港口工程耐久性

1、报告人：王波 贾琼 李瑜 时间： 2014.2.26 报告内容 1、钢筋混凝土建筑物破坏腐蚀的原因分析 2、影响混凝土结构耐久性的因素 3 、混凝土耐久性设计 4 、碳纤维布加固技术的介绍 研究背景研究背景 港口是我国“三大”交通重要组成部分，也是城市和地区对外进行贸 易的重要窗口，对城市和地区的经济发展和经济结构调整起着及其重要的 作用，它投资额大，建设时期长，回收效益差。因此，科学地做好码头钢 筋混凝土的腐蚀防护，对港口持续经营，延长使用寿命，更好地发挥经济 效益和社会效益将起到举足轻重的作用。 钢筋混凝土的腐蚀破坏是其在各种外部物理、化学作用及材料内部因素的 作用下，构件内的某些成分发生

2、反应、溶解和膨胀，削减了其有效截面、降低 了粘结强度等受力性能，使混凝土保护层顺筋膨胀，表面开裂甚至剥落，从而 影响到结构的耐久性。 所谓钢筋混凝土结构的耐久性，是指混凝土结构在外部自然环境、使用环 境及材料内部因素多重作用下，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原有的安全、使用功能和外观要求的能力，通过进一步 的分析可以发现，引起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工、使用 及维护的各个环节。 1、钢筋混凝土建筑物破坏腐蚀的原因分析 2、影响混凝土结构耐久性的因素 2.1 混混凝土的冻融破坏凝土的冻融破坏 结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内孔隙中的水将结冰,产

3、 生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度 时,就会导致混凝土的破坏。 图 1 海洋环境中混凝土结构不同部位受不同的侵蚀 2.2 混凝土的碱混凝土的碱-集料反应集料反应 混凝土的碱-集料反应,是指混凝土中的碱性物质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。 碱-集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱、相应的活性集料及水分。 反应通常有三种类型： 碱-硅酸反应； 碱-碳酸盐反应； 慢膨胀型碱-硅酸盐反应； 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。 2.3 化学侵蚀化学侵蚀 当混凝土结构处在有侵蚀性介质

4、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,混凝土会逐步受到侵蚀,严重的使水泥石强 度降低,以至破坏。 其化学反应机理为： CO2 + H2O= H2CO3 Ca (OH) 2 + H2CO3= CaCO3 + 2H2O 3CaO2SiO23H2O + 3H2CO3= 3CaCO3 + 2SiO2 + 6H2O 2CaOSiO24H2O + 2H2CO3= 2CaCO3 + SiO2 + 6H2O 2.4 钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀 钢筋的锈蚀,其一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,其体积比原金属增大24倍,造成混凝土顺筋裂缝,从而成 为腐蚀介质渗入

5、钢筋的通道,加快结构的损坏。 某海港码头梁裂缝锈蚀 南方某海港码头建成后发 现部分纵梁底部混凝土脱落， 钢筋全部外露。 该码头纵梁钢筋锈蚀，是 因其处于浪溅区，海水氯盐入 侵混凝土，使钢筋周围氯离子 含量超过钢筋致锈的临界值， 引起钢筋锈蚀。而锈蚀使混凝 土膨胀开裂，以致脱落，又进 一步加剧了钢筋的锈蚀。 图 4纵梁底部严重锈裂 3、混凝土耐久性设计 提高混凝土的耐久性,可以从材料、构件、结构三个方面入手 混凝土耐久性设计 基本措施 补充措施 保证措施 高性能混凝土 阴极保护 涂层保护 腐蚀监测 3.1 3.1 基本措施基本措施 1. 基本思路： 通过仔细设计与施工 最大限度地提高混凝土本身的

