结构耐久性的试验方法与检测指标概要.ppt

1、结构耐久性的试验方法与检测指标 氯离子侵蚀对结构的耐久性影响 汇报人：刘汉云 学号：124801036 小组成员：刘汉云、孙宇雁、康欣,分 目 录 一,结构耐久性基本概念 氯离子侵蚀概述 氯离子侵蚀损伤过程 氯离子引起钢筋锈蚀的机理 混凝土中钢筋发生腐蚀的Cl-含量 氯离子侵蚀模型 氯离子含量测试方法及防护措施,1 结构耐久性基本概念,4 经济性能,2 工作性能,1 强度等级,3 耐久性能,混凝土必需的四项基本要求,什么是混凝土结构的耐久性能？,混凝土结构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；混凝土材料在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素

2、和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。 混凝土用于结构才具有耐久性要求；混凝土结构耐久性能通过混凝土耐久性体现。 正像新拌混凝土工作性一样，混凝土耐久性也是一个综合性指标。 严格地讲，衡量混凝土耐久性的物理量应该是时间。遗憾的是，混凝土的耐久性就像人的生命一样，不可能用简单的方法进行预测。因此考虑，以其他指标参考性地评价混凝土耐久性能。,1 结构耐久性基本概念,物理,孔的性质和分布,迁移机理,钢筋劣化,混凝土劣化,锈蚀,抵抗力,安全,表面条件,外观,刚度,使用性能,化学和生物,钢筋锈蚀对结构物的影响：对配筋混凝土影响巨大，强度降低、脆性增大、延性变差，导致承载力降低,钢筋

3、锈蚀成因分类 腐蚀诱因混凝土中性化、游离氯离子聚集 电化学腐蚀阳极反应阴极反应 应力腐蚀腐蚀与拉应力作用下钢筋产生晶粒间或跨晶粒断裂现象 氢脆腐蚀由于H2S与铁作用或杂散电流阴极腐蚀产生氢原子或氢气的腐蚀现象 影响因素： H2O、O2、温度、氯离子浓度、pH值、裂缝,2 氯离子侵蚀概述,氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。在混凝土中的钢筋表面，混凝土的碱性环境使内置钢筋表面产生一层保护钢筋的钝化膜,但是当氯离子的含量达到某一极限值以后，使钢筋表面的钝化膜破坏，产生孔蚀；在空气和水分的作用下，形成宏观电流，使金属铁变成铁锈，体积膨胀，混凝土保护层开裂破坏，使结构承载力

4、降低，并逐步劣化破坏。氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀是威胁混凝土结构耐久性的最主要和最普遍的病害。,氯离子存在的广泛性,混凝土中的原材料(减水剂，海沙等) 海洋环境（海水、海风和海雾中的氯离子） 火灾产生 内陆的盐湖、盐碱地环境 工业环境 路化冰盐（冬季向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水）,氯离子对混凝土结构的危害,钢筋混凝土结构在使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件中，氯化物是一种最危险的侵蚀介质。 来自海洋环境和除冰盐的氯化物污染引起的钢筋锈蚀，是严重威胁混凝土结构上部结构耐久性最主要和最普遍的病害，造成了巨大的直接和间接的损失。,3 氯离子侵蚀损伤过程,混凝土结构可分为3个时间阶段： 1）初始

5、时间to阶段(去钝化阶段)： 主要是混凝土由于碳化，使碱性降低；同时氯离子通过 混凝土保护层到达钢筋表面并集聚到临界氯离子浓度的过程。氯离子在混凝土中的渗透过程被视为扩散过程，扩散模型沿用典型的Fick第二扩散定律来描述。 2）混凝土的腐蚀开裂时间tcr阶段 3）混凝土开裂后破坏发展阶段,在钢材的表面有CL-作用，使表层的不动态膜不稳定，制造了对钢材腐蚀的机会；接着由于水和氧气的作用，形成了新的固体生成物（铁锈）。 铁锈的形态，主体是Fe(OH)2 ；Fe(OH)2在整个表面形 成，有时在表面部分形成，或者形成孔蚀。 一般情况下，混凝土孔隙中含有水，水中主要成分是 Ca(OH)2，这样溶液的p

6、H值为12-14。在强碱性溶液中， 钢材表面形成一层不动态膜（-Fe2O3 nH2O），厚度为 20-60 ，保护钢材内部。,4 氯离子引起钢筋锈蚀的机理,水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往的研究认为，该钝化膜是由铁的氧化物构成；最近研究表明，该钝化膜中含有Si-0键，它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PH115时，就开始不稳定，当PH988时，该钝化膜生成困难，或已经生成的钝化膜逐渐破坏。氯离子是极强的去钝化剂，当氯离子进入混凝土到达钢筋表面并吸附于局部钝化膜处时，可使该处的PH值迅速降低，甚至降低到4以下，从而破坏钢筋表面的钝

