海工混凝土课件.ppt

1、海工高性能混凝土,江苏博特新材料有限公司孙树,2010年10月,专业技术内部培训材料,内容提要,1、什么是海工混凝土2、海工混凝土腐蚀情况3、海水环境混凝土部位划分4、海工混凝土破坏特征5、海洋氯化物的环境作用等级6、海工混凝土破坏类型7、海工混凝土破坏原因及现象8、影响海工混凝土耐久性的首要因素9、氯离子侵入混凝土的途径10、氯离子侵入混凝土的机理11、氯离子对钢筋锈蚀机理,12、氯离子渗透与扩散氯离子侵入模型Fick第二定律氯离子扩散系数的时间依赖性氯离子扩散系数临界氯离子浓度表面氯离子浓度混凝土保护层厚度氯离子扩散系数的测试方法13、氯离子腐蚀的防护措施14、高性能海工混凝土的配制15、

2、高性能海工混凝土工程实例,海工混凝土是指在海滨、海水中或受海风影响的环境中服役，受海水或海风侵扰的混凝土。海工混凝土包括海岸工程和近海工程以及虽在岸上，但受到海水或海洋大气的物理化学作用的构筑物所用混凝土。如:海港、入海河口整治、挡潮闸、工业引水、跨海桥梁、海岸防护、潮汐发电站、大型深水码头、海洋平台、临近入海口的内河港、桥梁等。海工混凝土由于经常地或周期性地与海水接触，受到海水或海洋大气（含有氯离子），或受波浪、流水的冲击、磨损等作用，而遭受损害，缩短耐用年限。,什么是海工混凝土,浙东沿海混凝土结构工程调查,二次调查：1994年、2000年,调查结果：80%以上都发生了严重或较严重钢筋锈蚀破

3、坏，出现锈蚀破坏的时间有的不到10年。,海工混凝土腐蚀情况,宁波北仑港码头,北仑港腐蚀修补,北仑港腐蚀修补,华南海港码头混凝土腐蚀情况的调查与结构耐久性分析我国海港工程混凝土结构耐久性现状及对策(潘德强)海港工程混凝土结构耐久性寿命预测与健康诊断研究技术文件-报告简本,海水环境混凝土部位划分,JTJ75-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范,海工混凝土破坏特征,沿海海工混凝土建筑物处于氯盐、镁盐、硫酸盐等强侵蚀环境，受外部环境破坏情况如下:水位变化区以上结构：受大气腐蚀。水位变化区(包括浪溅区、潮汐区)：环境水以动态存在，存在盐类的结晶膨胀、高碱性物质溶析、海水中Mg2+，Cl-、SO42

4、-对混凝土侵蚀、冻融循环、干湿交替、钢筋锈蚀等，这一区域的腐蚀破坏最为严重。水位线以下区域:受海水化学侵蚀。,注：1近海或海洋环境中的水下区、潮汐区、浪溅区和大气区的划分。按国家现行标准海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTJ275的规定确定；近海或海洋环境的土中区指海底以下或近海的陆区地下。其地下水中的盐类成分与海水相近；2海水激流中构件的作用等级宜提高一级；3轻度盐雾区与重度盐雾区界限的划分，宜根据当地的具体环境和既有工程调查确定；靠近海岸的陆上建筑物，盐雾对室外混凝土构件的作用尚应考虑风向、地貌等因素；密集建筑群，除直接面海和迎风的建筑物外，萁他建筑物可适当降低作用等级；4炎热地区指年平均

5、温度高于20的地区；5内陆盐湖中氯化物的环境作用等级可比照上表规定确定。,海洋氯化物的环境作用等级,GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范,海工混凝土破坏类型,海工混凝土破坏原因及现象,影响海工混凝土耐久性的首要因素,海洋是Cl-的主要来源，海水中通常含有3%的盐，其中主要是Cl-。以Cl-计，海水中的含量约为19000mg/L。海风、海雾中也含有Cl-，海砂中更含有不等量的Cl-。我国海岸线长，大规模的基本建设多集中在沿海地区，尤其是海洋工程如码头、护坡和防护堤等由于Cl-引起的钢筋锈蚀破坏十分突出。沿海地区已出现河砂匮乏，不经技术处理就使用海砂的现象亦日趋严重，这也为Cl-引

6、起钢筋锈蚀破坏创造了条件。工程经验教训表明，海水、海风和海雾中的Cl-和不合理的使用海砂，是影响混凝土结构耐久性的主要原因之一。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发，一是海水中Cl-侵蚀，二是大气中的CO2使混凝土中性化。大量工程调查和科研结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl-进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。调查中亦证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于Cl-渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响海工混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-渗透速度。,氯离子侵入混凝土的途径,氯离子侵入混凝土的途径：一是“混入”，如

