混凝土结构及耐久性1资料教程

《混凝土结构及耐久性1资料教程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混凝土结构及耐久性1资料教程（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 混凝土耐久性 混凝土结构耐久性概述（一）混凝土结构耐久性的重要意义 1.耐久性的定义 建筑结构可靠度设计标准规定：（1）正常施工、使用时，能承受可能出现的各种作用；（安全性）（2）正常使用时，具有良好的工作性；（适用性）（3）在正常维护下具有足够的耐久性；（耐久性）（4）在设计规定的偶然事件发生时或发生后，仍能保持必要的整体 稳定性。（安全性）v混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化。混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能劣化，出现损伤甚至损坏，是一个不可逆的过程。v混凝土结构耐久性：结构耐久性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

2、限内保持其适用性和安全性的能力。耐久性现状(1)结构类型耐久性状况民用房屋 干湿交替的室外构件过早锈蚀，3040 年工业厂房大修年限2030 年海港码头大修年限1020 年，浪溅区最严重桥梁除冰盐侵蚀，大修年限1020 年隧道渗漏严重标准对耐久性的要求一般工程：50年，95% 保证率不需大修，平均不大修90年重要工程：100年耐久性现状(2)预应 力腐蚀事故时有发生（2001年四川宜宾南门大桥桥 面坍塌事故） 1994 年铁路部门的统计 ：桥梁总数33600 座，病害结构6137座，预应 力结构2675座，维修费用约4 亿元。 预应 力结构，尤其是后张法预应 力结构的耐久性问题 亟需解决。 土

3、木工程发展现状和趋势：混凝土结构因耐久性不足导致过使用寿命不足或早失效破坏的事故屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。新建工程修复工程 土木工程中的经济问题 2000年土建领域中的总投资新建工程费用维修费用1/21/2材料、结构、施工、维护耐久的钢筋混凝土结构重点工程服役寿命缩短一半，经济损失高达工程投资的35倍。v混凝土结构的耐久性是由混凝土、钢筋材料本身特性和所处使用环境的侵蚀性两方面因素共同决定的。 v影响混凝土材料本身内在机理v是混凝土材料成分与气体、水化学反应中溶解物有害物质在混凝土孔隙和裂缝中的迁移，迁移过程导致混凝土产生物理和化学方面的劣化和钢筋锈蚀的劣化，其结果将使结构承载力下降、刚度降

4、低和开裂，以及外观的损伤影响着结构的使用效果。v混凝土材料本身导致劣化的内在因素有含碱度过低，氯离子含量过高、有碱活性骨料、盐类结晶等。影响混凝土结构耐久性的因素 影响因素1)结构设计2)材料设计v材料质量不合格v配合比设计3)施工质量控制4)外界环境条件v 1)结构设计构造上的原因(1)钢筋的混凝土保护层厚度太小；(2)沉降缝、伸缩缝构造不正确；(3)构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当；(4)基础建在滨海盐渍地区；(5)隔热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。v 2)材料设计不合格v材料质量不合格(1)使用的水泥品种不当，水泥含碱量过大；(2)使用含有较多的C3S、细度过小的水泥，加水拌合后水

5、化加速，放热加剧干燥收缩增大，导致混凝土开裂；(3)使用含有碱活性矿物的骨料；(4)骨料颗粒级配不当，例如使用花岗岩人工骨料，颗粒形状差、表面粗糙，会造成混凝土用水量增大，用水量高使硬化的混凝土孔隙增加；(5)外加剂使用不当，例如使用含有氯离子的非高效减水剂、使用含气量过大的引气剂、使用含有氯离子的早强剂等。(7)使用海水搅拌钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土等。v配合比（1）水灰比（ 或水胶比） （2）用水量、水泥用量（3）浆集比 （4）砂率v 3)施工质量低劣 (1)水灰比过大，例如，为便于施工、运输和浇捣，任意加大水灰比，导致增大孔隙率，渗透性加大； (2)单方水泥用量过大，例如为缩短工期，提

6、高混凝土早期强度，加大水泥用量，会引起收缩和水化热过大而开裂；(3)过早拆模，例如为赶工期、加快模板的周转，提前拆模，混凝土养护期的强度不以承担上部结构自重和施工荷载而引起早期开裂； (4)浇捣不当、养护不当，会产生蜂窝、孔洞和沉降微细裂缝，在干燥气候下养护或气温太低未加保护等；(5)施工组织不当，造成不应出现的施工缝(冷缝v 4)外界环境条件恶化(1)气候条件异常，如气候突变，干湿环境交替频繁；(2)自然环境恶化，随着工业化和城市化的发展造成酸雨，空气质量下降，结构物周围遭受到C02、S02、S03气体的侵蚀；(3)建筑场地有害物质的侵入，如地基土有侵蚀性水，碳酸盐及碱溶液侵入等等 二、钢筋

