文献综述――混凝土劣化

1、专业文献综述题 目: 钢筋混凝土结构劣化原理及研究方法综述 姓 名: 雷涛 学 院: 工学院 专 业: 工程管理 班 级: 工管102班 学 号: 指导教师: 张云清 职称: 讲师 2014年 02月 25日南京农业大学教务处制钢筋混凝土结构劣化原理及研究方法综述摘要：钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土各自的优点，造价较低，因此成为世界上应用最为广泛的结构形式，但即使设计合理，质量合格钢筋混凝土结构也会随时间的变化，在自然环境或人为环境下遭到破坏。而且结构耐久性破坏严重而普遍，所以对结构劣化的机理模型的探究迫在眉睫。本文总结了钢筋混凝土结构劣化因素，破坏机理，及现有的研究方法，并分析现有方法的优

2、劣，对劣化模型的进一步建立提出建议与展望。关键词：混凝土；钢筋；劣化；耐久性Reinforced concrete structure degradation principle and research method were reviewedAbstract：Reinforced concrete structure is a combination of their own advantages, reinforcement and concrete with low cost, thus became the worlds most widely used structure form

3、, but even if the design is reasonable, quality qualified will change with time, the reinforced concrete structures in the natural environment or man-made damage to environment. And serious and widespread damage structure durability, so the structure model to explore the mechanism of degradation is

4、imminent. Deterioration of reinforced concrete structures are reviewed in this paper.the factors and failure mechanism, and the existing research methods, and analysis of the advantages and disadvantages of existing methods, to build further put forward the proposal and prospect of degradation model

5、.Key words: concrete；rebar；degradation；durability0 引言：混凝土是用水泥、水和骨料(细骨料如砂，粗骨料如卵石、碎石)等原材料经搅拌后人模浇筑，并经养护硬化后做成的人工石材。混凝土结构是指以混凝土为主制作的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等，其耐久性是指其抵抗环境中各种因素(如大气影响、化学腐蚀和其他劣化过程而保持正常使用功效的能力1 程素兰.混凝土结构劣化原因及耐久性探讨.山西建筑J，2009，（28）。随着现代混凝土技术与我国经济的快速持续的发展，混凝土被广泛应用于港口、大坝、公路、桥梁、市政等现代化工程建设中.然而,

6、钢筋混凝土结构由于受到各种环境条件，如大气、水等物理或化学的侵蚀作用，即使结构设计合理、施工正确，其在服役期间也往往发生劣化、未达到预期寿命而破坏。据报道,美国需要大量的资金来修复被腐蚀破坏的钢筋混凝土结构。在英国，需要重修或大修的钢筋混凝土结构占36%。在我国，钢筋混凝土结构的侵蚀破坏也十分严重,且随着我国的基本建设的全面开展。后期的钢筋混凝土结构的维护、修补等问题将会日益突出。因此，对混凝土结构采取有效表面防护技术以防止混凝土的环境侵蚀、维护混凝土的性能，对保证并提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有重要的现实意义。这不仅是保证建筑物在使用寿命期间的安全性，而且大大减少对自然资源和能源的消耗

7、，也符合混凝土工业的可持续发展战略2 蒋正武，王莉洁. 钢筋混凝土的环境侵蚀与表面防护技术. 腐蚀科学与防护技术J，2004，（5）2。1 钢筋混凝土结构劣化的机理1.1钢筋锈蚀混凝土中钢筋锈蚀是十分普遍的现象，尤其是在沿海地区、工业污染地区钢筋锈蚀问题更为突出。如今钢筋锈蚀已被公认为混凝土结构耐久性劣化最主要的原因，不少国家为此遭受了巨大的经济损失3 杨松荣，孙友态. 混凝土钢筋锈蚀机理及防腐研究.山西建筑J，2010，（8）3。在正常情况下，混凝土中的钢筋不会锈蚀，这是由于钢筋表面的混凝土孔溶液呈高度碱性(硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2：pH值大于13)，可维持钢筋表面形成致密的氧化膜

8、，对钢筋有很强的保护能力，这正是混凝土中钢筋，正常情况下不受腐蚀的主要原因4 杨卫东，姜成岭. 混凝土结构劣化原因分析.山东交通科技J，2006，（2）4。导致钢筋锈蚀的原因主要有：混凝土保护层碳化和氯离子侵入并在钢筋表面达到一定浓度。钢筋腐蚀程度通常采用腐蚀率表示，即锈蚀钢筋截面损失率或钢筋直径损失率。通常，当钢筋截面损失率大于0. 5%时，会产生纵向裂缝；当锈蚀率达到5% 10%时，由于腐蚀不均匀，钢筋力学性能均有一定降低；当其截面损失大于10%时，会导致混凝土保护层剥落，钢筋应力- 应变关系变化很大，没有明显屈服点，屈服强度与极限抗拉强度非常接近，且都有降低，延伸率明显下降。钢筋锈蚀造成

