材料的公共檢測

關于材料的公共檢測第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日本章主要內容第六章混凝土的耐久性第一節(jié)混凝土的抗?jié)B性第二節(jié)混凝土的抗凍性第三節(jié)環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞第四節(jié)堿—集料反應第五節(jié)混凝土中鋼筋的侵蝕第六節(jié)多因素協(xié)同作用下混凝土破壞規(guī)律第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日

混凝土在壓力水的作用下抵抗?jié)B透的能力，是混凝土耐久性的第一道防線。因此，混凝土阻礙液體向其內部流動的能力越好，混凝土的抗?jié)B性能越好。6.1混凝土的抗?jié)B性

6.1.1概念

混凝土抗?jié)B儀第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.1.2抗?jié)B等級

混凝土的抗?jié)B等級以每組6個試件中4個未出現(xiàn)滲水時的最大水壓力(MPa)計算?；炷量?jié)B等級分為P2、P4、P6、P8、P10、P12，其計算公式為：

式中:P——抗?jié)B等級；

H——六個試件中三個試件滲水時的水壓力(MPa)。6.1混凝土的抗?jié)B性

第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.1混凝土的抗?jié)B性

6.1.3抗?jié)B性影響因素

水灰比混凝土水灰比對抗?jié)B性起決定性作用。滲透性—水灰比關系存在臨界區(qū)域第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日高水灰比大滲透性第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日低水灰比小滲透性第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.1混凝土的抗?jié)B性

6.1.3抗?jié)B性影響因素

集料集料的尺寸越大，集料的級配越差，水灰比越大，混凝土的滲透越高。

水灰比、集料粒徑對混凝土滲透性的影響第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日水泥細度與品種水泥的水化程度其它因素

6.1混凝土的抗?jié)B性

6.1.3抗?jié)B性影響因素

第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日選擇滲透性小的集料；減小水灰比，提高強度；在保證相同強度的條件下，摻加適量摻合料；適量引入細空氣泡；加強養(yǎng)護，避免在施工期干濕交替。6.1混凝土的抗?jié)B性

6.1.4設計高抗?jié)B性混凝土的主要措施

第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.1概述定義混凝土在飽和水狀態(tài)下，能經受多次凍融循環(huán)而不破壞，也不嚴重降低強度的性能，是評定混凝土耐久性的主要指標?？箖龅燃壐鶕炷了艹惺艿姆磸蛢鋈谘h(huán)的次數(shù)，劃分為F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300等9個等級。第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日冰島一港口被凍壞的路面第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日靜水壓假說由于毛細孔力的作用，孔徑小的毛細孔容易吸滿水，孔徑較大的空氣泡在常壓下不容易吸水飽和。在某個負溫下，部分毛細孔水結成冰，體積會隨之增大，這個增加的體積產生一個水壓力把水推向空氣泡方向流動。6.2混凝土的抗凍性

6.2.2水泥漿受凍機理說明靜水壓力的模型

第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.2水泥漿受凍機理靜水壓力與材料滲透系數(shù)成反比，與結冰量增長速率、降溫速率成正比與氣泡間距的平方成正比靜水壓力第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日滲透壓假說作為施于混凝土的破壞力的滲透壓是冰水蒸氣壓差以及鹽濃度差兩者引起的。

綜上所述，凍結對混凝土的破壞力是：水結冰體積膨脹造成的靜水壓力冰水蒸氣壓差溶液中鹽濃度差造的滲透壓6.2混凝土的抗凍性

6.2.3水泥漿受凍機理第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.4影響混凝土抗凍性的因素集料飽和水泥漿體結冰產生內部壓力的機理同樣適用于集料集料對抗凍性的影響相對說是次要因素集料的尺寸對抗凍性也有影響水泥品種國內各種水泥抗凍性高低的順序為：硅酸鹽水泥＞普通硅酸鹽水泥＞礦渣硅酸鹽水泥＞火山灰(粉煤灰水泥)硅酸鹽水泥。強度混凝土的氣泡結構對混凝土抗凍性的影響遠遠大于強度的影響，與混凝土耐久性不一定成正比。第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.4影響混凝土抗凍性的因素水灰比水灰比對抗凍性的影響第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.4影響混凝土抗凍性的因素氣泡間距0.28W/C=0.6W/C=0.70.180.200.220.240.300.260.51.00抗凍性與平均間距和水灰比的關系

