混凝土结构精品课件

1、混凝土结构第1页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 混凝土结构耐久性概述（一）混凝土结构耐久性的重要意义 1.耐久性的定义 建筑结构可靠度设计标准规定：（1）正常施工、使用时，能承受可能出现的各种作用；（安全性）（2）正常使用时，具有良好的工作性；（适用性）（3）在正常维护下具有足够的耐久性；（耐久性）（4）在设计规定的偶然事件发生时或发生后，仍能保持必要的整体 稳定性。（安全性）第2页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化。混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能劣化，出现损伤甚至

2、损坏，是一个不可逆的过程。混凝土结构耐久性：结构耐久性在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在规定的期限内保持其适用性和安全性的能力。第3页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 2.混凝土的耐久性正确设计、按要求施工和养护耐久的结构材料。3.混凝土的耐久性出现问题没有达到使用年限受环境作用而过早破坏。耐久性出现问题直接影响结构的安全和使用性能。美国：维修费用占40%,新疆投资占60%。三十年我国：难以估计，但不容乐观。调查码头、水闸、路面、立交桥等，顺筋开裂、剥落、锈断。原因：对耐久性重视不够，只考虑力学性能的要求，而没有按耐久性要求设计。重数量轻质量，重近期效益轻

3、长远利益，重局部轻国家；科技人员自身应再学习、再认识。第4页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五耐久性现状(1)结构类型耐久性状况民用房屋干湿交替的室外构件过早锈蚀，3040 年工业厂房大修年限2030 年海港码头大修年限1020 年，浪溅区最严重桥梁除冰盐侵蚀，大修年限1020 年隧道渗漏严重标准对耐久性的要求一般工程：50年，95% 保证率不需大修，平均不大修90年重要工程：100年第5页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五耐久性现状(2)预应力腐蚀事故时有发生（2001年四川宜宾南门大桥桥面坍塌事故） 1994 年铁路部门的统计：桥梁总数33600 座

4、，病害结构6137座，预应力结构2675座，维修费用约4 亿元。 预应力结构，尤其是后张法预应力结构的耐久性问题亟需解决。第6页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 土木工程发展现状和趋势：混凝土结构因耐久性不足导致过使用寿命不足或早失效破坏的事故屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。新建工程修复工程第7页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 土木工程中的经济问题 2000年土建领域中的总投资新建工程费用维修费用1/21/2材料、结构、施工、维护耐久的钢筋混凝土结构重点工程服役寿命缩短一半，经济损失高达工程投资的35倍。第8页，共52页，2022年，5月20日，2点1

5、0分，星期五混凝土结构的耐久性是由混凝土、钢筋材料本身特性和所处使用环境的侵蚀性两方面因素共同决定的。 影响混凝土材料本身内在机理是混凝土材料成分与气体、水化学反应中溶解物有害物质在混凝土孔隙和裂缝中的迁移，迁移过程导致混凝土产生物理和化学方面的劣化和钢筋锈蚀的劣化，其结果将使结构承载力下降、刚度降低和开裂，以及外观的损伤影响着结构的使用效果。混凝土材料本身导致劣化的内在因素有含碱度过低，氯离子含量过高、有碱活性骨料、盐类结晶等。影响混凝土结构耐久性的因素 第9页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五第10页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五影响因素1)结构

6、设计2)材料设计材料质量不合格配合比设计3)施工质量控制4)外界环境条件第11页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 1)结构设计构造上的原因(1)钢筋的混凝土保护层厚度太小；(2)沉降缝、伸缩缝构造不正确；(3)构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当；(4)基础建在滨海盐渍地区；(5)隔热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。第12页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 2)材料设计不合格材料质量不合格(1)使用的水泥品种不当，水泥含碱量过大；(2)使用含有较多的C3S、细度过小的水泥，加水拌合后水化加速，放热加剧干燥收缩增大，导致混凝土开裂；(3)使用含有碱活性

7、矿物的骨料；(4)骨料颗粒级配不当，例如使用花岗岩人工骨料，颗粒形状差、表面粗糙，会造成混凝土用水量增大，用水量高使硬化的混凝土孔隙增加；(5)外加剂使用不当，例如使用含有氯离子的非高效减水剂、使用含气量过大的引气剂、使用含有氯离子的早强剂等。(7)使用海水搅拌钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土等。配合比（1）水灰比（ 或水胶比） （2）用水量、水泥用量（3）浆集比 （4）砂率第13页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 3)施工质量低劣 (1)水灰比过大，例如，为便于施工、运输和浇捣，任意加大水灰比，导致增大孔隙率，渗透性加大； (2)单方水泥用量过大，例如为缩短工期，提高混凝土