7、化膜。,1)破坏钝化膜,4.1 氯离子引发锈蚀过程,如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氯化物，则氯化物所引起的腐蚀可能是均匀锈蚀，但是在非均质的混凝土中，常见的是局部锈蚀。氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成电位差，铁基体作为阳极受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极，这种现象称为腐蚀电池作用。其作用结果是：在钢筋表面产生坑蚀，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。,2)形成腐蚀电池,氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了腐蚀电池的作用。氯离子与阳极反应产物Fe2+结合生成了FeCl2，将阳极产物及时搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进

8、行。通常把使阳极过程受阻，也就是说，生成的Fe2+不能及时搬运走而沉积于阳极表面的现象称作阳极极化作用；而把加速阳极极化作用，也就是说，生成的Fe2+能及时搬运走的现象称作去极化作用。氯离子正具备阳极去极化作用的功能。在氯离子存在的混凝土中，确切地说，在钢筋的锈蚀产物中是很难肉眼找到FeCl2的，这是由于FeCl2是可溶的，但是当其在混凝土内扩散时，如果遇到OH-就会生成Fe(OH)2沉淀，再进一步氧化则生成铁的氧化物，即我们通常所见的铁锈。由此可，Cl-起到了搬运作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的Cl-会周而复始地起到破坏作用，这也就是Cr危害的特点之一。,3)去极化作用,腐蚀

9、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； 氯化物还提高了混凝土的吸湿性，这也可能减小阴阳极之间的欧姆电阻； 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、阳极反应； 氯盐对钢筋腐蚀的强弱，与钢筋表面的氯离子浓度有关； 另外，氯盐对混凝土也有一定破坏作用，如结晶膨胀和增加冻融破坏等，但氯盐所引起的钢筋锈蚀破坏通常起主导作用。,4)导电作用,4.2氯离子的侵入机理,氯离子侵入混凝土的途径 ： “混入”：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

10、制浇注混凝土等。 “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，并达到钢筋表面。 氯离子渗入混凝土的输运过程： (1)扩散作用：由十混凝土内部与表面氯离子浓度存有差异，氯离子会自浓度高的地方向浓度低的地方迁移； (2)毛细管作用：混凝土表面含氯离子的盐水会)句混凝土内部干燥部分移动； (3)渗透作用：在水压力作用下，盐水会向压力较低的方向移动； (4)电化学迁移：氯离子易向电位高的方向移动。,目前用Fick(或改进的)第二定律（纯扩散过程）来近似,4.3 钢材孔蚀的机理,在含有CL-的情况下，钢筋腐蚀速度上升；但还有可 能发生孔蚀。,阳极,阴极,最终产物：Fe（OH）2

11、或 Fe（OH）3,由此可见：要防止钢筋腐蚀，Cl-要尽可能少，且保持混凝土具有很高的碱性。,5 混凝土中钢筋发生腐蚀的Cl-含量,从工程实际的观点出发，对临界Cl-浓度有2种不同的定义： 1）使钢筋表面不动态皮膜发生破坏，钢筋开始腐蚀，这时的Cl-含量为临界Cl-浓度。与混凝土表面是否出现劣化现象无关。钢筋发生锈蚀并能分出等级时的Cl-含量。 2）Cl-扩散透过保护层到达钢筋表面，当浓度达到一定值以后，钢筋发生锈蚀。如果以此为临界Cl-含量，第二种定义比第一种定义的Cl-含量高得多。,Breit通过试验及广泛的调查认为：钢筋发生腐蚀的全Cl-含量是水泥量的0.2%-0.5%。 日本学者通过试

12、验认为：钢筋发生腐蚀的全Cl-含量是水泥量的0.3%-0.6%。,作为Cl-含量的临界值，单方混凝土中水泥用量小的时候，在材料中允许的Cl-含量为0.6kg/m3左右；含有环境扩散渗透进入的Cl-时为1.2kg/m3。,6 氯离子侵蚀模型,基本模型Fick第二定律 ： 目前一般认为氯离子在混凝土中的非稳态扩散遵循 Fick第二定律，长期现场暴露试验和实际工程调查目前 一般均采用该模型来描述氯离子侵蚀入混凝土的过程。,Fick第二定律可以近似表示为：,氯离子扩散的基本数学模型为：,表面氯离子含量Cs取值 一般根据实际工程的现场实测，可以得到混凝土表 面氯离子含量的实际值。在缺少实测数据的情况下，