平均氣泡間距和水灰比兩者是決定混凝土抗凍性的最主要因素。

抗凍性DF氣泡間距系數(shù)第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.5設計高抗凍性混凝土的要點合理地選擇集料；盡量用普通硅酸鹽水泥，如摻粉煤灰等摻合料，要適當增大含氣量和引氣劑劑量；在選定原材料后最關鍵的控制參數(shù)是含氣量和水灰比；水灰比確定后，根據抗凍性要求，確定要求的含氣量（3％～6％）。根據含氣量確定引氣劑摻量；因引入氣泡造成混凝土強度有所降低，須調整混凝土配比（水灰比），以彌補強度損失。第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.6抗凍性試驗抗凍性試驗方法

ASTM方法有兩種，都用快速凍結。一種是飽水混凝土在水中凍結和融化，適用于自動化的凍融試驗設備，另一種是在冷凍室的空氣中凍結，然后移到室內的水池中融化。水中凍結比空氣中凍結的的受害程度更嚴酷。評價抗凍性的方法測定動彈性模量的變化、抗彎或抗壓強度的變化、體積變化和重量損失。第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.6抗凍性試驗抗凍性試驗方法

ASTM方法有兩種，都用快速凍結。一種是飽水混凝土在水中凍結和融化，適用于自動化的凍融試驗設備，另一種是在冷凍室的空氣中凍結，然后移到室內的水池中融化。水中凍結比空氣中凍結的的受害程度更嚴酷。評價抗凍性的方法測定動彈性模量的變化、抗彎或抗壓強度的變化、體積變化和重量損失。第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.2混凝土的抗凍性

6.2.6抗凍性試驗評價指標國際通用的評價指標是動彈模量的變化，以抗凍耐久性指數(shù)DF表示之。如循環(huán)次數(shù)不足300次，試件動彈模量已減小40％以上，則可以下式計算：

DF<0.4時，混凝土抗凍性不好，不能用于與水直接接觸和遭受凍融的部位；DF＝0.4～0.6之間，尚可用；DF＞0.6時,則認為抗凍性好的。第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.1侵蝕類型

化學侵蝕的類型水泥漿體組分的浸出酸的侵蝕硫酸鹽侵蝕第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日

混凝土受到純水及由雨水或冰雪融化的含鈣少的軟水浸析時，水泥漿體中的Ca(OH)2被溶出，在混凝土中形成空隙，混凝土強度不斷降低。

只要混凝土的密實性和抗?jié)B性好，一般都可以避免這類侵蝕。6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.2水泥漿體組分的浸出及其原因第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日

環(huán)境水的pH值小于6.5即可能產生侵蝕。酸的侵蝕機理當遇到肥料工業(yè)廢水2NH4Cl＋Ca(OH)2→CaCl2＋2NH3·H2O當遇到含CO2較高的水（碳酸）

Ca(OH)2＋2CO2＋2H2O→Ca(HCO3)2＋2H2O6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.3酸的侵蝕侵蝕程度pH值CO2濃度（ppm）輕微5.5～6.515～30嚴重4.5～5.530～60非常嚴重＜4.5＞60酸性水的侵蝕程度第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.3酸的侵蝕影響因素混凝土的自身特性混凝土結構所處的環(huán)境第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日

6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.4硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽侵蝕機理以往主要強調它與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鹽相反應，生成有破壞性的膨脹產物鈣礬石。