7、混凝土结构的安全性随时间的变化结构设计师关心安全度。安全性随时间是在变化的。在严酷使用条件下，某些性能或综合性能随时间而劣化 结构物承载能力降低。结构设计材料设计 结构安全性施工质量三、按耐久性设计混凝土 耐久性设计依据 暴露环境 重要性 服务年限不严酷 强度中等严酷 强度、耐久恶劣 耐久、强度 安全性和使用寿命结构设计材料设计施工四、 使用环境对混凝土破坏的原因的分析和分类v使用环境不太严酷的 足够强度和密实度 耐久v暴露在大气、土壤、水和海水 受温度、湿度、水位的变化及化学介质的侵蚀 性能发生变化以至破坏v混凝土破坏形式：表面剥蚀、开裂、钢筋锈蚀、强度降低等等v混凝土破坏含义 ：承载能力降

8、低，安全度降低，使用性能劣化v破坏原因：单因素、多因素（多数） 混凝土结构破坏原因磨损物理作用化学作用钢筋锈蚀机械磨耗冲刷磨损气蚀干湿交替 （促进因素） 水的渗透（破坏根源）冻融交替 盐的结晶碳化与中性化氯离子引起化学侵蚀碱-集料反应体积安定性 混凝土耐久性分类 混凝土耐久性渗透性抗冻冻性碳化与中性化盐类盐类 侵蚀蚀：硫酸盐盐、镁盐镁盐 等碱-集料反应应钢钢筋锈蚀锈蚀磨蚀蚀与空蚀蚀土壤、酸雨侵蚀蚀等 实际混凝土结构耐久性破坏案例 美国某桥梁工程钢筋锈蚀破坏西部地区某桥梁桥敦因冻融+干湿交替破坏某水坝廊道混凝土因地下硫酸盐水侵蚀破坏主要内容第1章 混凝土结构第2章 抗渗性第3章 抗冻性（水冻、盐

9、冻）第4章 碱集料反应第5章 混凝土的碳化第6章 混凝土钢筋锈蚀第7章 化学侵蚀1.1混凝土的宏观结构 l 材料的宏观性能与组织结构密切相关。 l 混凝土性能主要取决于水泥石、孔结构、界面过渡区、集料性能。l 混凝土的组织结构呈堆聚状，由不同形状、大小的粗、细集料和水泥石组成。第1章 混凝土结构l 研究范围：粗观、细观（亚微观）、微观三个尺度层次。u 定义：由于离析和泌水作用，硬化后混凝土沿浇筑方向呈宏观堆聚结构不合理现象；l 混凝土分层 1） 混凝土外分层u 危害：强度差异大（有利和不利方面）、表面疏松2） 混凝土内分层u 定义：由于离析和泌水作用，使硬化后混凝土中粗集料上、下部为出现的不均

10、匀现象疏松砂浆致密砂浆u 危害：沿浇筑方向抗拉强度低，抗渗性下降。1.2 水泥石结构 水泥与水反应形成的水泥石是一个极其复杂的非均质、多孔、多相（固、气、液）体系。CSH 凝胶体钙矾石CH晶体l水泥石的组成水化产物未水化水泥颗粒毛细孔气孔1）固相组成：CSH占70%，CH约占20%，钙矾石和AFm等硫铝酸盐共约7%，未水化熟料的残留物和其它杂质约占3%。1、组成特征2) 孔隙：孔是水泥石结构中的一个重要组成部分，包括毛细孔、凝胶孔 。3) 水：1) CSH凝胶CSH片层2) C-S-H 结构模型 凝胶孔 p CH晶体: 结晶完好、六方板状、层状晶体，水泥石中最易受侵蚀物质(1) AFt (2)

11、 AFm p 水化硫铝酸盐： AFt晶体:六方棱柱状、针棒状晶体、棱面清晰，主要出现在水化早期。 AFm晶体:六方板状、片状晶体，成簇或呈花朵状生成，水化后期。2) 孔隙：孔是水泥石结构中的一个重要组成部分，包括毛细孔、凝胶孔 。L水化产物毛细孔p 毛细孔:未被水化产物占据的空间。随着水泥水化进程而减少、细化，与水灰比、龄期等有关。 10nm以上，孔径越大越有害。p 凝胶孔:凝胶体颗粒之间存在的细小孔隙( 平均1.53nm) ，占胶体体积28% ；随水化龄期增长而增多。3) 水：p 结晶水:又称化学结合水，直接参与各组成水化物晶体结构，如以OH-离子状态或结晶水H2O形式存在，与其它元素有确定