6、质量 并在使用中保持低渗透性 以限制环境侵蚀介质渗透混凝土 从而预防钢筋腐蚀。 2.具体方法 高性能混凝土 措施措施 功能功能 在混凝土中掺入耐蚀剂 (含有活性粉和 铝粉相结合的渗合剂) 和超细水泥 高混凝土的密实性和抗渗性 在混凝土中掺入减水剂 (如木质磺 酸钙、有机硅等) 可以减少混凝土的用水量 , 提高其 强度和抗冻性 , 还可以提高氢氧化钙 和硫酸钙的溶解度 ,对提高混凝土的耐 腐蚀能力十分有效 在混凝土中掺入一定数量纤维增强材料 增强混凝土的韧性、抗冲击性和抗裂 性 , 减缓混凝土裂纹的产生 3.2 3.2 补充措施补充措施 概念： 它指的是环境侵蚀作用特别严重时，单靠基础措施还不能

7、保证 必要的护筋 作用时，需要另外增加的其它护筋措施。 方法： 涂层保护 阴极保护 3.2.1 3.2.1 涂层保护涂层保护 在钢筋混凝土结构桩基梁码头中,可合理采用在混凝土表面涂抹高效能防腐涂 层的方式进行隔离保护。 1.具体的方式 在海港码头的平均潮位上部使用耐蚀涂料防止有害介质的渗入 ,保持混凝土 碱度及其结构 ,达到高效封闭码头混凝土表面的作用,并有效降低或阻止氯离 子渗入混凝土内部的频率,延缓其对钝化膜产生的破坏作用,并最终实现防腐 保护的目的。 2.施工工序 （1）混凝土表面处理 应对其混凝土结构表面做细致的处理,找平修补 后，将其表面污物进行清洁去除。 （2）底漆工序 在混凝土表

8、面处理好后，进行混凝土表面水分、盐分测 试；确认水分盐分在涂装认可范围内后，进行瑞嘉德 EP 底漆工序。 （3）腻子工序 底漆工序完成后，在 2 个小时至 10 日以内，确认底 漆的硬化状态以及表面状态无异常，进行腻子工序。 （4）中涂工序 腻子工序完成后，在 10 小时只至 7 日以内，确认腻 子的硬化状态以及表面状态无异常，进行中涂工序。涂装前，对硬化 后的腻子表面以砂轮和砂纸进行打磨，使其平整。 （5）面涂工序 中涂工序完成后，在 6 小时至 10 日以内，确认中涂 工序的硬化状态无异常，进行面涂工序。 3.2.2 3.2.2 阴极保护阴极保护 外加电源阴极保护法 牺牲阳极阴极保护方法

9、采用外加电流保护，给钢筋施加 阴极电流，一方面使钢筋的电位 负移，让其位于钝化区内，保证 钢筋本体避免腐蚀；另一方面， 钢筋和辅助阳极间产生的电场使 Cl-向辅助阳极移动，远离钢筋， 避免钢筋外面钝化膜被破坏。这 两方面共同作用，具有良好的防 腐蚀效果。 外加电流保护原理示意图 1.外加电源阴极保护法 2.牺牲阳极阴极保护法 在铝合金结构中,其牺牲阳极电位比一般钢制材料的电位负极更强,因 此将铝合金材质焊接于钢制结构海港码头上可令其在海水包围中形成 有效的电化学大容量电池,电位较负铝合金材料则变成了电池的阳极, 在海水中产生溶解反应,并形成电流,通过海水介质流入到海港码头钢 桩表面,令其钢桩阴

10、极产生极化反应从而得到了有效的保护。 3.3 保证措施 腐蚀监测 电化学方法 物理方法 1.电化学方法 方法名称方法名称工作原理工作原理 半电池电位法 钢筋保护膜被破坏, 引起腐蚀, 形成一个宏 观电池, 测量钢筋在腐蚀前后腐蚀电位发 生的变化, 由此可以判断钢筋的腐蚀状态 脉冲电压法 在一定时间内对混凝土施加恒定电流, 则 电极电位会随之衰减。然后对电位曲线 拟合, 可以推断出钢筋表面的电流密度, 从 而确定钢筋腐蚀速率 交流阻抗方法 交流阻抗法测量时对钢筋 /混凝土体系施 加小幅交流电压 (电流 )信号, 从电流 (电 压 )响应来计算电极反应参数, 输入与输 出信号之间呈线性关系 2.物

