混凝土耐久性

1、混凝土耐久性混凝土耐久性耐久性概念耐久性概念研究的必要性研究的必要性耐久性现状耐久性现状研究内容研究内容提高耐久性的措施提高耐久性的措施结构在自然环境、使用环境及材料内部结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用因素的作用下，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，期内，不需要花费大量资金加固处理，保持其安全、使用功能和外观要求的能保持其安全、使用功能和外观要求的能力力世界性课题，土木工程领域的关注重点世界性课题，土木工程领域的关注重点研究的必要性研究的必要性土建基础设施工程主要用混凝土建造土建基础设施工程主要用混凝土建造基本建设三个阶段：基本建设三个阶

2、段：第一阶段大规模新建阶段第一阶段大规模新建阶段第二阶段大规模新建与维修改造并重第二阶段大规模新建与维修改造并重第三阶段维修改造阶段第三阶段维修改造阶段发达国家进入第三阶段发达国家进入第三阶段统计表明，目前我国处于第二阶段。混凝土结统计表明，目前我国处于第二阶段。混凝土结构耐久性不足的问题，要比安全性不足更为严构耐久性不足的问题，要比安全性不足更为严重，更迫切需要解决重，更迫切需要解决耐久性研究对新建结构及维修改造都极为重要耐久性研究对新建结构及维修改造都极为重要美国美国1998年美国土木工程学会年美国土木工程学会报告：报告：美国现有美国现有29%以上的桥梁和以上的桥梁和1/3以上的道路老化，

3、有以上的道路老化，有2100个个水坝不安全，估计需有水坝不安全，估计需有1.3万亿美元改善其安全万亿美元改善其安全状态。状态。到到20世纪末美国共有桥梁约世纪末美国共有桥梁约100万座，超过万座，超过1/4有缺陷。有缺陷。美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基美国每年用于基础设施修复的费用约为这些基础设施总资产的础设施总资产的10%。 英国，据统计有英国，据统计有1/3的桥梁需要修复的桥梁需要修复；1996年英年英国的损失也超过了国的损失也超过了6亿英镑。亿英镑。加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程加拿大，为修复其劣化损坏的全部基础设施工程估计需耗费估计需耗费5000亿美元。亿美元。日

4、本日本, , 每年用于房屋结构维修的费用达每年用于房屋结构维修的费用达400亿日亿日元。元。我国耐久性现状我国耐久性现状我国现在面临的耐久我国现在面临的耐久性问题是发达国家早性问题是发达国家早在二、三十年以前曾在二、三十年以前曾经遇到过的经遇到过的宁波北仑港码头混凝宁波北仑港码头混凝土梁土梁 建成后建成后11年年就出现大规模开裂现就出现大规模开裂现象。象。 图图1 宁波北仑港码头混凝土梁宁波北仑港码头混凝土梁-建成后建成后11年年图图2国内外耐久性病害的工程图片国内外耐久性病害的工程图片混凝土结构耐久性研究四层次混凝土结构耐久性研究四层次环境层次环境层次大气环境海洋环境土壤环境工业环境材料层次

5、材料层次钢筋锈蚀碱集料反应水化产物化学侵蚀、碳化、火灾损坏、体积稳定性孔结构抗渗性、氯离子渗透、抗冻性混凝土结构耐久性研究四层次混凝土结构耐久性研究四层次构件层次构件层次混凝土锈胀开裂模型粘结性能衰减模型构件承载力变化模型结构层次结构层次耐久性设计耐久性评估钢筋锈蚀钢筋锈蚀钢筋在混凝土的高碱性环境中，能在表面形成氧钢筋在混凝土的高碱性环境中，能在表面形成氧化的钝化膜，隔绝水分、氧气与金属的接触，不化的钝化膜，隔绝水分、氧气与金属的接触，不会锈蚀。会锈蚀。 通过氯离子渗透和碳化作用使钝化膜破坏，钢筋通过氯离子渗透和碳化作用使钝化膜破坏，钢筋发生锈蚀发生锈蚀。氯离子从混凝土表面扩散到钢筋表面并累积

