钢筋混凝土结构损伤机理(“混凝土”文档)共38张

土建学院防灾科学与平安技术研讨所李耀庄第三章钢混凝土构造损伤机理主要内容3.1混凝土中钢筋的锈蚀；3.2混凝土的碳化；3.3混凝土的腐蚀；3.4混凝土的冻融破坏；3.1混凝土中钢筋的锈蚀电化学腐蚀化学腐蚀应力腐蚀混凝土中钢筋锈蚀种类3.1.1钢筋电化学锈蚀〔1〕钢筋电化学腐蚀机理阳极阴极混凝土钢筋阳极外表阴极外表钢筋金相组织和外表不均存在电位差水分和氧气进入混凝土构成碱性溶液海水浪溅区(干湿循环作用，盐类膨胀锈蚀)砼密实度和维护层厚度电阻控制：枯燥环境、砼密实，存在涂覆层，电阻大目前无一致规范，普遍观念：混凝土碳化深度到达维护层厚度定为平安运用期，即在正常大气条件下，50年内混凝土碳化深度不允许超越混凝土维护层厚度。腐蚀电池存在是腐蚀发生的必要条件，而腐蚀开展动力和速度与电极之间的电流速度有关。进一步氧化构成疏松易剥落的堆积物铁锈Fe2O3.构件混凝土维护层厚度为25mm，假设以碳化深度到达维护层厚度为构件正常运用年数参考，试预估该厂房剩余运用年数。氯离子不构成最终锈蚀产物，也不耗费，但促进锈蚀，起到催化作用。－每立方米混凝土的水泥用量〔kg〕NaCI2，MgCl2，CaSO4，MgSO4等普通集料构造致密，吸水率小。水泥种类〔普通水泥比矿渣水泥和火山灰水泥等好〕常见的有硫酸钠、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钙等，根本都溶于水，其与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反响，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，导致混凝土破坏。3.1.1钢筋电化学锈蚀〔1〕钢筋电化学腐蚀机理普通硅酸盐水泥密实未碳化混凝土的PH值为13，无CI-存在，构成钝化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止钢筋锈蚀。如钝化膜破坏(在PH<11.5将不能稳定存在)，在有水和氧气存在时，产生腐蚀电池反响阳极阴极3.1.1钢筋电化学锈蚀红铁锈进一步氧化构成疏松易剥落的堆积物铁锈Fe2O3.Fe3O4.H2O,铁锈体积比铁添加2－4倍，将维护层胀开呵斥钢筋外露。褐锈〔1〕钢筋电化学腐蚀机理3.1.1钢筋电化学锈蚀腐蚀电池存在是腐蚀发生的必要条件，而腐蚀开展动力和速度与电极之间的电流速度有关。腐蚀电流阳极电位－阴极电位阳极与阴极的电阻阳极控制：砼高碱度在钢筋外表构成钝化膜阻止铁离子化阴极控制：氧气缺乏或缺乏可阻止阴极反响电阻控制：枯燥环境、砼密实，存在涂覆层，电阻大〔2〕钢筋电化学腐蚀的动力和速度3.1.1钢筋电化学锈蚀外在要素周围介质腐蚀性周期冷热交替作用冻融循环作用干湿交替作用海水海盐浸透作用〔3〕影响钢筋电化学腐蚀的主要要素－外在要素3.1.1钢筋电化学锈蚀内在要素PH值影响(PH>10慢，PH<4快)氯离子含量(超越一定含量在不均匀砼中容易构成坑蚀)砼密实度和维护层厚度裂痕影响(>0.2mm影响大)水泥种类及粉煤灰掺合料影响(降低砼碱性)〔3〕影响钢筋电化学腐蚀的主要要素－内在要素知识点：氯离子锈蚀机理绿锈褐锈混凝土钢筋阳极外表阴极外表氯离子易渗入钝化膜，构成易溶绿锈，绿锈向砼孔隙液中迁徙，分解为褐锈，褐锈堆积于阳极区，同时释放氯离子和氢离子，回到阳极区，使阳极区附近孔隙液部分酸化，带出更多铁离子。