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文檔簡介

1、混凝土的耐久性 目 錄 混 凝 土 的 滲 透 性 化 學 遷 移 化 學 侵 蝕 物 理 侵 蝕 概述 混凝土的耐久性的含義: 抵抗因服役環(huán)境外部因素和材料內部原因造成 的侵蝕和破壞,而保持其原有性能不變的能力。 混凝土的三個主要成分:集料、漿體和加筋材 料,其中任一組分的有害性質都會使混凝土損 壞,同時也可由于化學的或物理的因素而損壞。 概述 化學侵蝕: 滲濾和鹽霜,硫酸鹽腐蝕,堿-集料反應, 酸類和堿類,金屬的腐蝕; 物理腐蝕包括: 凍融,干濕,溫度變化,磨損和磨耗。 破壞的鋼筋混凝土結構 第一節(jié):混凝土的滲透性 對耐久性影響最大的單一參數(shù)是水灰比W/C (或水膠比W/cm)。 如果W/

2、C比減小,則漿體的孔隙率減少,混 凝土變得不透水。 W/C比的變化對滲透性的影響主要受制于毛 細孔的孔隙率,而不是凝膠孔的孔隙率。 第一節(jié):混凝土的滲透性 當W/C比大于0.42 后,毛細孔的體積 將明顯增加。 水灰比對滲透性的影響圖 第一節(jié):混凝土的滲透性 混凝土的滲透性對混凝土耐久性起著重要的作用, 因為滲透性控制著水分滲入的速率,這些水可能 含有侵蝕性的化合物,同時也控制混凝過程中受 熱或冰凍時水的移動。 W/C比對混凝土耐久性起雙重的作用,因為低W/C 比也能增加混凝土的強度,從而改善混凝土抵抗 因有害反應而產生內應力的破壞。 第一節(jié):混凝土的滲透性 達西定律 反映水流通過水泥漿體的流

3、速規(guī)律 x h Kv p 表達式: v 水的速度 h 龍頭(水壓力) x 試件的厚度; Kp 滲透系數(shù) 第一節(jié):混凝土的滲透性 水泥漿的Kp不是常數(shù),此值決定與W/C比和水泥漿的齡期 密實的充分水化的水泥漿體 水泥漿體的泥齡對滲透系數(shù)的影響(W/C=0.51) 第一節(jié):混凝土的滲透性 經(jīng)過養(yǎng)護后的漿體滲透系數(shù)是非常 小的,即使總孔隙率高時,其滲透系數(shù) 與低孔隙率的巖石同級。因此可總結為 水并不能順利通過細小的膠孔,其滲透 性受互相連通的毛細孔網(wǎng)絡所控制。如 繼續(xù)水化,則由于C-S-H凝膠的形成而 堵塞了互相連通的孔,使毛細管網(wǎng)絡變 得愈加扭曲,并伴有Kp不斷減小。達到 出現(xiàn)完全不連通毛細孔所需

4、要的養(yǎng)護時 間是W/C的函數(shù)。 W/C養(yǎng)護時間/d 0.403 0.457 0.5028 0.60180 0.70365 0.70不可能形成 第一節(jié):混凝土的滲透性 摻入輔助膠凝材料,特別是硅灰,可以 顯著降低滲透性事實上這種下降比僅降 低水膠比W/C的效果更明顯。硅灰的摻入同 時減小了孔隙率和孔的尺寸。 第二節(jié):化學遷移 大部分混凝土都含有毛細孔水,化學遷移將由孔溶 液和化學物質的相互作用控制。酸將溶解水泥漿體的組 成和一些集料,從而提高了混凝土的滲透性和擴散系數(shù)。 一些有機物會形成鈣皂,將減小滲透性,但大部分碳氫 化合物與混凝土不發(fā)生反應。一些無機鹽,如氯化鈉和 氯化鈣將對混凝土產生像凍融

5、破壞加劇的物理作用或者 與混凝土內部的鋼筋反應,使鋼筋銹蝕。其他物質,如 硫酸鹽由于化學侵蝕使混凝土嚴重損傷。 第三節(jié):化學侵蝕 1.滲濾和鹽霜 當水分能經(jīng)材料滲出時,無論連續(xù)或間歇的, 或當暴露的表面受干濕交替作用時,混凝土的表面 幾乎常常出現(xiàn)鹽霜。鹽霜由沉積的鹽類所組成,這 些鹽類可能是混凝土滲析出的鹽經(jīng)蒸發(fā)水分后的結 晶,或與大氣中二氧化碳相互作用的結晶而生成。 典型的鹽類為硫酸鹽、鈉、鉀或鈣的碳酸鹽,其主 要組成是碳酸鈣。 第三節(jié):化學侵蝕 鹽霜的產生表明在混凝土內部發(fā)生了明顯的滲 濾,嚴重的滲濾導致孔隙率增加,從而降低混凝土 的強度和增加了受侵蝕性化合物作用的弱點。氫氧 化鈣是水化產