7、掺用含氯离子外加剂、使用海砂、施工用水含氯离子、在含盐环境中拌制浇注混凝土等；二是“渗入”，环境中的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中，并到达钢筋表面。“混入”现象大都是施工管理问题；“渗入”现象则是综合技术问题，与混凝土材料多孔性、密实性、工程质量，钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。,氯离子源之三：原材料,氯离子通过混凝土内部的孔隙和微裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递，有以下几种方式：,毛细管作用，即盐水向混凝土内部干燥的部分移动；混凝土干燥-遇海水-被海水饱和-再干燥-蒸发纯水，氯盐留在混凝土中（毛细管作用）渗透作用，即在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动；扩散作用，即

8、由于浓度差的作用，氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；电化学迁移，即氯离子向电位较高的方向移动。,氯离子侵入混凝土的机理,氯离子对钢筋锈蚀机理,1破坏钝化膜水泥水化的高碱性(pH12.6)，使钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往的研究认为钝化膜是由铁的氧化物构成,但有研究表明,该钝化膜中含有Si-O键,对钢筋有很强的保护能力.然而该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的。当pH11.5时，钝化膜就开始不稳定(临界值)；当pH9.88时钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。Cl-进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低到4以下，从而破坏该处的钝化膜。,2形

9、成腐蚀电池Cl-对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部（点），使这些部位（点）露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域构成电位差。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极。腐蚀电池作用的结果，钢筋表面产生点蚀（坑蚀），由于大阴极（钝化膜区）对应于小阳极（钝化膜破坏点），坑蚀发展十分迅速。这就是Cl-对钢筋表面产生“坑蚀”为主的原因所在。,3去极化作用阳极反应生成的Fe2+如果不能及时搬运走而积累于阳极表面，则阳极反应就会因此而受阻；Cl-与Fe2+相遇会生成FeCl2，从而加速阳极过程。Cl-这种加速阳极的过程，称作阳极去极化作用。FeCl2是可溶的，在向混凝土内扩散时遇到OH-，立即生成Fe

10、(OH)2(沉淀)，在水和氧的存在下又继续氧化成Fe(OH)3(铁锈)。,可见，Cl-只是起到了“搬运”作用，它不被“消耗”。也就是说，凡是进入混凝土中的Cl-，会周而复始地起破坏作用，这正是氯离子危害的特点之一。,4导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中Cl-的存在，强化了离子通路，降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯盐中的阳离子(Na+、Ca2+等)，也降低阴、阳极之间的欧姆电阻，但不参与阴、阳极过程。氯盐对钢筋锈蚀影响的强弱，与其达到钢筋表面的浓度有关。氯盐对混凝土也有一定的直接破坏作用（如结晶膨胀和增加冻融破坏等），但氯离子引起钢

11、筋锈蚀，从而导致混凝土结构的破坏，在通常情况下是起主导作用的。,氯离子渗透与扩散,氯化物渗透进入混凝土中有三种基本的迁移方式:纯氯化物离子的扩散;氯化物和水结合在一起迁移;毛细管吸附.这三种迁移机制可能同时发生。在混凝土的孔隙中充满水或者充水程度较高情况下,氯离子的迁移主要由扩散作用引起。,有关氯离子在混凝土中扩散的研究是由Collepardi于1970年开始的,并于1972年发表了基于Fick第二定律的氯离子扩散系数的计算结果。Fick第二定律很方便地将氯离子的扩散浓度与扩散系数和扩散时间联系起来,可以直观地体现结构的耐久性。由于Fick第二定律的简洁性及与实测结果之间较好的吻合性,现在它已

12、成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择Fick第二扩散定律基本上也是基于一种经验的假定,因为它的模型参数具有明确的物理意义,并且它的解可以很好地拟合现有结构的实测结果。假定混凝土中的孔隙分布是均匀的,氯离子在混凝土中的扩散是一维扩散行为,浓度梯度仅沿着暴露表面到钢筋表面的方向变化。,氯离子扩散的主要影响因素,通常用Fick第二定律描述：Fick第二定律的解取决于问题的边界条件。C为氯离子浓度，D为扩散系数，t为结构暴露于氯离子环境中的时间；x为侵蚀的深度；若D为常数，如设定边界条件：表面氯离子浓度Cs为定值，在任一时刻,相对于暴露表面的无限远处的氯离子浓度值为初始浓度。可得解析解：,Cx