氯离子不构成最终锈蚀产物，也不耗费，但促进锈蚀，起到催化作用。绿锈褐锈3.1.2钢筋的化学锈蚀钢筋与酸、碱、盐等发生化学反响，构成锈蚀钢筋在稀碱溶液中构成钝化膜，在高碱和高温下那么产生碱裂或碱脆化的溶解腐蚀防止方法：用沥青、橡胶、沥青漆等处置混凝土外表，构成耐蚀的维护层。钢筋金相组织和外表不均存在电位差〔1〕钢筋电化学腐蚀机理水泥用量的添加可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性，添加混凝土的碱性贮藏量，使其抗碳化性能得以加强。当钢筋中存在较高拉应力时电化学方面比低应力时活泼得多。注：影响系数为表中粗细集料的乘积混凝土外表产生杂乱的网状裂痕，或在骨料周围出现反响环；〔3〕影响钢筋电化学腐蚀的主要要素－外在要素〔1〕钢筋电化学腐蚀机理钢筋金相组织和外表不均存在电位差海水浪溅区(干湿循环作用，盐类膨胀锈蚀)混凝土外表产生杂乱的网状裂痕，或在骨料周围出现反响环；砼抗冻性随龄期增长而提高为了配制抗碳化性能较好的混凝土，应尽能够降低混凝土的水灰比。〔3〕影响钢筋电化学腐蚀的主要要素－内在要素地下室、挡土墙、涵洞比根底和桩基更容易遭到硫酸盐腐蚀的缘由。3.1.3钢筋的应力锈蚀钢筋的应力腐蚀是电化学腐蚀和高应力复协作用结果。当钢筋中存在较高拉应力时电化学方面比低应力时活泼得多。假设因氯离子侵蚀构成蚀坑，那么会构成明显应力集中。对于低韧性高强度钢筋而言，应力集中很难经过塑性变形消除，从而构成微裂痕，能够忽然断裂而发生脆性破坏。没有任何征兆，普通发生在预应力混凝土构件中，破坏后果很严重。钢筋锈蚀将引起混凝土与钢筋粘结性能的退化3.2混凝土的碳化砼构造周围介质存在酸性物质，渗入混凝土内与水泥石中的碱性物质发生反响的过程叫做中性化。混凝土碳化是中性化最常见的方式，是CO2与混凝土中碱性物质相互作用的一种复杂物理化学过程。混凝土碳化将导致混凝土碱度降低，破坏钢筋钝化膜，同时加剧砼混凝土的收缩，导致收缩裂痕产生和加大。3.2.1混凝土碳化机理混凝土碳化的化学反响(空气中CO2含量低，碳化过程缓慢)混凝土碳化速度取决于化学反响速度(取决于CO2含量和可碳化物的含量)CO2向砼分散速度(取决于CO2和酸性物质浓度、孔隙构造)Ca(OH)2分散速度(取决于混凝土含水率和Ca(OH)2浓度)上述三个过程均与砼含水量、周围介质相对湿度、温度有关3.2.2混凝土碳化深度公式混凝土碳化后体积添加17%，混凝土中孔隙率和透气性降低，外表硬度添加。由于混凝土碳化降低混凝土碱度，特别是混凝土维护层碱度，减弱对内部钢筋的维护作用，最终导致钢筋锈蚀。混凝土碳化是导致混凝土耐久性降低的主要缘由。混凝土碳化导致孔隙部分被堵塞，此外随着龄期添加，混凝土水化作用不断加强，砼孔隙率降低，混凝土碳化速度降低。碳化深度(mm)碳化速度系数砼龄期(d)3.2.3混凝土碳化影响要素水泥种类〔普通水泥比矿渣水泥和火山灰水泥等好〕混凝土碳化影响要素水泥用量〔大好－改善和易性、提高密实性、添加碱性〕粉煤灰〔小好－与Ca(OH)2结合，降低碱度〕水灰比〔小好－降低孔隙率和浸透性、添加密实性〕集料种类影响(普通集料如火成岩等和人造集料如粉煤灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好)养护方法影响(标养和蒸养比普通养护差〕3.2.4混凝土碳化深度合格性目的目前无一致规范，普遍观念：混凝土碳化深度到达维护层厚度定为平安运用期，即在正常大气条件下，50年内混凝土碳化深度不允许超越混凝土维护层厚度。