13、可 参照下表取值：,氯离子扩散系数Dcl取值 不同的混凝土工程有着不同的氯离子扩散系数，一般需根据实际工程现场实测得到混凝土氯离子扩散的实际值。氯离子扩散系数随时间增加会衰减。,7 氯离子扩散影响因素,扩散系数 1）水灰比 2）养护条件 3）初始暴露时间 4）掺合料（粉煤灰、硅灰） 表面氯离子浓度 混凝土保护层厚度,7.1 氯离子含量测试方法,RCT法试验室长期试验常用 RCM法现场快速测试常用 电量法根据通过的电量预测 电导率法根据混凝土试件的电导率预测,混凝土长期性能和耐久性能检验方法标准 (GB/T 50082),RCM 试验装置示意,GB/T 50082规定龄期： 28d、56d、84

14、d CCES 01-2004混凝 土结构耐久性设计与施 工指南规定龄期： 28d CCES 01-2004规定阈 值：4、5、7、8、1010-12 m2/s,龄期和阈值,国内外多以84d作为龄 期 不同结构部位控制的阈 值可以不同 案例杭州湾大桥，84d 研究表明，84d 的 Cl- 迁移系数1.510-12 m2/s，混凝土具有优良 的抗Cl-渗透性能,说 明,抗Cl-渗透(RCM法),电通量试验装置示意,GB/T 50082规定： 直径为95102mm 厚度为513mm的素混凝 土芯样 ，三个为一组。 电压：60V直流电压 溶液：3.0%氯化钠 0.3mol/L氢氧化钠 28d或56d,

15、一般是28d， 大掺量矿 物掺合料， 可以56d,试验龄期,等级划分参照： ASTM C 1202-05 基于电通量Cl-渗透性,本标准规定,抗Cl-渗透(电通量法),7.2 氯离子腐蚀的防护措施,混凝土中氯离子含量的限定值（0.06%，0.1%） 混入型氯离子腐蚀的防护（施工用水，砂子，外加剂） 渗入型氯离子腐蚀的防护（确定防护地区及等级 ，提高混凝土保护层厚度和质量 ，混凝土表面涂层 ） 其它防护方法 （钢筋阻锈剂 ）,(1)氯离子的侵蚀是引起混凝土中钢筋腐蚀的主要原因。氯离子是极强的去钝化剂，一定条件下其浓度达到临界值，钢筋就会去钝化而腐蚀。 (2)氯离子来源广泛。我国的海岸线长，沿海地

16、区钢筋混凝土结构受海洋环境的影响较大，北方冬季公路除冰盐的应用是造成氯化物污染的重要原因。 (3)为防止钢筋的腐蚀，首先应提高混凝土的护筋性，其次必须采取一些补充措施来抑制氯离子的侵蚀。采用钢筋阻锈剂和电化学阴极保护法来保护钢筋是比较经济和有效的方法。,结论,结构耐久性的试验方法与检测指标 评估混凝土结构耐久性 小组成员：刘汉云、孙宇雁、康欣,评估混凝土结构耐久性,Why the need? 使用过程中荷载的变化 增加新的使用空间 恶劣环境下的退化 工程质量不合格引起的缺陷 不符合规范 设计错误,1. 介绍,评估混凝土结构耐久性,结构退化常见原因 外部化学腐蚀 内部化学腐蚀 混凝土表面磨损 重

17、复加载 重载 非均匀尺寸变化 偶然荷载,1. 介绍,评估混凝土结构耐久性, 施工缺陷 裂纹 剥落 露筋 不均匀沉降 严重沉降,2. 目测,评估混凝土结构耐久性,重点检测位置 地下室 停车场楼层 楼梯 升降机槽 屋顶,2. 目测,评估混凝土结构耐久性,初步判断产生裂缝的原因 塑性收缩开裂 碱骨料反应 延迟钙矾石生成 塑性沉降裂缝,3. 初步判断,评估混凝土结构耐久性,4. 现场检测,现场检测要求 有经验的操作人员 标准刻度的设备 合理的检测步骤 合理的检测位置与测试次数（试件数量）,评估混凝土结构耐久性,4. 现场检测,现场检测内容主要包括 混凝土强度 裂缝和破裂 保护层厚度 腐蚀 剥离 体积稳