9、钢筋截面积减小，极限延伸率降低，构件有效高度降低，锈蚀产物膨胀使混凝土保护层产生纵筋裂缝，结构粘结性能和承载力下降。研究表明，构件正截面抗弯承载力与钢筋腐蚀率基本呈线性关系，且承载力下降的速度大于腐蚀率增加的速度。可见，腐蚀状态下受弯构件承载力除受腐蚀率影响外，还受钢筋表面坑蚀造成的应力集中，钢筋延伸率、屈服强度和抗拉强度的降低、屈服台阶变短以及由于混凝土保护层开裂导致构件截面有效高度的减少等因素的影响。以上事实说明，当钢筋腐蚀率较低时，构件承载力下降的幅度并不大，而混凝土和钢筋的局部粘结性能有明显下降，构件的适用性往往先于承载力安全性而达不到要求5 陈朝晖，黄河. 混凝土劣化对结构性能的影响

10、. 重庆大学学报J，2003，（2）5。混凝土在多种因素作用下(如碳化、氯离子侵蚀等) ，钢筋因原先在碱性介质中生成的钝化膜被破坏而渐渐失去保护作用,导致钢筋锈蚀,生成的铁锈体积比被腐蚀掉的金属体积大34 倍，使混凝土保护层沿钢筋纵向开裂，而裂缝一旦产生，钢筋锈蚀速度加快,结构构件的承载力与可靠性劣化的速度大大加快,有的甚至发展到钢筋锈断，危及结构的安全6 贾红梅，阎贵平，闫光杰. 混凝土中钢筋锈蚀的研究.中国安全科学学报J，2005，（5）6。上述研究着重在纵筋锈蚀上，事实上，箍筋首先锈蚀，尤其在纵筋与箍筋的相交处，箍筋锈蚀更为严重。当纵筋截面损失率为5% 10% 时，箍筋多已锈断。箍筋锈蚀

11、不仅直接影响构件的抗剪承载力，且对受压构件承载力有间接影响7 金伟良，夏晋，王伟力. 锈蚀钢筋混凝土桥梁力学性能研究综述.长沙理工大学学报J，2007，（2）5。锈蚀引起的粘结性能退化改变了梁的破坏机理，在一定条件下将导致受拉钢筋强度不能充分发挥作用。随着钢筋锈蚀程度的增加，粘结性能退化，梁的弯曲破坏从适筋破坏转化为少筋破坏，锈蚀严重的梁还有可能发生粘结锚固破坏8 薛芳梅. 高速公路原材料质量控制.山西建筑J，2006，（15）7。1.2混凝土腐蚀与损伤混凝土劣化一般由盐害、中性化介质、酸雨、冻害、碱性碎石反应和混凝土剥离等外界因素引起。根据以往研究资料，随着时间的推移，降水、水蒸气或含钙离子

12、少的介质会侵蚀混凝土。当混凝土发生钙离子流失后，会使混凝土的孔隙率增加和内聚力降低，从而导致其强度下降。研究表明，受劣化影响的混凝土板的强度和弹性模量都具有时间效应，混凝土板的强度和弹性模量随板内的位置不同由内到外呈下降趋势9 吴小立，张伟平，黄庆华，顾祥林. 冻融和除冰盐作用下混凝土劣化试验方法评述. 结构工程师J，2009，（2）8。混凝土的冻融破坏一般发生在寒冷地区经常与水接触的构筑物，如路面、桥面板、冷却塔、水工和海工结构物以及建筑物的勒脚和阳台等。为保证冬季交通的畅通，在桥面和路面使用除冰盐时，混凝土路桥的破坏将更为严重，其主要原因是除冰盐不仅加重了冻融破坏，而且还会促使氯盐内渗。盐

13、冻对混凝土的破坏程度和速率比普通冻融破坏大好多，甚至10倍，在不采取防治措施的情况下，混凝土一般12个冬季就会出现严重的剥蚀破坏，1020年钢筋就会严重锈蚀。在北美、北欧以及我同北方地区，由于使用除冰盐而引起的混凝土结构劣化已成为人们日益关注的重要问题，其造成的经济损失相当巨大，不容忽视10 Powers T C，Helmuth R ATheory of volume changein hardened Portland cement paste during freezingProceedings of the highway research boardJ，1953，（32）9。混凝土受冻

14、融循环作用破坏的根本原因是水结冰时产生约9的体积膨胀。混凝土的饱水度愈高，结冰速度愈快，混凝土的静水压力和破坏力就会愈大。冻和融反复进行，则会使混凝土承受疲劳作用而不断加重破坏11 Setzer M JProceedin Workshop on Durability of Reinforced Concreteunder Combined Mechanical and Climatic LoadsMechanisms of frost action，Qingdao：Aedificatio PublishersM，2005，（28）4。Powers和Helmuth提出的渗透压理论12 高润东，