8、早期强度，加大水泥用量，会引起收缩和水化热过大而开裂；(3)过早拆模，例如为赶工期、加快模板的周转，提前拆模，混凝土养护期的强度不以承担上部结构自重和施工荷载而引起早期开裂； (4)浇捣不当、养护不当，会产生蜂窝、孔洞和沉降微细裂缝，在干燥气候下养护或气温太低未加保护等；(5)施工组织不当，造成不应出现的施工缝(冷缝第14页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 4)外界环境条件恶化(1)气候条件异常，如气候突变，干湿环境交替频繁；(2)自然环境恶化，随着工业化和城市化的发展造成酸雨，空气质量下降，结构物周围遭受到C02、S02、S03气体的侵蚀；(3)建筑场地有害物质的侵入，

9、如地基土有侵蚀性水，碳酸盐及碱溶液侵入等等 第15页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五二、钢筋混凝土结构的安全性随时间的变化结构设计师关心安全度。安全性随时间是在变化的。在严酷使用条件下，某些性能或综合性能随时间而劣化 结构物承载能力降低。结构设计材料设计 结构安全性施工质量第16页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五三、按耐久性设计混凝土 耐久性设计依据 暴露环境 重要性 服务年限不严酷 强度中等严酷 强度、耐久恶劣 耐久、强度 安全性和使用寿命结构设计材料设计施工第17页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五四、 使用环境对混凝土破坏的

10、原因的分析和分类使用环境不太严酷的 足够强度和密实度 耐久暴露在大气、土壤、水和海水 受温度、湿度、水位的变化及化学介质的侵蚀 性能发生变化以至破坏混凝土破坏形式：表面剥蚀、开裂、钢筋锈蚀、强度降低等等混凝土破坏含义 ：承载能力降低，安全度降低，使用性能劣化破坏原因：单因素、多因素（多数）第18页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 混凝土结构破坏原因磨损物理作用化学作用钢筋锈蚀机械磨耗冲刷磨损气蚀干湿交替 （促进因素） 水的渗透（破坏根源）冻融交替 盐的结晶碳化与中性化氯离子引起化学侵蚀碱-集料反应体积安定性第19页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 混

11、凝土耐久性分类 混凝土耐久性渗透性抗冻性碳化与中性化盐类侵蚀：硫酸盐、镁盐等碱-集料反应钢筋锈蚀磨蚀与空蚀土壤、酸雨侵蚀等第20页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 实际混凝土结构耐久性破坏案例 美国某桥梁工程钢筋锈蚀破坏第21页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五西部地区某桥梁桥敦因冻融+干湿交替破坏第22页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五某水坝廊道混凝土因地下硫酸盐水侵蚀破坏第23页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五主要内容第1章 混凝土结构第2章 抗渗性第3章 抗冻性（水冻、盐冻）第4章 碱集料反应第5章 混

12、凝土的碳化第6章 混凝土钢筋锈蚀第7章 化学侵蚀第24页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1.1混凝土的宏观结构 材料的宏观性能与组织结构密切相关。 混凝土性能主要取决于水泥石、孔结构、界面过渡区、集料性能。 混凝土的组织结构呈堆聚状，由不同形状、大小的粗、细集料和水泥石组成。第1章 混凝土结构第25页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 研究范围：粗观、细观（亚微观）、微观三个尺度层次。第26页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 定义：由于离析和泌水作用，硬化后混凝土沿浇筑方向呈宏观堆聚结构不合理现象； 混凝土分层 1） 混凝土外分层

13、 危害：强度差异大（有利和不利方面）、表面疏松2） 混凝土内分层 定义：由于离析和泌水作用，使硬化后混凝土中粗集料上、下部为出现的不均匀现象疏松砂浆致密砂浆 危害：沿浇筑方向抗拉强度低，抗渗性下降。第27页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1.2 水泥石结构 水泥与水反应形成的水泥石是一个极其复杂的非均质、多孔、多相（固、气、液）体系。CSH 凝胶体钙矾石CH晶体水泥石的组成水化产物未水化水泥颗粒毛细孔气孔第28页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1）固相组成：CSH占70%，CH约占20%，钙矾石和AFm等硫铝酸盐共约7%，未水化熟料的残留物和其它杂质

14、约占3%。1、组成特征2) 孔隙：孔是水泥石结构中的一个重要组成部分，包括毛细孔、凝胶孔 。3) 水：第29页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1) CSH凝胶CSH片层2) C-S-H 结构模型 凝胶孔 第30页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 CH晶体: 结晶完好、六方板状、层状晶体，水泥石中最易受侵蚀物质第31页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五(1) AFt (2) AFm 水化硫铝酸盐：AFt晶体:六方棱柱状、针棒状晶体、棱面清晰，主要出现在水化早期。AFm晶体:六方板状、片状晶体，成簇或呈花朵状生成，水化后期。第32页，

