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1、土木工程材料混凝土耐久性的分析与研究摘要：混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。影响结构耐久性的因素很多，砼质量及其保护层是内在因素；环境与载荷作用则是外在因素，不同的原因会造成不同的后果。首先讨论了混凝土耐久性的概念，接着分析了混凝土冻融作用破坏机理分析混凝土缺陷检测提高混凝土耐久性的措施，通过对影响混凝土结构耐久性几方面因素的分析，结合现有的施工经验，阐述如何提高混凝土结构耐久性的措施。最后做了总结。关键词：混凝土 混凝土耐久性 混凝土冻融 混凝土缺陷检测 结构耐久性 碱-集料反应 腐蚀 高性能砼目录一.混凝土耐久性的概念二.混凝土
2、工程中的耐久性问题2.1.混凝土冻融作用破坏机理分析2.2.混凝土缺陷检测2.3. 混凝土的碱-集料反应 2.4.化学侵蚀2.5. 钢筋的锈蚀2.6.应力水平2.7.使用方面的因素。3.提高混凝土耐久性的措施3.1.降低混凝土的孔隙率3.2.预防钢筋的锈蚀3.3 避免或减轻碱集料反应.3.4.防止混凝土的冻融破坏3.5.针对不同的腐蚀环境应设计不同的保护层厚度3.6.原材料的选择3.6.1. 水泥3.6.2 集料与掺合料3.7.混凝土配比.3.8.凝土工程施工应考虑结构耐久性 3.9. 使用阶段的检查和维护4.结论序混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结 构的
3、长期演变，最终使混凝土丧失使用能力。即所为的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗冻失效，碱-集料反应失效，化学腐蚀失效等。 （1http:/ 。造成混凝土耐久性不佳的原因多种多样，主要可分为：（1）物理破坏：由温度变化引起的收缩膨胀裂缝（这是由于混凝土内骨料和硬化水泥浆体不同的温度膨胀系数而引起），如冻融循环、除冰盐分对混凝土的剥蚀等：（2）化学破坏：由混凝土内部材料引起的碱骨料反应以及外部侵蚀性离子（Gl-）引起的诸如钢筋锈蚀、硫酸盐（SO42-）以及碳化（CO2）等；（3）机械破坏：冲击、磨损、流动淡水溶蚀作用、流动气体的磨蚀、冲蚀等（如道路、水利混凝土） 。下面作具体分析。 （2htt
4、p:/ 。一.混凝土耐久性的概念混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。现行国家标准混凝土结构设计规范(GB50010-2002)中，明确规定混凝土结构设计采用极限状态设计方法。但现行设计规范只划分成两个极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，而将耐久性能的要求列入正常使用极限状态之中。且以构造要求为主。混凝土的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能包括结构的安全性。（3http:/ ） 。二.混凝土工程中的耐久性问题我国人口众多，过去为及时解决居住需要和促进
5、工业生产，建造过不少质量不高的民用房屋和工业厂房。结构设计虽然采用可靠度理论计算，实质上仅能满足安全可靠指标的要求，而对耐久性要求考虑不足，且由于忽视维修保养，现有建筑物老化现象相当严重。2.1.混凝土冻融作用破坏机理分析国内外许多学者研究了影响混凝土抗耐久性的因素，Seibel ，Sellebold ，Malhotra ， Pigen 等人 8 9 10 研究表明：混凝土的含气量、临界气泡间距、水灰比、骨料、临界饱水度和降温速度等因素综合决定了混凝土的抗冻耐久性能。Stark and Ludwig ( 1993 ) 提出 11 ： 水泥熟料中 C3A 的含量的增加会提高其混凝土的抗冻耐久性，
6、但会降低混凝土抵抗盐冻能力。Osama A.Mohamed(1998) 研究了水泥品种，引气剂质量及引气的方法对混凝土抗冻融耐久性影响，得出 12 ：引气能显著提高混凝土的抗冻融性，然而，长期处于冻融循环的混凝土的抗冻能力则取决于天气的恶劣程度及冻融周期的频率。关英俊，范沈抚 13 (1990) 讨论了提高水工混凝土抗冻耐久性的技术措施，提出耐冻混凝土必须正确进行配合比设计，掺优质引气剂，减小水灰比，合理选用原材料，还要严格按施工规范技术要求施工。 （4http:/ 结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混
7、凝土的破坏。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括:混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。 其一是当混凝土中的毛细孔水在某负温下发生物态变化，由水转变成冰，体积膨胀 9%，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，从而在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是当毛细孔水结成冰时，由凝胶孔中过冷水在混凝土微观结构中迁移和重分布引起的渗管压。由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中的水的冰点随着孔径的