6、到临氯离子从混凝土表面扩散到钢筋表面并累积到临界浓度，钝化膜破坏。界浓度，钝化膜破坏。混凝土碳化发展到钢筋表面位置，钝化膜破坏。混凝土碳化发展到钢筋表面位置，钝化膜破坏。氯盐引起锈蚀远比碳化锈蚀严重。氯盐引起锈蚀远比碳化锈蚀严重。钢筋锈蚀钢筋锈蚀( (Cl-) )Cl-通过保护层渗透到钢筋表面，破坏钝化膜，使通过保护层渗透到钢筋表面，破坏钝化膜，使钢筋由钝化态转为活化态钢筋由钝化态转为活化态.图图3钝化膜破坏示意图钝化膜破坏示意图氯离子临界浓度氯离子临界浓度 使钢筋脱钝时的浓度，与混凝土密实性（水胶比）、使钢筋脱钝时的浓度，与混凝土密实性（水胶比）、混凝土湿度（饱水程度）等有关。混凝土湿度（饱

7、水程度）等有关。混凝土的电阻混凝土的电阻 与混凝土湿度、混凝土密实性等有关与混凝土湿度、混凝土密实性等有关。氧气与水分的补充程度氧气与水分的补充程度 与混凝土密实性、混凝土饱水程度有关。与混凝土密实性、混凝土饱水程度有关。影响钢筋锈蚀的主要因影响钢筋锈蚀的主要因素素表表1 相对湿度对相对湿度对钢筋锈蚀速率的影响（微米钢筋锈蚀速率的影响（微米/ /年）年）相对湿度相对湿度碳化引起锈蚀碳化引起锈蚀氯离子引起锈蚀氯离子引起锈蚀50097003680161901298955012299233基于材料劣化模型的计算方法基于材料劣化模型的计算方法RILEM-130 委员会报告委员会报告 混凝土结构耐久性设

8、计混凝土结构耐久性设计1996DuraCrete 混凝土耐久性设计指南混凝土耐久性设计指南2000ACI Life-365 Computer Program 2000日本土木学会标准示范书日本土木学会标准示范书 2002迄今只有钢筋的碳化锈蚀和氯离子锈蚀的劣化模型可迄今只有钢筋的碳化锈蚀和氯离子锈蚀的劣化模型可勉强供工程应用参考勉强供工程应用参考混凝土的碱混凝土的碱骨料反应骨料反应自身化学腐蚀，混凝土使用了含有活性矿物成分的自身化学腐蚀，混凝土使用了含有活性矿物成分的砂石骨料，遇水后与混凝土中的碱发生化学反应，砂石骨料，遇水后与混凝土中的碱发生化学反应，形成某种胶凝体，体积膨胀，可使混凝土发生

9、胀裂形成某种胶凝体，体积膨胀，可使混凝土发生胀裂破坏。破坏。碱碱骨料反应条件：骨料反应条件： 有潜在活性的骨料有潜在活性的骨料 有足够的含碱量有足够的含碱量 有足够的水分有足够的水分混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏混凝土中的毛细孔隙水受冻后膨胀，会产生很大压混凝土中的毛细孔隙水受冻后膨胀，会产生很大压力，造成混凝土损伤、开裂并剥落力，造成混凝土损伤、开裂并剥落.反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断累积，并达反复冻融使毛细孔隙内的饱水程度不断累积，并达到到“临界饱和度临界饱和度”，这时的混凝土就会很快冻坏，这时的混凝土就会很快冻坏.防止混凝土冻融破坏的最有效手段是加入化学引气防止混凝土冻融破坏的最

10、有效手段是加入化学引气剂剂.盐冻情况下，盐能促使混凝土饱水，还能使水泥浆盐冻情况下，盐能促使混凝土饱水，还能使水泥浆体在受冻时产生很高的渗透压力和水压力，使混凝体在受冻时产生很高的渗透压力和水压力，使混凝土面层起皮剥落或坑蚀土面层起皮剥落或坑蚀.混凝土的化学腐蚀混凝土的化学腐蚀硫酸盐能与水泥水化产物中的氢氧化钙和水化铝酸硫酸盐能与水泥水化产物中的氢氧化钙和水化铝酸三钙起作用，分别生成硫酸钙和钙矾石，均造成体三钙起作用，分别生成硫酸钙和钙矾石，均造成体积膨胀，使混凝土开裂破坏积膨胀，使混凝土开裂破坏.硫酸盐在混凝土毛细孔隙水中的浓度不断增加并过硫酸盐在混凝土毛细孔隙水中的浓度不断增加并过度饱和而