13、,tt时刻x深度处的氯离子浓度;C0初始浓度;CS表面浓度;D混凝土的有效扩散系数;erf()误差函数,氯离子侵入模型Fick第二定律,氯离子扩散系数的时间依赖性,式中：Dtt时刻的有效扩散系数；D0结构暴露时的扩散系数；m氯离子扩散系数的时间依赖性系数，可根据试验或调查获得。,有效扩散系数是随结构使用时间长度变化的量。经过一定使用年限后，水泥水化作用基本完成,内部微结构的变化基本不再发生,此时氯离子扩散系数趋于一个稳定值。上述公式仅使用前30年,以后Dt则成为一个恒定值。,氯离子扩散系数,氯离子扩散系数是反映混凝土耐久性的一项重要指标,目前已经发展了多种检测方法,主要有自然扩散法、加速扩散法

14、,一般通过建立扩散深度和实测浓度的关系,然后根据Fick定律拟合氯离子的扩散系数。,氯离子扩散系数不仅与混凝土的组成、内部孔结构的数量和特征、水化程度等内在因素有关,同时也受到外部因素的影响,主要包括温度、养护龄期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等。,水灰比的大小反映了混凝土抵抗氯离子入侵的能力，孙伟根据氯离子扩散试验得到的试验结果，经过拟合，得到氯离子扩散系数与水灰比的统计关系为,Dcl=34.776w/c-6.448(10-8cm2/s),混凝土掺入粉煤灰、硅粉、矿渣，有效增加了混凝土内部孔隙，改善了孔结构，均可明显改善混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久性能。,临界氯离子浓度,激

15、发钢筋腐蚀的氯离子临界浓度值不是一个唯一确定的值,它受到许多因素的影响,如混凝土的配合比、水泥的类型、水泥成分含量、混凝土材料、水灰比、温度、相对湿度、钢筋表面状况以及其它有关氯离子渗透的来源等。氯离子临界浓度具有如此大的分散性的另一个原因是对于氯离子临界值本身的规定缺乏依据,如确定的参数(可见的钢筋腐蚀、腐蚀电位或腐蚀已经发生)或临界值的表达形式(以Cl-/OH-的形式还是以占水泥或混凝土重量百分比的形式)。,通过大量的码头调查、暴露试验和现场取样,得到华南和华东海港码头混凝土结构的氯离子临界含量分别为0.105%0.145%和0.125%0.150%，处浪溅区混凝土的Cr值为0.059%0

16、.107%(占混凝土质量百分比)。交通部第四航务工程局科学研究所通过对码头现场不同标高的混凝土结构的调查发现,不同标高处氯离子的临界含量也有差别,标高小者氯离子临界含量高,水下区最高,水位变动区和浪溅区次之,大气区最低,这可能与影响钢筋锈蚀的其它因素如氧气、水分、温湿度等有关。,表面氯离子浓度,结构表面氯离子的浓度除与环境条件有关外,还与混凝土自身材料对氯离子的吸附性能有关。试验表明,不同的混凝土种类,在相同的氯离子含量溶液中浸泡相同的时间,其表面浓度是不同的。水下区、水位变动区、浪溅区和大气区都有各自的氯离子源。水下区的氯离子源主要来自于海水,比较恒定;水位变动区和浪溅区的氯离子源来自于波浪

17、或喷沫,随波浪而周期性变化,周期很短;大气区的氯离子源主要是周围的海洋环境,也比较稳定,虽然有时会受风力、风向、雨水等自然环境变化的影响。,表面氯离子的浓度不会对氯离子的扩散系数产生影响,因为后者是混凝土本身的内在性能,与外界因素无关。但是,从Fick第二定律的解析表达式中可以看出,混凝土结构表面的氯离子浓度也是影响结构耐久性的一个重要因素。,处于海水中混凝土，表面浓度一般与海水中氯盐浓度接近，Bamforth建议用于设计的表面浓度cs（按混凝土重计算）,括号内为每方混凝土胶凝材料为400kg时，按胶凝材料重表示的cs值,混凝土保护层厚度,混凝土保护层为钢筋免于腐蚀提供了一道坚实的屏障，混凝土

18、保护层厚度越大,则外界腐蚀介质到达钢筋表面所需的时间越长,结构越耐久。混凝土强度与混凝土质量之间呈正相关关系,一般强度越高,质量越好,抵抗外界侵蚀的能力则越强。因此,混凝土强度和保护层厚度之间存在一种相互协调的关系,即混凝土强度高,保护层厚度可以相对较小。高性能混凝土的强度一般很高,但其保护层厚度也不应太小,因为混凝土保护层的最小厚度不仅受混凝土结构的耐久性限制,而且也受到钢筋与混凝土协调工作的约束。混凝土保护层应该保证钢筋与混凝土之间能够有效地传递粘结应力。另外,过薄的保护层很容易受到局部损坏、磨损、表层裂缝等意外损伤。理论上混凝土保护层越厚,结构耐久性越好。但实际上,过厚的保护层在硬化过程

