(OH)2+SiO2（m+n-3）H2O,硫酸盐侵蚀,6.3环境化学侵蚀对混凝土的破坏,6.3.4硫酸盐侵蚀,工程上硫酸盐侵蚀的控制提高混凝土密实度，降低其渗透性是提高抗硫酸盐性能的有效措施；正确选择水泥品种是工程上控制硫酸盐侵蚀的重要技术措施；在水泥中或在混凝土拌合料中掺加粉煤灰、矿渣等混合材料都有利于提高抗硫酸盐侵蚀性。,6.4碱集料反应,6.4.1概述,定义碱(Na2OK2O)与混凝土的集料间产生的引起膨胀的反应。三种类型碱-氧化硅反应碱-碳酸盐反应碱-硅酸盐反应产生碱集料反应破坏的条件混凝土中含碱(Na2O十K2O)量超标；集料是碱活性的；混凝土暴露在水中或在潮湿环境中。,混凝土含碱量的阈值,6.4碱集料反应,6.4.1概述,常见的碱集料反应破坏形式,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,碱-氧化硅反应（ASR）(1)肿胀理论：氧化硅结构被碱溶液解聚并溶解；形成碱金属硅酸盐凝胶；凝胶吸水肿胀；进一步反应形成液态溶胶。硅酸钠（钾）凝胶能吸收相当多的水分，并伴有体积膨胀。这个膨胀有可能引起集料颗粒的崩坏和周围水泥浆的开裂。,2NaOH十SiO2Na2OnSiO2H2O,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,(2)渗透压理论：碱活性集料颗粒周围的水泥水化生成物起半渗透膜作用，它允许氢氧化钠和氢氧化钾及水扩散至集料而阻止碱氧化硅生成的硅酸离子向外扩散，因而产生渗透压，当渗透压足够大时引起破坏。,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,1.6,1.2,0.8,2.0,0.4,0,10,30,20,40,50,砂浆的膨胀（%）,活性硅的含量（%）,碱-氧化硅反应与集料中SiO2含量的关系,扫描电镜下的碱-硅反应凝胶,碱-碳酸盐反应（ACR）吸水膨胀机理：碱与白云石作用，起反白云石化反应：CaCO3MgCO32NaOHMg(OH)2CaCO3Na2CO3反应生成物能与水泥水化生成的Ca(OH)2继续反应生成NaOH，这样NaOH还能继续与白云石进行反白云石化反应，因此在反应过程中不消耗碱。Na2CO3Ca(OH)22NaOHCaCO3膨胀本质是粘土的吸水膨胀，而化学反应仅提供了粘土吸水的条件。,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,结晶压机理：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是白云石菱形晶体彼此孤立地分布在粘土和微晶方解石所构成的基质中，粘土呈网络状分布，这个网络状粘土构成了Na(K)、OH和水分子进入内部的通道。NaOH与白云石晶体反应。离子进入紧密的受限制的空间，反白云石化反应引起晶体重排列产生的结晶压引起膨胀。他们认为反白云石化反应的自由能变化小于零，这是该反应的热力学推动力。,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,6.4碱集料反应,6.4.2碱-集料反应的膨胀机制,碱-硅酸盐反应形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；能形成反应环的颗粒非常少；与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。碱-硅酸盐反应实质上仍是碱-硅酸反应。,6.4碱集料反应,6.4.3碱-集料反应的破坏特征,时间特征:长，2-3年，甚至更长膨胀特征：结构发生整体位移，如大坝体升高开裂特征：受拉开裂，钢筋混凝土顺筋开裂，不受约束时呈网状或地图形凝胶析出特征：透明或浅黄色凝胶析出潮湿特征：越潮湿反应越剧烈，破坏越明显内部特征：在集料间产生网状的内部裂缝结构宏观变形特征：结构整体变形、移位,6.4碱集料反应,6.4.4碱-集料反应的工程诊断,碱-集料反应的膨胀破坏起源于混凝土内部的裂纹，发展到表面，呈地图形和花纹形裂纹。,MapCracking,碱集料反应引起的错位,6.4碱集料反应,6.4.5碱-集料反应的预防措施,选用掺加混合材料的水泥在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料限制或禁止钠盐外加剂的使用适当降低水灰比使用非活性集料控制混凝土总碱量掺加引气剂,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.1概述,钢筋锈蚀已成为混凝土结构物过早破坏的主要原因。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.2钢筋锈蚀的电化学原理,现代钢筋混凝土结构中配密集筋，混凝土主要作为保护层，保护钢筋不被锈蚀。钝化膜一旦破坏，钢筋表面形成腐蚀电池，其起因有两种情况：有不同金属的存在，如钢筋与铝导线管，或钢筋表面的不均匀性；紧贴钢筋环境的不均匀性，如浓度差。