18、定性,评估混凝土结构耐久性,4. 现场检测,混凝土强度 探针刺入 回弹仪,评估混凝土结构耐久性,4. 现场检测,混凝土强度 取混凝土芯,评估混凝土结构耐久性,4. 现场检测,超声波探伤法 表面和次表面退化，裂缝，大空隙的位置,评估混凝土结构耐久性,5. 总结,为满足结构的功能要求，确保结构安全，需要进行常规的结构耐久性评估。评估有利于： 避免意外损伤使结构发生失效或发生人员伤亡； 确定结构能继续工作，或预测结构能否达到使用寿命； 减少投资成本。,结构耐久性的试验方法与检测指标 汇报人：康 欣 学号：134801011 小组成员：刘汉云、孙宇雁、康欣,汇报提纲 一、预应力混凝土结构耐久性一般问题

19、 二、腐蚀环境下预应力混凝土结构的力 学性能研究进展 三、规范中对耐久性问题的规定 四、展望及结合本人研究方向所提出的设 想,一、预应力混凝土结构耐久性一般问题,一般而言，影响混凝土结构耐久性的因素可归纳为内因和外因两方面。比较常见的如：侵蚀性介质含量，荷载导致的应力水平，以及使用期间出现的裂缝，环境湿度、温度的变化。 近些年来建筑工业快速发展，硅酸盐水泥组份有了不同的变化，虽然能更好的满足现在建筑工业的需求，如增大坍落度使其更容易生产和应用，强度的提高满足现代建筑的要求，但从结构耐久性角度来看，对钢筋的保护和耐腐蚀性不甚理想。 可以这样认为，今天的混凝土结构较之前的更加不耐久，随着时间的流逝

20、，以后会暴露出更加严重的耐久性问题。,一、预应力混凝土结构耐久性一般问题,世界各国也不段出现预应力钢筋腐蚀导致的结构破坏事故：比如，斯洛文尼亚媒体就披露，一座服役了22年的铁路高架桥，发现了预应力钢筋不同程度的锈蚀，部分预应力钢筋的截面损失率高达40%；西班牙一条大直径预应力供水管道，在仅使用6年后，就发生了严重的应力腐蚀，在管道接头处，出现了0.5m宽，1.0m长的破口。,图1-2被腐蚀高架桥纵筋布置示意图,图1-3供水压力管道的应力腐蚀缺口,一、预应力混凝土结构耐久性一般问题,根据Numberger的研究报告，力筋腐蚀导致的疲劳破坏占据预应力混凝土结构破坏的90%，且这是一种破坏后果最为严

21、重的一种破坏形式。 所以，预应力混凝土结构的耐久性问题是存在的。这些问题除了混凝土的碱集料反映、冻融循环、硫酸盐侵蚀和钢筋的腐蚀（一般基于混凝土的碳化及氯离子侵蚀）等与普通混凝土结构类似的破坏之外，锚具和埋设件的腐蚀以及预应力钢筋中的高应力引起腐蚀的加速发展乃至应力腐蚀破断是其特有的和后果最为严重的破坏形式。 其中基于力筋腐蚀的耐久性退化包括两种可能的类型，一种是有些结构与其所处的环境共同构成了对应力腐蚀敏感的体系而使预应力钢筋发生应力腐蚀破断，这种破断不需要很多的腐蚀量，但需要一种非常特殊的局部腐蚀条件；,一、预应力混凝土结构耐久性一般问题,另一种是有些结构与其所处的环境共同构成了对应力腐蚀

22、不敏感的体系而仅发生一般腐蚀减损，其腐蚀量往往较大，当这种腐蚀减损达到一定程度时也会引起处在高应力状态的预应力钢筋的破断。 考虑到这些事故的严重性，也考虑到高强的预应力钢筋对截面损伤的低免疫力，目前工程界普遍将预应力钢筋丧失钝态作为预应力混凝土结构在钢筋腐蚀环境下的耐久性极限状态，以此制定其耐久性设计、施工、检测以及防护的方法与措施。然而，如此做法的代价是高昂的，而力筋腐蚀的问题仍然是不可避免的。 因此，需要考虑万一腐蚀了怎么办，探讨腐蚀发生，腐蚀进程如何，腐蚀引起的结构性能变化如何。目前极少量的有关研究还远不能回答这样的问题，因此，研究预应力混凝土结构的耐久性问题既有重要的意义，也有十分的必