级别运用条件允许碳化深度(mm)轻集料混凝土普通混凝土Ⅰ正常湿度，室内4035Ⅱ正常湿度，室外3530Ⅲ潮湿，室外3025Ⅳ水位变化25203.2.5混凝土碳化深度计算<普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法>〔GBJ83－85〕，初次提出混凝土在CO2体积分数为20％、规范养护28天时快速碳化的多系数方程如下：－水泥用量影响系数－水灰比影响系数－粉煤灰取代量影响系数－水泥种类影响系数－集料种类影响系数－养护方法影响系数－碳化速度系数，普通砼K=3.32，轻骨料砼K=4.18〔1〕水泥用量影响系数水泥用量影响系数轻集料混凝土普通混凝土－每立方米混凝土的水泥用量〔kg〕与水泥用量成反比，水泥用量越大，那么越小，混凝土的抗裂性能越好。水泥用量的添加可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性，添加混凝土的碱性贮藏量，使其抗碳化性能得以加强。〔2〕水水灰比影响系数水灰比影响系数轻集料混凝土普通混凝土水灰比对混凝土碳化影响呈明显的线性关系。水灰比越大，那么水灰比影响系数越大，混凝土内部孔隙率越大，密实性越差，浸透性越差，碳化速度越快。为了配制抗碳化性能较好的混凝土，应尽能够降低混凝土的水灰比。〔3〕粉煤灰取代影响系数粉煤灰影响系数轻集料混凝土普通混凝土－粉煤灰等量取代水泥的质量分数〔％〕，例如取代水泥的质量分数为10％，那么F=10。粉煤灰具有一定的活性，掺用一定的粉煤灰，可节约水泥、降低大体积砼水化热、改善泵送砼性能。但它和水泥水化后的氢氧化钙相结合，使水泥碱度降低，从而减弱混凝土的抗碳化性能。在普通工艺条件下，其最大取代量不宜超越水泥质量的20％，否那么添加太快。〔4〕水泥种类影响系数水泥种类影响系数集料种类425号普通硅酸盐水泥425号矿渣或火山灰水泥325号矿渣水泥轻集料砼11.201.25普通砼11.351.50普通硅酸盐水泥配制的砼比混合材含量较高的同标号矿渣水泥和火山灰是他配制的同有较好的抗碳化性能。水泥中活性混合材含量越高，越易与水泥水化产物氢氧化钙反响，降低碱度，影响碳化性能。为提高抗碳化性能，应选用不含混合材的硅酸盐水泥或少含混合材的普通硅酸盐水泥。〔5〕集料种类影响系数集料种类影响系数普通集料构造致密，吸水率小。天然集料构造多孔，吸水率较大。人造轻集料孔隙率较小，且多为圆形封锁孔，吸水率较小。集料种类粗骨料细骨料天然轻集料人造轻集料普通集料普通砂破碎轻砂珍珠岩砂轻集料砼1.000.60－1.001.402.00普通砼－－0.561.00－－注：影响系数为表中粗细集料的乘积〔6〕养护方法影响系数养护方法影响系数规范养护：温度20±3℃，相对湿度不小于90％蒸汽养护：静庭4h，升温3h，恒温最高温90℃，恒温6－8h，降温2h集料种类规范养护方法蒸汽养护方法轻集料砼11.50普通砼11.80碳化深度小结公式建立在快速碳化的根底上，按照我国规范，快速碳化实验是在温度20±3℃，CO2体积分数为20±3％条件下进展的。快速碳化28天的碳化深度约相当于在正常大气条件下〔CO2体积分数为0.03％〕条件下混凝土存放龄期为50年的自然碳化深度。经过CO2体积分数对混凝土碳化深度的影响对比，可以用下式表示－不同环境条件下CO2相对体积分数－不同碳化深度〔mm〕－碳化龄期〔天或年〕碳化深度计算例题某工业厂房曾经投入运用12年，现场对其混凝土构件实测碳化深度为18.2mm。