19、中其收缩应力和温度应力得不到钢筋的控制,很容易产生裂缝。裂缝的产生会大大削弱混凝土保护层的作用。一般情况下,混凝土保护层厚度不应超过80100mm,具体的尺寸应根据结构设计确定。,氯离子扩散系数的测试方法,氯离子扩散系数快速测定的RCM法（快速氯离子迁移系数法）详见GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范附录D和JTG/TB07-01-2006公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范附录A。GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准7.1也规定了RCM法快速氯离子迁移系数DRCM的测定方法。,检测采用外加电场测定非稳态氯离子扩散系数DRCM，定量评价混凝土抵抗氯离

20、子扩散的能力，为氯离子侵蚀环境中的混凝土耐久性设计和施工以及使用寿命的评估和预测提供基本参数。,JGJ/T193-2009混凝土耐久性检验评定标准,氯离子扩散系数的测试方法,电通量法（与ASTMC1202规定基本一致）测试方法详见GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准7.2电通量法。,检测采用直流恒电压作用下通电量试验法测定通过混凝土试件的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能。本方法不适用于掺有亚硝酸盐和钢纤维等良导电材料的混凝土抗氯离子渗透试验。,JGJ/T193-2009混凝土耐久性检验评定标准,氯离子腐蚀的防护措施,1、混凝土中氯离子含量（%）的限定,2

21、、混入型氯离子腐蚀的防护1）拌合用水：JTJ75-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范规定，氯离子含量不宜大于200mg/L。2）砂：JTJ75-2000规定3）外加剂：氯离子含量不宜大于水泥质量的0.02%。,3、渗入型氯离子腐蚀的防护采用高性能海工混凝土：其技术途径是采用优质矿物掺和料和新型高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，低缺陷，高密实、高耐久的混凝土材料。高性能海工混凝土较高的抗氯离子渗透性为特征,其优异的耐久性和性能价格比已受到国际上研究和工程界的认同。增加混凝土保护层厚度：这是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法

22、。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。混凝土表面涂覆层：完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触的特点，从而延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命。然而大部分涂层本身会在环境的作用下老化，逐渐丧失其功效，一般寿命在510年，只能作辅助措施。涂层钢筋、耐腐蚀钢筋：采用耐腐蚀钢筋对混入型和渗入型氯离子的防护都是很有效的。因为环氧涂层钢筋是在严格控制的钢厂流水线上涂覆的，一般可以保证涂层高质量，涂层可以将钢筋与周围的混凝土隔开，即使氯离子和氧气等已经大量侵入混凝土，它还是可以长期保护钢筋，

23、使钢筋免遭腐蚀。钢筋表面采用致密材料涂覆，如环氧涂层钢筋在欧美也有一定的应用，其应用效果评价不一。主要不利方面是，环氧涂层钢筋与混凝土的握裹力降低35，使钢筋混凝土结构的整体力学性能有所降低；施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其严格，加大了施工难度；另外成本的明显增加也是其推广应用受到制约。,掺入钢筋阻锈剂：通过影响钢筋和电介质之间的电化学反应，可以有效地阻止钢筋腐蚀发生。因为阻锈剂的作用可以自发地在钢筋表面上形成，只要有致钝环境，即使纯化膜破坏也可以自行再生，自动维持，这不仅优于任何人为涂层，而且经济、简便。实践证明，拌制混凝土时掺加阻锈剂也是预防恶劣环境中钢筋腐蚀的一种经济有效的补充措施

24、。钢筋阴极保护：阴极保护的电化学原理是：即使钢筋周围的混凝土有的已经碳化或含有大量氯离子，或者混凝土保护层薄而透水透气，或钢筋表面具有锈层，不让钢筋表面任何地方放出自由电子，使其电位等于或低于平衡电位，就可以使钢筋不再进行阳极反应，即钢筋锈蚀。该方法是通过引入一个外加牺牲阳极或直流电源来抑制钢筋电化学腐蚀反应过程从而延长海工混凝土的使用寿命。最大限度的控制混凝土裂缝。,高性能海工混凝土的配制,高性能混凝土已作为提高混凝土结构耐久性的有效措施用于海港工程，JTJ75-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范首次将高性能混凝土作为海工混凝土结构防腐蚀首选措施列入规范，其技术指标应符合下表要求：高性能海工混凝土的规定、原材料、配合比设计、施工与质量评定详见JTJ75-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范第6章高性能混凝土。,JTJ75-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范,高性能海工混凝土工程实例,中国东海大桥2002年6月开工，2005年5月贯通。东海大桥跨越东海，从上海至小洋山岛深水港全线总长约为31公里，宽31.5米，分上、下行双幅桥面，双向6车道，设计时速80km/h。全线按高速公路标准设计，设计基准期为100年。,2003年11月开工，2007年6月贯