11、结晶时，还会产生非常大的压力，使混凝度饱和而结晶时，还会产生非常大的压力，使混凝土破坏土破坏. 硅酸盐水泥混凝土的抗酸能力差，当接触的水呈酸硅酸盐水泥混凝土的抗酸能力差，当接触的水呈酸性（性（pH值小于值小于6.5）时就会出现问题）时就会出现问题.混凝土和钢筋的种种劣化过程，都需要有水的混凝土和钢筋的种种劣化过程，都需要有水的参与或以水作为媒介参与或以水作为媒介.为阻止水、氧气为阻止水、氧气 、二氧化碳等气体和盐、酸等、二氧化碳等气体和盐、酸等有害分子或离子侵入混凝土内部，最根本的措有害分子或离子侵入混凝土内部，最根本的措施就是：施就是： 增加混凝土自身的密实性和抗裂性增加混凝土自身的密实性和

12、抗裂性 增加钢筋的混凝土保护层厚度，延缓有害物质增加钢筋的混凝土保护层厚度，延缓有害物质到达钢筋位置的时间到达钢筋位置的时间结构耐久性不足的主要原因结构耐久性不足的主要原因工程设计的耐久性标准过低工程设计的耐久性标准过低 工程施工进度的不适当追求工程施工进度的不适当追求缺乏正常检测与维修缺乏正常检测与维修构件强度设计的安全设置水准过低构件强度设计的安全设置水准过低 几十年来，水泥性能、混凝土养护和环境条件的几十年来，水泥性能、混凝土养护和环境条件的巨大改变巨大改变Tab.2 我国现行规范（我国现行规范（80年代颁布）与国年代颁布）与国外比较外比较日本规范规定的更高（最低相当于日本规范规定的更高

13、（最低相当于C35，100年寿命为年寿命为C45 ） 配筋混凝土配筋混凝土我国我国 美国美国 英国英国最低强度等级最低强度等级C15C25C30（C25）碳化锈蚀露天雨淋碳化锈蚀露天雨淋环境下保护层厚度环境下保护层厚度板板2cm梁梁3cm3.8cm（d16）C35, 3.5cm干湿交替下干湿交替下C40，4cm严重冻融严重冻融仅水工规范仅水工规范 要求要求要求引气要求引气要求引气要求引气工程施工进度的不适当追求工程施工进度的不适当追求养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年养护不良使表层混凝土的抗渗性成倍降低，使钢筋开始锈蚀的年限成倍缩少限成倍缩少 1天养护与天养护与7天养护，

14、可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的天养护，可使碳化引起锈蚀年限缩减为原来的1/4抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差抢工省略必要检验工序，使钢筋位置出现偏差 钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减钢筋的保护层厚度如在施工中缩减一半，出现锈蚀年限将缩减为原来的为原来的1/4 保护层厚度的保护层厚度的510mm施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发施工允差，甚至能使钢筋锈蚀的年限发生成倍差别生成倍差别结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质结构各种施工、连接缝和防水层是影响耐久性的薄弱环节，其质量在快速施工中最不易保证。量在快速施工中最不易保证。 图图4 养护条件对不

15、同水灰比混凝土养护条件对不同水灰比混凝土空气渗透性的影响空气渗透性的影响 提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施基础防护基础防护增大密实度增大密实度加大保护层厚度加大保护层厚度使用外加剂使用外加剂 使用矿物掺合料使用矿物掺合料 附加措施附加措施钢筋涂层防护钢筋涂层防护耐蚀钢筋耐蚀钢筋电化学保护法电化学保护法牺牲阳极牺牲阳极外加电流保护法外加电流保护法 混凝土表层涂层防护混凝土表层涂层防护钢筋表面涂层与耐腐蚀钢筋钢筋表面涂层与耐腐蚀钢筋环氧树脂涂层钢筋环氧树脂涂层钢筋最广泛的工程应用最广泛的工程应用防钢筋锈蚀的有效措施之一防钢筋锈蚀的有效措施之一耐蚀钢筋耐蚀钢筋日本日本-合金钢钢筋合金钢钢筋美国，加拿大与欧洲美国，加拿大与欧洲-不锈钢钢筋不锈钢钢筋造价相对较高造价相对较高近年来发展的新兴材料纤维塑料筋等惰性材料近年来发展的新兴材料纤维塑料筋等惰性材料品种：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维品种：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维优良特性优良特性 ：耐腐蚀、重量轻、强度高、无磁性：耐腐蚀、重量轻、强度高、无磁性表表3 国际