12、的含量比，结合力强，常温常压下不会脱出； p 吸附水:以中性水分子的形式存在，不参与组成水化物的晶体结构，而是在吸附效应或毛细管力的物理吸附作用下吸附于固相粒子表面或孔隙中，又可分为凝胶水、毛细水两种p 自由水：又称游离水，存在于粗大孔隙内，与一般水的性质相同。p 蒸发水与非蒸发水： 蒸发水：在固定干燥条件（105加热、干冰-79下干燥，又称D-干燥法）等方法下能除去的水，自由水和吸附水 非蒸发水：在上述条件下不能除去的水，化学结合水。 非蒸发水的测定：先在低温干燥下除去蒸发水，再在1000左右下烧灼测量失重水泥水化率。未 水 化 材 料 充 滿 水 之 毛 細 孔 C-S-H 膠 體 氫 氧

13、 化 鈣 (1) 初 拌 (2) 7 天(3) 28 天 (4) 90 天 2、水泥石结构形成过程p 孔径分布 根据孔径可分小于20nm、2050nm、50200nm、大于200nm等4级。其中孔径大于50nm以上的对混凝土强度和耐久性危害较大，小于20nm的孔隙对混凝土性能影响极微。1.3 孔结构p 孔结构含义：总孔隙率、孔径分布、孔的几何形状（尺寸）、孔的比表面积 u 水化通道、水化产物空间u特殊形状的孔对抗渗、抗冻有利u特殊环境需要孔，如保温、吸声、隔热、轻质等u为某些工艺提供条件1） 有利作用p 孔的作用 l孔隙率提高，强度下降l孔中水运动，产生干缩或湿胀l粗大的孔容易产生碳化、抗渗性

14、下降l大孔中水饱和，抗冻性下降l孔多钢筋易锈蚀l孔中进水，热工性能下降2） 不利作用u工艺角度：加压、真空脱水、振动等u配合比设计u矿物质掺合料：活性SiO2与水泥水化产物二次反应、填充孔隙u化学外加剂：引气、减水、膨胀、防水等方面的外加剂均可改善孔结构u浸渍p 改善孔结构措施 u光学显微镜（直径大于10m）u压汞法（大于1.5nm）u吸附法（一般采用氮吸附，0.5nm30nm)u其他方法：SEM,小角度X衍射，氦流法、核磁共振等p孔结构测试方法 1.4 水泥石-骨料界面 l水泥石骨料界面是普通混凝土中最薄弱环节，也是混凝土的劣化或破坏最先发生区域。l 水泥石和骨料的弹性模量不同，在温、湿度发

15、生变化时，两者变形不一致，从而使界面处表成裂缝。l 在混凝土硬化前，水泥浆体中的水会在集料表面形成一层水膜，从而在硬化过程中留下细小缝隙。1.界面区形成机理水膜变厚集料表面带电使浆体中的水分子强烈定向，并使集料表面附近水膜变厚；Ca(OH) 2 富集只有阳离子Ca2+受电场作用，活动度较大，容易迁移到集料表面附近；Ca(OH) 2达到饱和浓度，首先在集料表面上结晶，形成Ca(OH) 2结晶晶体粗大由于在集料与水泥浆体接触区水灰比局部升高，扩散到这里的Ca 2+浓度较低，因此晶体生长速度大于成核速度，所以晶体粗大。微裂缝裂缝是由于水泥浆在硬化过程中产生的体积变 化(如化学减缩、湿胀干缩等)与粗集

16、料体积变化不一致而形成的。另外,由于混凝土成型后 的泌水作用，在粗集料下方形成水隙，待混凝土硬化后，水分蒸发，也形成界面微裂缝。 2、界面过渡区的特征 水泥石-集料界面并不一个面，而是一个有不定厚度的层(0100m)。过渡区典型特征：1）W/C高；2）孔隙率大；3）CH和钙矾结晶颗粒大、含量多；4）CH取向生长。 由于从水泥石向集料表面方向形成水灰比梯度而产生； 从水泥石本体向集料表面，水灰比逐渐变大，有利于结晶体形成、长大。3、主要因素影响因素1）集料的性质 普通非活性骨料：集料一侧显微硬度为常量，水泥石一侧的显微硬度随与界面距离的增加而变化，并有一个较深的低谷。 轻集料：先吸水降低集料周围水灰比，随后供水养护，界面过渡区加强； 潜在活性集料：在界面处参与水化反应而改善界面区。 粗糙的表面：可降低CH取向程度，有利于界面结合力。 2）水灰比 水灰比越大，界面处水灰比也越大，孔隙率就大，因而CH在宽松的环境下越容易沉积，结晶颗粒大，界面过渡区性能就越差。 3）胶凝材料 掺入矿物掺合料，减少水泥熟料，相应地减少了CH生成量； 矿物细掺料在水泥浆体中可与CH反应，生成CSH，减少界面处CH