构件混凝土维护层厚度为25mm，假设以碳化深度到达维护层厚度为构件正常运用年数参考，试预估该厂房剩余运用年数。3.2.6碳化深度检测方法对旧混凝土构造进展检测时经常需求实测混凝土碳化深度。常用方法就是用质量分数为1％的酚酞酒精试剂喷在混凝土新破损面上〔钻孔或凿开混凝土构成测试面〕，曾经碳化的混凝土不会变色，未碳化部分为紫红色，用卡尺准确量测混凝土外表到变色分界处的深度，即为混凝土碳化深度。对于整个构件或构造应在有代表性的地方布置测区，每一个测区应测三个点，以其平均值作为该测区的代表值。3.2.7碳化处置方法〔1〕碳化深度过大，钢筋锈蚀明显，危及构造平安构件应撤除重建；〔2〕对碳化深度较小并小于钢筋维护层厚度，碳化层比较巩固的，可用优质涂料封锁；〔3〕对碳化深度大于钢筋维护层厚度或碳化深度虽较小但碳化层疏松剥落的，应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；〔4〕对钢筋锈蚀严重的，应在修补前除锈，并根据锈蚀情况和构造需求加补钢筋，防碳化后的结果，要到达阻止或尽能够减慢外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使其内部和钢筋不断处在高碱性环境中。3.3混凝土的腐蚀混凝土碳化混凝土化学腐蚀碱－骨料反响混凝土腐蚀酸腐蚀强碱腐蚀硫酸盐腐蚀3.3.1混凝土化学腐蚀〔1〕硫酸盐腐蚀在化工建筑中最常见，污水处置、化纤、制盐、制皂等建筑混凝土构件常因硫酸盐腐蚀破坏。常见的有硫酸钠、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钙等，根本都溶于水，其与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反响，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，导致混凝土破坏。硫酸盐侵蚀混凝土，外表发白，损害从棱角处开场，裂痕展开并剥落，混凝土构成一种易碎的松散形状〔桥梁上也比较常见〕。3.3.1混凝土化学腐蚀〔1〕硫酸盐腐蚀硫酸钠、硫酸镁、硫酸氨等，有两个反响过程：石膏腐蚀过程硫铝酸盐腐蚀过程单硫型铝酸盐水化硅酸钙钙矾石伴随体积的明显膨胀，导致混凝土开裂！防止方法：用沥青、橡胶、沥青漆等处置混凝土外表，构成耐蚀的维护层。3.3.1混凝土化学腐蚀〔1〕硫酸盐腐蚀－影响要素水泥种类〔熟料中氧化钙含量高〕硫酸盐腐蚀影响要素硫酸盐浓度〔高〕混凝土浸透性〔大〕水灰比〔大〕地下水位高低变化〔频繁〕水的流动〔频繁〕土壤的孔隙率〔大〕地下室、挡土墙、涵洞比根底和桩基更容易遭到硫酸盐腐蚀的缘由。3.3.2混凝土酸侵蚀硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、甲酸、乳酸、磷酸等影响要素：混凝土本身的特性，包括混凝土的浸透性、孔隙率、裂痕情况等，以及混凝土构造所处的酸环境，包括酸的种类、浓度和形状等。防止方法：用沥青、橡胶、沥青漆等处置混凝土外表，构成耐蚀的维护层。3.3.3碱－骨料反响水泥和混凝土的有关添加剂中碱性氧化物质〔K2O和Na2O〕与混凝土骨料中的活性物质〔活性氧化硅〕在常温常压下缓慢反响构成碱硅胶后，吸水膨胀导致混凝土破坏的景象。生成物体积膨胀〔3－4倍〕。碱骨料反响速度较慢，破坏景象多年才