23、要。,二、腐蚀环境下预应力混凝土结构的力学性能研究进展,研究腐蚀环境下预应力混凝土结构的力学性能，从以下四个方面考虑（1）探讨腐蚀发生的诱因，（2）腐蚀进程的变化，（3）腐蚀引起的材料性能变化，（4）腐蚀引起的结构性能变化如何。在下面的关于预应力混凝土结构耐久性研究现状介绍时，将综合部分普通混凝土结构的相关研究内容。 2.1 腐蚀环境下有害介质传递行为的研究 在预应力混凝土结构的保护层中，主要研究、O2、CO2、CL-等物质的传递途径和行为。 O2传递行为的研究，建立钢筋腐蚀速率速度模型是，以氧为主要控制因素，根据 Fick 定律，建立保护层中（假定保护层均质）的氧扩散模型。,二、腐蚀环境下预

24、应力混凝土结构的力学性能研究进展,CO2传递行为的研究，造成钢筋腐蚀的侵蚀途径主要有碳化和氯离子侵蚀，碳化侵蚀的速率相当缓慢，特别是针对预应力混凝土结构体系，普遍使用高等级混凝土且具有较一般混凝土结构更厚的保护层，进一步延缓了碳化的速率；对比而言，氯离子侵蚀具有更快的速率，会造成钢筋更深程度的腐蚀。涂永明着重研究了预应力混凝土构件碳化速率中应力的影响因素，建立了碳化深度模型。 CL-传递行为的研究，国内外大部分将研究重点放在以扩散为介质传递的主要方式。此过程主要使用 Fick 的第二条扩散定律，即的扩散浓度、扩散系数与扩散时间相联系，并采用自然扩散法、 Nernst-Einstein 方程法和

25、通电方法确定扩散系数，主要的模型有：Mangat（1994）、Costa（1996）、Wood（1997）、Hansen（1999）、Asrar（1999）等。涂永明研究了预应力混凝土试件中应力对氯离子传输过程的影响，建立了相关的侵蚀模型。,二、腐蚀环境下预应力混凝土结构的力学性能研究进展,2.2 腐蚀环境下有害介质传递行为的研究 一般情况下，可将影响钢筋腐蚀速率的因素归纳为如下：1、水灰比，2、 保护层厚度，3、环境温度，4、环境相对湿度，5、 氯离子浓度。 对于预应力钢筋混凝土结构，钢绞线一直处于较高的应力状态，当预应力钢筋作为主要应力因素时，其对腐蚀速率的影响是很有限。所以，在实际的耐久

26、性试验过程中，不以钢筋应力作为腐蚀速率主要影响是一种合理的方法。若混凝土保护层完好，处在服役期间的各种钢筋混凝土结构（普通混凝土结构、预应力混凝土结构、部分预应力混凝土结构），可以不考虑钢筋应力对于腐蚀速率的影响。 2.3腐蚀环境下预应力钢筋力学性能的研究 钢筋腐蚀的不断发展，将会使名义强度降低，并造成延性的损失。钢筋截面面积损失率与名义强度的降低基本成线性关系，钢筋延性的损失与钢筋截面面积损失率基本上,二、腐蚀环境下预应力混凝土结构的力学性能研究进展,成指数关系。但是大部分试验研究普遍基于普通混凝土结构，得到的这些定性结论能否用于预应力混凝土结构中的预应力钢筋，多大程度上适合预应力钢筋，都是

27、不确定的。进一步分析相关试验，各种经验模型绝大多数都是采用统计平均值的确定性模型，对于现在采用概率极限状态的设计方法，很难直接应用已有的结论。 2.4腐蚀环境下钢筋粘结性能的研究 普通混凝土结构中钢筋腐蚀后的粘结性能受到了国内外学者的深入研究，并已取得如下定性结论：在出现钢筋腐蚀的早期阶段，钢筋腐蚀后其产物的体积膨胀，提高了混凝土对钢筋的约束力，无论均匀或者局部腐蚀，都使钢筋表面变得粗糙，钢筋与混凝土之间的摩擦系数也因此略有增大，钢筋与混凝土之间的粘结性能反而得到了加强。伴随着钢筋腐蚀的进一步发展，钢筋和混凝土之间的机械咬合力将会由于变形钢筋横肋的锈蚀而降低。,三、规范中对耐久性问题的规定,针对混凝土结构耐久性问题，混凝土结构设计规范做出了专门的规定，其中关于耐久性的设计包括了下列内容： 1、确定结构所处的环境类别；2、提出对混凝土材料的耐久性基本要求；3、确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；4、不同环境条件下的耐久性技术措施；5、提出结构使用阶段的检测与维护要求,四、展望,预应力混凝土结构的耐久性问题牵涉到很多问题，虽然钢筋对其疲劳性能是很重要的影响因素，但是考虑循环疲劳荷载和腐蚀环境共同作用下结构的疲劳性能研