15、赵顺波， 李庆斌. 复合因素作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理. 建筑材料学报J，2009，（1）10以及加拿大学者Litvan和德国学者Setzer13 吕清芳，金伟良.碳化作用下基于可靠度的混凝土结构耐久性设计方法研究. 工业建筑J，2008，（12）11提出的冻融破机理都是从分析混凝土中溶液固、液、气三相共存平衡关系，提出相应的假说。瑞典学者Fagerlund提出临界饱水度理论和Cady的双机制理论引对冻融破坏机理做了很好的补充。除此之外还有酸性侵蚀，其中碳酸侵蚀混凝土化学方程式为：CO2+H2O H2CO3 Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O CaC03+H2CO3 Ca(HC03

16、)2 所生成的碳酸氢钙被水带走，使水泥石中的石灰浓度降低，引起溶出性侵蚀。硫酸(盐酸、硝酸等无机酸和醋酸、乳酸等有机酸)侵蚀酸首先与Ca(OH) 2起反应，然后与水化硅酸钙和水化铝酸钙起反应生成钙盐。硫化氢侵蚀与碳酸侵蚀相类似，硫化氢气体溶于水生成硫氢酸，硫氢酸既能与Ca(OH)2又能与CaCO3反应，产生的硫化钙，仅是侵蚀反应的中间产物，最终仍被硫氢酸溶解成为易溶的硫氢酸钙而流失。还有溶出性侵蚀溶出性侵蚀对混凝土的损害表现在两个方面：一是随着Ca(OH)2的溶出，混凝土碱性降低，如果混凝土的孔隙水溶液的pH值小于115，钢筋就可能脱钝，造成钢筋锈蚀；二是随着Ca(OH)2的溶出，混凝土的抗渗

17、性下降，为有害介质的侵入提供了条件。同时还有盐类腐蚀，如镁盐侵蚀地下水中常含有硫酸镁、氯化镁为主的镁盐，海水中含有大量的镁盐。Ca(OH)2与硫酸镁或氯化镁之间的化学反应方程式为：Ca(OH)2+MgSO4 CaSO4+Mg(OH)2 Ca(OH)2+MgCl2 CaCl2+Mg(OH)2 在氯化镁浓度低时，溶液反应容量很小，与Ca(OH)2作用只在混凝土表面进行。由于生成的氢氧化镁在混凝土表面形成沉淀和氯化钙易溶于水，使混凝土的抗渗性降低。硫酸盐腐蚀，硫酸盐与水泥中的C3A的水化反应生成物水化铝酸钙发生化学反应生成钙钒石(3CaOAl2033CaSO431H2O)，由于钙钒石晶体体积增大，产

18、生巨大膨胀应力，导致混凝土开裂破坏。氯盐的侵蚀氯盐不仅能破坏钢筋表面的钝化膜而引起钢筋锈蚀，而且能和混凝土中的Ca(OH)2发生离子置换反应，破坏混凝土结构，反应生成的氯化钙和氢氧化钠都易溶于水，一定程度上降低混凝土的抗渗性。氯化镁与氢氧化钙反应除生成易溶于水的氯化钙外，还生成难溶于水的氢氧化镁，破坏混凝土材料的微结构。还有盐冻的破坏作用当混凝土浸水时，主要靠毛细孔张力吸水；当混凝土中含有盐溶液时，除毛细孔张力外，还存在盐浓度差产生的渗透压，因此在毛细张力和渗透压共同作用下，吸水率和吸水速率都大大增加，使混凝土内部的饱水度也明显提高。此外，孔中盐溶液在干湿和冷热循环作用下，盐会过度饱和而结晶，产生盐结晶压，除静水压外，还存在盐溶液的渗透压和结晶压，因此盐冻产生的破坏加剧14 彭玉林，龚爱民，林志祥，宋天文. 西园隧洞混凝土碳化概率模型研究.混凝土J，2010，（5）4。2 劣化模型的研究方法及理论成果目前, 国内外学者对锈蚀钢筋混凝土构件的承载力学性能进行了大量的试验研究, 其中主要是以结构中主要受力构件为研究对象, 如梁、板和柱等. 考虑的影响因素有构件截面尺寸、钢筋直径、配筋数量、保护层厚度、养护方式、钢筋腐蚀程度及速度、钢筋锈蚀方式、使用荷载大小等. 试验包括锈蚀后构件各项力学性能的研究、考虑耐久性下降的承载力计算方法、钢筋锈蚀前后构件破坏形态的对比分析以及锈蚀构件裂缝