6、物,它最易從混凝土中滲出;C-S-H凝 膠本來是不分解的,只有長期處于嚴重滲濾條件下 才會分解。因此,氫氧化鈣含量多的水泥漿體,更 易于滲濾和起霜,在不利條件下?lián)p壞的可能性更大。 滲出速率取決于滲透水中含有各種溶解鹽的總量。 第三節(jié):化學侵蝕 2.硫酸鹽侵蝕 化學侵蝕最廣泛和 最普通的形式是硫 酸鹽的侵蝕。 圖為被硫酸鹽腐蝕土壤破壞的混泥土柱 第三節(jié):化學侵蝕 硫酸鹽侵蝕的機理 硫酸鹽侵蝕引起的危害性包括混凝土的整體開裂和膨脹以及 水泥漿體的軟化和分解。 水泥中的C3A含量過高將使混凝土遭受硫酸鹽腐蝕,其主要原 因是單硫型鋁酸鹽形成鈣礬石。 32 3 62123 162HSACHHSCHSAC

7、 此反應伴有固體體積增加55%,引起漿體內部體積膨脹,并同 時產生內應力,最后導致開裂。體積膨脹也可由微晶狀態(tài)的鈣礬石 吸水引起。 (1) 第三節(jié):化學侵蝕 硫酸鹽腐蝕開始是硫酸根離子和氫氧化鈣反應: )(2)( 2 2 4 aqOHHSCaqSOCH (2) 此反應又稱為石膏腐蝕,因為它伴隨固體體積產生約120%的 膨脹。對于較高的硫酸鹽濃度,在10年甚至更長的時間內,石膏 腐蝕與式(1)所表達的鈣礬石結晶腐蝕相比仍處于次要地位。然 而,長期暴露在硫酸鹽環(huán)境中,即使硅酸鹽水泥中鋁酸鹽濃度較 低,石膏腐蝕也將稱為破壞的主要原因。 第三節(jié):化學侵蝕 不同硫酸鹽的影響 硫酸鎂腐蝕性較強,因為由于存

8、在鎂離子,有可能增加額外的腐 蝕反應,從而使C-S-H和硫鋁酸鈣分解: x SHMHHSCaqSMHSC233)(3 2323 32124 34)(3AHMHHSCaqSMHSAC (3) (4) 所形成的硅膠,如反應式(3)所示,可以與MH緩慢反應形成無 膠凝性的硅酸鎂晶體。當MgSO4 濃度很高時,硫鋁酸鹽腐蝕完全被鎂 鹽腐蝕所取代。 反應式(3)和(4)由于氫氧化鎂的不溶性而繼續(xù)進行。MH的沉淀也增 加了石膏腐蝕的速率: MHHSCaqSMCH 2 )((5) 第三節(jié):化學侵蝕 硫酸鹽腐蝕的三個過程: 1、硫酸鹽離子擴散進入混凝土孔中,擴散由滲透系數(shù)Kp和硫酸 根離子的擴散系數(shù)Kd所控制

9、。 2、在其開始階段,石膏腐蝕實際上是有利的,因為石膏比氫氧 化鈣更容易溶解,溶解結晶反應將允許石膏首先結晶而不產 生膨脹。 3、因硫酸鹽腐蝕引起內部開裂,顧混凝土有效的Kp將增加,從 而更進一步加速硫酸鹽的腐蝕。 第三節(jié):化學侵蝕 硫酸鹽腐蝕的控制 防止硫酸鹽侵蝕需同時具備優(yōu)質的混凝土和低C3A含量的水泥。 選擇膠凝材料時,其條件必須滿足: (1)在混凝土早期C3A全部轉化為鈣礬石,以防止發(fā)生 32 3 62123 162HSACHHSCHSAC (2)CH轉化為C-S-H凝膠以防止發(fā)生)(2)( 2 2 4 aqOHHSCaqSOCH MHHSCaqSMCH 2 )(和 (3)使用火山灰或

10、者高爐礦渣。 第三節(jié):化學侵蝕 3.酸和堿的腐蝕 水化水泥漿體是一種堿性材料,因此一般不會遭受各類堿性 材料特定的腐蝕。而對于酸性溶液情況就完全不同,酸很容易侵 蝕堿性材料。 氫離子將加速氫氧化鈣的滲濾: OHCaHOHCa 2 2 2 22)( (6) 如果濃度高時,C-S-H也可受侵蝕而形成硅膠與氫離子伴生的 陰離子,其本質可能會進一步加重侵蝕現(xiàn)象。 第三節(jié):化學侵蝕 OHOnHSiOCaHOHSiOCaO OH 222 2 22 6)(236323 2 碳酸因能形成可溶性重碳酸鈣故腐蝕性也較強: OHHCOCaCOHOHCa 223322 )()( 任何酸如能以類似方式形成可溶性鈣鹽,則