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4·2H2O+NaOH

結晶C3A+3C?·H2+26HC3A·3C·H32第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日

6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.4硫酸鹽侵蝕

硫酸鎂的侵蝕比硫酸鉀、硫酸鈉、硫酸鈣更為嚴重，因為：Ca（OH）2+MgSO4+2H2O=CaSO4·2H2O+Mg(OH)23CaO·2SiO2·nH2O+MgSO4+mH2O=2（CaSO4·2H2O）+Mg(OH)2+SiO2·（m+n-3）H2O第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日硫酸鹽侵蝕第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.3環(huán)境化學侵蝕對混凝土的破壞6.3.4硫酸鹽侵蝕工程上硫酸鹽侵蝕的控制提高混凝土密實度，降低其滲透性是提高抗硫酸鹽性能的有效措施；正確選擇水泥品種是工程上控制硫酸鹽侵蝕的重要技術措施；在水泥中或在混凝土拌合料中摻加粉煤灰、礦渣等混合材料都有利于提高抗硫酸鹽侵蝕性。第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應

6.4.1概述定義堿(Na2O＋K2O)與混凝土的集料間產生的引起膨脹的反應。三種類型堿-氧化硅反應堿-碳酸鹽反應堿-硅酸鹽反應產生堿－集料反應破壞的條件混凝土中含堿(Na2O十K2O)量超標；集料是堿活性的；混凝土暴露在水中或在潮濕環(huán)境中。第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日混凝土含堿量的閾值第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.1概述

常見的堿—集料反應破壞形式第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制

堿-氧化硅反應（ASR）

(1)腫脹理論：氧化硅結構被堿溶液解聚并溶解；形成堿金屬硅酸鹽凝膠；凝膠吸水腫脹；進一步反應形成液態(tài)溶膠。

硅酸鈉（鉀）凝膠能吸收相當多的水分，并伴有體積膨脹。這個膨脹有可能引起集料顆粒的崩壞和周圍水泥漿的開裂。

2NaOH十SiO2→Na2O·nSiO2·H2O第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制

(2)滲透壓理論：

堿活性集料顆粒周圍的水泥水化生成物起半滲透膜作用，它允許氫氧化鈉和氫氧化鉀及水擴散至集料而阻止堿—氧化硅生成的硅酸離子向外擴散，因而產生滲透壓，當滲透壓足夠大時引起破壞。第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制

1.61.20.82.00.401030204050砂漿的膨脹（%）活性硅的含量（%）堿-氧化硅反應與集料中SiO2含量的關系第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日掃描電鏡下的堿-硅反應凝膠第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日堿-碳酸鹽反應（ACR）

吸水膨脹機理：堿與白云石作用，起反白云石化反應：

CaCO3·MgCO3＋2NaOH→Mg(OH)2＋CaCO3＋Na2CO3反應生成物能與水泥水化生成的Ca(OH)2繼續(xù)反應生成NaOH，這樣NaOH還能繼續(xù)與白云石進行反白云石化反應，因此在反應過程中不消耗堿。

Na2CO3＋Ca(OH)2→2NaOH＋CaCO3

膨脹本質是粘土的吸水膨脹，而化學反應僅提供了粘土吸水的條件。

6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日結晶壓機理：

活性碳酸鹽巖石的顯微結構特征是白云石菱形晶體彼此孤立地分布在粘土和微晶方解石所構成的基質中，粘土呈網絡狀分布，這個網絡狀粘土構成了Na＋(K＋)、OH－和水分子進入內部的通道。NaOH與白云石晶體反應。離子進入緊密的受限制的空間，反白云石化反應引起晶體重排列產生的結晶壓引起膨脹。他們認為反白云石化反應的自由能變化小于零，這是該反應的熱力學推動力。6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.2堿-集料反應的膨脹機制堿-硅酸鹽反應形成膨脹的巖石屬于粘土質巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物；膨脹過程較堿硅酸反應緩慢得多；能形成反應環(huán)的顆粒非常少；與膨脹量相比析出的堿硅膠過少。堿-硅酸鹽反應實質上仍是堿-硅酸反應。第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.3堿-集料反應的破壞特征