这两个不均匀性产生电位差，在电介质溶液中形成腐蚀电池。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.2钢筋锈蚀的电化学原理,钢筋锈蚀电化学原理示意图,（b）铁锈的体积增大,（a）电化学反应,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.3钝化膜破坏的起因,混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去碱性；海水或道面撒除冰盐带来氯离子的作用。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.4混凝土的碳化,碳化引起的锈蚀条件CO2、水分（相对湿5070%时最迅速）理论分析溶于水的CO2与水泥碱性水化物首先是Ca(OH)2反应，生成不溶于水的CaCO3，使混凝土孔溶液的pH值降低，当pH值降到11.5时，钢筋的钝化膜开始破坏，降到10时，钝化膜完全失钝。理论计算碳化深度的公式：,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.4混凝土的碳化,在碳化混凝土中测得的CO2/CaO,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.4混凝土的碳化,影响碳化速度的因素水泥品种和用量。混凝土中胶结料所含能与CO2反应的CaO总量越高，碳化速度越慢。混凝土的水灰比和强度。孔隙率越小、孔径越细，则扩散系数越小，碳化也越慢。外部环境因素。在相对湿度7085最易碳化，钢筋锈蚀的过程也进展较快。施工质量。施工中振捣不密实、蜂窝、裂纹使碳化大大加快。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,混凝土中C1-的来源有二：一是混凝土在拌和时已引入的、包括拌和水中和外加剂中含的，二是环境中的C1-随着时间逐渐扩散和渗透进入混凝土内部的。产生条件：氯离子扩散、氧与水分；与保护层厚度、水灰比、水泥用量等有关。Fe2+2Cl-+4H2O=FCl24H2OFeCl24H2O=Fe（OH）2+2Cl-+2H+2H2O形成小阳极、大阴极,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,钢的电位pH图,全面锈蚀钝化态不锈,全面锈蚀点锈蚀不完全钝态钝态不锈,不含氯离子溶液中钢的电位PH图,含0.01mol氯离子溶液中钢的电位pH图,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,钢筋保持钝化态的氯离子极限含量Hausman提出氯离子极限浓度CCl-与OH-浓度COH-的大致关系式：OH-浓度：混凝土的体积孔隙率P:我国混凝土结构工程施工及验收规范(GB5020402)规定：在钢筋混凝土中掺用氯盐类防冻剂时，氯盐掺量按无水状态计算不得超过水泥重量的1，素混凝土允许掺加3以内的氯盐。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,氯盐通过混凝土的扩散氯离子扩散应遵循Fick第二定律：,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,氯离子引发钢筋失钝时间估算图,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.5氯离子引起的锈蚀,钢筋锈蚀产生开裂的时间分两个阶段脱钝介质(酸性氧化物或氯化物)到达钢材表面并开始锈蚀的时间T0；锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的时间T1。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.6钢筋锈蚀的防护措施,下列几种新措施可以在原材料选择、配合比设计、保护层厚度与施工过程的基础上，进一步改善对钢材腐蚀的防护作用：在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙；钝用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋；混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入；对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处于阴极区。,6.5混凝土中钢筋的锈蚀,6.5.6钢筋锈蚀的防护措施,选择改善混凝土结构耐久性的措施，要考虑到性能与费用两方面。下面列出许多防护和延缓混凝土因钢筋锈蚀引起劣化的措施及费用增加比例（以增加一次投资的百分数表示）：掺用粉煤灰和矿渣，减少水泥用量（0%）预冷混凝土拌合物（3%）用硅灰和高效减水剂（5%）增