8、减小而降低。当胶凝孔水形成冰核的温度在-78 以下时，由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外胶凝不断增大，形成更大膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大。发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。2.2.混凝土缺陷检测声发射法。声发射法是利用材料或结构受力时发出瞬态振动现象的原理，在混凝土构件表面的不同部位上放置声传感器，并将传感器与信号放大器、信号调节器和磁带记录仪等组成测量系统。当混凝土构件受力产生的应变超过其弹性极限点时就会产生小振幅弹性波，波向构件表
9、面传播，会被放置在构件表面上的传感器探测到，根据不同探测位置上的应力波到达时间差可以确定变形点的位置，即混凝土构件由于受力而发生损伤的位置。用声发射法可以检测结构遭受损伤的程度。但是，该方法只能在结构变形和应力增加时才能应用，在静荷载下不能单独测量混凝土的损伤或破坏。雷达法。雷达法是利用频率为 1001200MHz 的电磁波扫描混凝土构件表面，当混凝土构件存在孔洞、裂缝、分层等缺陷时，雷达扫描波形图会发生改变，根据雷达扫描波形图，即可分析混凝土的缺陷。红外线热谱法。红外线热谱法又称红外扫描，是通过测量和记录混凝土结构热发射来分析判断混凝土构件缺陷的方法。当混凝土中存在裂缝或不连续时，扫描仪上将
10、显示完好和有缺陷混凝土热发射的差异。2.3.混凝土的碱-集料反应 混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，甚至破坏。发生混凝土碱-集料反应的条件有三个：水泥中的碱含量超过水泥总量的 0.6%；集料中活性集料含量超过 1%；混凝土处于潮湿环境。 上述三个条件全部满足时，才会发生碱-集料反应。 (5http:/ 5%时，强度下降 7%，当溶出 24%时，强度下降 29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响;而当水中溶有一些酸类时，水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂;碳酸对混凝土的影响主要为:在溶淅水泥石的
11、同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，造成对混凝土的侵蚀;硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。自然界存在各种硫酸盐,并且硫酸盐在工业生产中也得到光反射采用。硫酸盐溶液会与混凝土结构接触或是进入到混凝土基体中,并与水泥水化产物反应,导致混凝土的膨胀、开裂、剥落等损坏,进而使混凝土结构失去完整性和稳定性硫酸盐作用下混凝土宏观性能的劣化主要
12、是由于侵蚀过程中新相的生成和旧相的消失等微观结构的改变所导致的,因此,通过 XRD 等微观手段分析侵蚀产物以探究硫酸盐侵蚀机理并解释其宏观上的性能劣化原因对于评价方法的研究具有重要的指导意义。(6http:/ 钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀，其一表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，其体积比原金属增大 2-4 倍，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。氢氧化铁在强碱溶液中会形成稳定的保护层，阻止钢筋的锈蚀，但碱环境被破坏或减弱，则会造成钢筋的锈蚀，如混凝土的碳化或中性化。造成混凝土碳化和中性化的原因，主要是混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体(如
13、 CO2，SO2，H2S，HCL，NO2)渗入混凝土内与氢氧化钙作用；其二，氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯含量超过标准时，钢筋会锈蚀，而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，因此，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，则钢筋锈蚀加速，促成混凝土裂缝进一步开展，混凝土保护层剥落，最终使构件失去承载力。2.6 应力水平应力水平是指结构实际承受的应力与极限应力的比值。正常使用的抗滑桩处于某种应力状态，应力状下抗滑桩的腐蚀不同于单纯侵蚀介质下的腐蚀，应力符号、大小、荷载持续时间等都会产生不同的影响。有研究表明1，应力作用与混凝土的中性化、化学侵蚀等是相互促进的。应力水平的高低，直接影响抗滑桩的使用寿命(7http:/