11、理方法 方法名称方法名称工作原理工作原理 电阻探针法 在混凝土或砂浆中埋入与钢筋同材质的 电阻探针, 利用探针的电阻与其截面积 呈反比的关系, 通过平衡电桥测量探针 的电阻, 电阻的变化可以变换成腐蚀 的深度 光纤传感技术 利用光纤集传感和传输于一身的特点, 能对腐蚀实现空间立体监测和连续性监 测, 从而对结构中的隐患作出预警 碳纤维布（ CFRP） 加固码头钢筋混凝土技术 加固原因 理论支持 可行性分析 结论与展望 4.碳纤维布加固技术 混凝土：多元、多相、非匀 质水泥基复合材料；弹性模量 较高，抗拉强度较低 浇筑成型后，混凝土骨料对 浆体有一定的约束作用；浇筑 过程中，还有气泡和析水现象

12、使用过程中，非荷载因素及 荷载因素都会引起裂缝的出现 和生长 4.1加固原因 碳纤维布碳纤维布 优点优点 影响加固性能影响加固性能 的原因的原因 加固理论加固理论 依据依据 碳纤维布碳纤维布 加固技加固技术术 4.2理论支持 1.优异的物理力学性能：自重轻，强度高，弹性模量高 2.碳纤维布及其粘结剂本省就有极佳的耐久性能，特别适 用于恶劣环境中的混凝土构件的维修、加固 3.施工方便，工作效率高 4.适用面广，可用于各种结构类型，结构形状，结构部位 的维修加固 5.碳纤维布加固施工在码头面板下面，不影响上面作业 4.2.1碳纤维布的优点 碳纤维布加固梁碳纤维布加固梁 钢筋钢筋： 品种不同，流幅差

13、别大， 力学性能不同 混凝土混凝土： 脆性材料，抗拉性能差 碳纤维布碳纤维布： 线弹性材料，应力应变呈线性关系 4.2.2加固理论依据 钢筋及CFRP的应力-应变曲线图 屈服平台前，钢筋和 CFRP共同承担荷载， 屈服平台处，钢筋应力 不再增大，应变迅速增 大；钢筋和CFRP变形 的协调作用使得CFRP 应力增大，加固梁应力 重分布，CFRP的加固 作用得以体现 4.2.2加固理论依据 钢筋的屈服特性影响碳纤维布的受力 性能： u脆性较强的钢筋，碳纤维的高强性 能优点发挥不明显 u塑性较强的钢筋，碳纤维的高强性 能优点可以充分发挥 钢筋及CFRP的应力-应变曲线图 4.2.3影响加固性能的原因

14、 对比试验 应力应变变化应力应变变化 挠度曲线变化挠度曲线变化 裂缝开展宽度变化裂缝开展宽度变化 试验中，L1梁（400（宽）600（高）mm），跨长 l=4000mm，净跨l0=3800mm L1-0基准梁，L1-1为梁底贴一层纤维布；L1-2为梁底贴两层 纤维布；L1-3为梁底贴三层纤维布 4.3可行性分析 在屈服荷载前， 两种材料的应 变随荷载线性 增长 屈服荷载后， 两者应变迅速 加大；钢筋进 入屈服阶段， 应变急剧增加， 而后应力主要 由碳纤维承担， 碳纤维应变迅 速增大 4.3.1应力应变分析 在荷载作用下，加固梁比未加 固梁的挠度有一定的减小，在 钢筋屈服后，加固梁的挠度减 小更为显著 荷载-挠度曲线说明，碳纤维 布对梁的变形有约束作用，并 随着作用荷载的增加和加固层 数的增多而更加明显。 L1-0挠度-荷载曲线 L1-1挠度-荷载曲线 L1试验梁挠度-荷载曲线 4.3.2挠度曲线变化 L1号试验梁裂缝宽度比较 L1-0基准梁