11、侵蝕性強烈,而如 果酸能形成不溶性鈣鹽,則在酸侵蝕過程中,其沉淀物能保護混凝 土免受進一步破壞。 第三節(jié):化學侵蝕 4.鹽類的結晶 當混凝土與含有大量溶質的 水想接觸時,就會發(fā)生結晶腐蝕。 這些鹽類滲入混凝土,并且由于 經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮而在孔內結晶, 如此反復或連續(xù)蒸發(fā),將引起鹽 的沉積而造成開裂點。 第三節(jié):化學侵蝕 限制鹽結晶問題可采取的措施: (1)使用低水灰比低滲透性混凝土限制水分的滲透; (2)密封混凝土; (3)在結構件制造一層障礙層以防止毛細管效應發(fā)生。 第三節(jié):化學侵蝕 5.污水管的腐蝕 混凝土污水管處于非常嚴 重的腐蝕條件下,污水管不僅 可以被地下水中的物質(硫酸 鹽或酸類)腐

12、蝕,更易受污水 本身的腐蝕。 第三節(jié):化學侵蝕 污水管表面的保護性處理: (1)采用瀝青、柏油和樹脂作為涂層,以及使用鋁酸鈣水泥; (2)使用水玻璃(硅酸鈉)、不溶性皂類、氯鹽以及鐵鹽使混凝土表 面孔隙為不溶性鹽沉淀物所填充或形成一個耐久的表面涂層; (3)用二氧化碳氣體或四氟化硅蒸汽進行防護處理; (4)對于長期的保護,也有使用厚的襯套(聚氯乙烯薄片)或者涂層 (環(huán)氧樹脂砂漿); (5)最常用的的有效方法,還包括對污水管進行氯化處理以防止磺化 酸的形成,加入石灰提高PH值,清除管內的粘土和淤泥保持良好的通 風以提高水流速度等。 第三節(jié):化學侵蝕 6.金屬的腐蝕 鋼筋發(fā)生腐蝕時,鐵銹產生的膨脹

13、反應會導致銹蝕鋼筋上部 的混凝土產生開裂和剝落。 第三節(jié):化學侵蝕 防腐措施: (1)降低混凝土滲透性; (2)在混凝土上涂保護層; (3)鋼筋上涂保護層; (4)遏制電化學過程。 第四節(jié):物理侵蝕 混凝土發(fā)生凍融破壞的條件 混凝土處于飽水狀態(tài) 混凝土受凍融交替作用 1.凍融 凍融侵蝕產生的破壞作用 凍脹開裂 表面剝蝕 抵抗凍融破壞,必須同時具有適當含氣量的漿體和耐久的集料 第四節(jié):物理侵蝕 水泥漿體的冰凍 當水飽和混凝土冷卻至0以下時,水泥漿體中大部分的水不 會立即結冰。漿體內的孔徑分布范圍很大,可由熱力學證明毛細 管孔中的水不會冰凍,一直要到溫度低于0的一定數(shù)值才會凍冰, 所降低的數(shù)值視孔

14、徑而定。如果毛細孔水中有堿存在。則冰點溫 度下降。有時雖然溫度降至冰點,混凝土中相當一部分水不是結 冰而形成過冷水,因為初始結冰需要晶柱。晶核將在混凝土外部 或混凝土內較大空隙中形成,并隨溫度的下降而滲入水泥漿體內 部。結晶體并不能容易的滲入細小的毛細孔,只有當溫度降到零 度以下才能做到。最后水分被造成漿體內部毛細孔和微孔表面的 C-S-H表面所吸附,它們永遠不會結冰,雖然水可以移至毛細管內, 并可在其中結冰。 第四節(jié):物理侵蝕 溫度下降時,水泥漿體的體積變化 不加保護的漿體內 伴隨著冰凍會產生嚴重 的膨脹,導致內部產生 拉伸應力直至破壞。對 于引氣漿體,在降溫冰 凍時膨脹極小并有相當 程度的收縮 第四節(jié):物理侵蝕 靜水壓假說 當冰在毛細管中形成時所伴隨的體積增加引起剩余水被 壓縮。如果水能夠從毛細管經(jīng)過沒有冰凍的孔擴散外逸至自 由空間,則可以消除這種壓力。但假如水移動外逸至邊緣的 距離太遠,則毛細管有膨脹的趨勢,同時周圍的材料會受到 壓力作用。疊加鄰近毛細管的壓力則最后將引起漿體超過抗 拉強度并發(fā)生破裂。如溫度逐漸下降,較多的毛細管水要發(fā) 生冰凍,并增加水壓力,因而增加了微裂縫和膨脹 凍融侵蝕機理 第四節(jié):物理侵蝕 大孔中的部分溶液先結冰后,未凍

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