15、共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五2) 孔隙：孔是水泥石结构中的一个重要组成部分，包括毛细孔、凝胶孔 。L水化产物毛细孔 毛细孔:未被水化产物占据的空间。随着水泥水化进程而减少、细化，与水灰比、龄期等有关。 10nm以上，孔径越大越有害。 凝胶孔:凝胶体颗粒之间存在的细小孔隙( 平均1.53nm) ，占胶体体积28% ；随水化龄期增长而增多。第33页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五3) 水： 结晶水:又称化学结合水，直接参与各组成水化物晶体结构，如以OH-离子状态或结晶水H2O形式存在，与其它元素有确定的含量比，结合力强，常温常压下不会脱出； 吸附水:以

16、中性水分子的形式存在，不参与组成水化物的晶体结构，而是在吸附效应或毛细管力的物理吸附作用下吸附于固相粒子表面或孔隙中，又可分为凝胶水、毛细水两种 自由水：又称游离水，存在于粗大孔隙内，与一般水的性质相同。第34页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 蒸发水与非蒸发水：蒸发水：在固定干燥条件（105加热、干冰-79下干燥，又称D-干燥法）等方法下能除去的水，自由水和吸附水非蒸发水：在上述条件下不能除去的水，化学结合水。非蒸发水的测定：先在低温干燥下除去蒸发水，再在1000左右下烧灼测量失重水泥水化率。第35页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五未 水 化 材

17、料 充 滿 水 之 毛 細 孔 C-S-H 膠 體 氫 氧 化 鈣 (1) 初 拌 (2) 7 天(3) 28 天 (4) 90 天 2、水泥石结构形成过程第36页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五 孔径分布 根据孔径可分小于20nm、2050nm、50200nm、大于200nm等4级。其中孔径大于50nm以上的对混凝土强度和耐久性危害较大，小于20nm的孔隙对混凝土性能影响极微。1.3 孔结构 孔结构含义：总孔隙率、孔径分布、孔的几何形状（尺寸）、孔的比表面积 第37页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五第38页，共52页，2022年，5月20日，2点1

18、0分，星期五 水化通道、水化产物空间特殊形状的孔对抗渗、抗冻有利特殊环境需要孔，如保温、吸声、隔热、轻质等为某些工艺提供条件1） 有利作用 孔的作用 第39页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五孔隙率提高，强度下降孔中水运动，产生干缩或湿胀粗大的孔容易产生碳化、抗渗性下降大孔中水饱和，抗冻性下降孔多钢筋易锈蚀孔中进水，热工性能下降2） 不利作用第40页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五工艺角度：加压、真空脱水、振动等配合比设计矿物质掺合料：活性SiO2与水泥水化产物二次反应、填充孔隙化学外加剂：引气、减水、膨胀、防水等方面的外加剂均可改善孔结构浸渍 改善孔

19、结构措施 光学显微镜（直径大于10m）压汞法（大于1.5nm）吸附法（一般采用氮吸附，0.5nm30nm)其他方法：SEM,小角度X衍射，氦流法、核磁共振等孔结构测试方法 第41页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1.4 水泥石-骨料界面 水泥石骨料界面是普通混凝土中最薄弱环节，也是混凝土的劣化或破坏最先发生区域。 水泥石和骨料的弹性模量不同，在温、湿度发生变化时，两者变形不一致，从而使界面处表成裂缝。 在混凝土硬化前，水泥浆体中的水会在集料表面形成一层水膜，从而在硬化过程中留下细小缝隙。第42页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五1.界面区形成机理水膜变

20、厚集料表面带电使浆体中的水分子强烈定向，并使集料表面附近水膜变厚；Ca(OH) 2 富集只有阳离子Ca2+受电场作用，活动度较大，容易迁移到集料表面附近；Ca(OH) 2达到饱和浓度，首先在集料表面上结晶，形成Ca(OH) 2结晶晶体粗大由于在集料与水泥浆体接触区水灰比局部升高，扩散到这里的Ca 2+浓度较低，因此晶体生长速度大于成核速度，所以晶体粗大。微裂缝裂缝是由于水泥浆在硬化过程中产生的体积变 化(如化学减缩、湿胀干缩等)与粗集料体积变化不一致而形成的。另外,由于混凝土成型后 的泌水作用，在粗集料下方形成水隙，待混凝土硬化后，水分蒸发，也形成界面微裂缝。 第43页，共52页，2022年，

21、5月20日，2点10分，星期五2、界面过渡区的特征 水泥石-集料界面并不一个面，而是一个有不定厚度的层(0100m)。过渡区典型特征：1）W/C高；2）孔隙率大；3）CH和钙矾结晶颗粒大、含量多；4）CH取向生长。 由于从水泥石向集料表面方向形成水灰比梯度而产生； 从水泥石本体向集料表面，水灰比逐渐变大，有利于结晶体形成、长大。第44页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五3、主要因素影响因素1）集料的性质 普通非活性骨料：集料一侧显微硬度为常量，水泥石一侧的显微硬度随与界面距离的增加而变化，并有一个较深的低谷。 轻集料：先吸水降低集料周围水灰比，随后供水养护，界面过渡区加强；

22、 潜在活性集料：在界面处参与水化反应而改善界面区。 粗糙的表面：可降低CH取向程度，有利于界面结合力。 第45页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五2）水灰比 水灰比越大，界面处水灰比也越大，孔隙率就大，因而CH在宽松的环境下越容易沉积，结晶颗粒大，界面过渡区性能就越差。 第46页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五3）胶凝材料 掺入矿物掺合料，减少水泥熟料，相应地减少了CH生成量；矿物细掺料在水泥浆体中可与CH反应，生成CSH，减少界面处CH含量；矿物细掺料的微细颗粒的填充作用还可降低过渡层中的孔隙率。 4）搅拌工艺 砂石水泥干混合料出料干拌加水传统工艺砂

23、石湿润的集料水泥出料部分水加水正常搅拌其余水搅拌改进工艺采用以下改进工艺，经第一次搅拌后先在集料表面形成一层低水灰比的水泥浆层，从而有利于最终界面过渡区。第47页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，星期五4.水泥石一集料界面过渡区的形成机理及改善途径调整配合比 可以从两个方面来进行调整.其一是调整用水量，在保证施工的前提下.尽可能降低水灰比，减少用水量。这不仅可以提高水泥石本体性能.而且可以减少泌水，从而达到改善界面的目的.其二是调整水泥用量.当集料顺粒彼此靠近时，界面效应的效应圈可以相互盛加，使界面性能得到改善.有资料报导，随着集料颗粒间距的减小.过渡区的显微硬度值提高。我们的试

24、验结果表明，在一定范围内，随着水泥浆层厚度的减小，混凝土抗压强度将增加。 选择合适的集料 集料与水泥的相容性考虑： 要想获得较好的界面粘结，集料与水泥浆应在化学性质上，结构上是相容的.只有这样，当水泥水化时，所形成的水化产物容易与集料表面物质互接触连生，形成一个整体。Conjeand曾用铝酸盐水泥和不同集料进行了试验，其结果是铝质集料最好，硅质集料最差。 集料的物理力学性质应尽可能地与水泥浆相近： 这包括强度、弹性模量、热膨胀系数、收缩等等.这样才有利于集料和水泥浆在各种条件下共同作用，减少由不致性而引起的内应力以及由此而产生的内部缺陷。第48页，共52页，2022年，5月20日，2点10分，

25、星期五 集料的几何性质对界面性质的影响不容忽视： 几何性质主要包括两个方面:一是集料的粒径.B. L. Bloem认为集料粒径大于某一尺寸后，混凝土的强度将随集料粒径的增加而降低;P.Mehta指出，混凝土的强度随集料尺度的增加而直线下降.二是集料的表面形状，实际证明，集料表面越光滑致密，Ca(OH)2在其界面区域的定向排列越显著，而一些表面凹凸不平的集料，Ca(OH)2在界面排列的规律性较差。水泥裹砂工艺 这种工艺的基本原理是，在砂的表面先包上一层水泥浆，这层水泥浆具有两个特点:其一是由于这一层水泥浆特别薄.不可能在砂的表面形成水囊，也不可能有许多的Ca(OH)2在集料界面富集和择优取向.因此，它与集料能够较好结合，形成较致密的界面结构层，其二是由于这层水泥浆与以后拌入的水泥浆在性质上的一致性，使得它们能较好的结合.预热集料工艺 加热集料有三个目的:一是在混合料中造成温度梯度，集料表面温度高，饱和燕气压高，水分易于燕发，远离集料端温度低饱和燕气压低水分易于凝结，迫使水分从集料表面向砂浆移动造成水灰比梯度，让低水灰比水泥浆壳包囊集料减水膜层。二是有利于集料表面活化，对于一些碳酸盐集料，加热有利于集料表面活化，促使碳铝酸盐生成，获得较强的界面枯结。三是集料加热后将产生热膨胀，当它与砂浆拌和时.表面热量放出，将促进水泥水化.而以后的集料中温度降低，将使集料产生收缩，这将与水泥浆