時間特征:長，2-3年，甚至更長膨脹特征：結構發(fā)生整體位移，如大壩體升高開裂特征：受拉開裂，鋼筋混凝土順筋開裂，不受約束時呈網狀或地圖形凝膠析出特征：透明或淺黃色凝膠析出潮濕特征：越潮濕反應越劇烈，破壞越明顯內部特征：在集料間產生網狀的內部裂縫結構宏觀變形特征：結構整體變形、移位第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.4堿-集料反應的工程診斷

堿-集料反應的膨脹破壞起源于混凝土內部的裂紋，發(fā)展到表面，呈地圖形和花紋形裂紋。MapCracking第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日堿—集料反應引起的錯位第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.4堿—集料反應6.4.5堿-集料反應的預防措施選用摻加混合材料的水泥在拌制混凝土時摻加質量較好的粉煤灰或其他混合材料限制或禁止鈉鹽外加劑的使用適當降低水灰比使用非活性集料控制混凝土總堿量摻加引氣劑第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕

6.5.1概述

鋼筋銹蝕已成為混凝土結構物過早破壞的主要原因。第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.2鋼筋銹蝕的電化學原理

現(xiàn)代鋼筋混凝土結構中配密集筋，混凝土主要作為保護層，保護鋼筋不被銹蝕。鈍化膜一旦破壞，鋼筋表面形成腐蝕電池，其起因有兩種情況：有不同金屬的存在，如鋼筋與鋁導線管，或鋼筋表面的不均勻性；緊貼鋼筋環(huán)境的不均勻性，如濃度差。這兩個不均勻性產生電位差，在電介質溶液中形成腐蝕電池。第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.2鋼筋銹蝕的電化學原理

鋼筋銹蝕電化學原理示意圖

（b）鐵銹的體積增大（a）電化學反應第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.3鈍化膜破壞的起因混凝土中的Ca(OH)2被空氣里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去堿性；海水或道面撒除冰鹽帶來氯離子的作用。第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕

6.5.4混凝土的碳化碳化引起的銹蝕條件

CO2

、水分（相對濕50～70%時最迅速）理論分析溶于水的CO2與水泥堿性水化物首先是Ca(OH)2反應，生成不溶于水的CaCO3，使混凝土孔溶液的pH值降低，當pH值降到11.5時，鋼筋的鈍化膜開始破壞，降到10時，鈍化膜完全失鈍。理論計算碳化深度的公式：第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕

6.5.4混凝土的碳化在碳化混凝土中測得的CO2/CaO

第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕

6.5.4混凝土的碳化影響碳化速度的因素水泥品種和用量?；炷林心z結料所含能與CO2反應的CaO總量越高，碳化速度越慢?；炷恋乃冶群蛷姸??？紫堵试叫?、孔徑越細，則擴散系數(shù)越小，碳化也越慢。外部環(huán)境因素。在相對濕度70～85％最易碳化，鋼筋銹蝕的過程也進展較快。施工質量。施工中振搗不密實、蜂窩、裂紋使碳化大大加快。第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕

6.5.5氯離子引起的銹蝕

混凝土中C1-的來源有二：一是混凝土在拌和時已引入的、包括拌和水中和外加劑中含的，二是環(huán)境中的C1-隨著時間逐漸擴散和滲透進入混凝土內部的。

產生條件：氯離子擴散、氧與水分；與保護層厚度、水灰比、水泥用量等有關。

Fe2++2Cl-+4H2O=FCl2·4H2OFeCl2·4H2O=Fe（OH）2+2Cl-+2H++2H2O

形成小陽極、大陰極第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.5氯離子引起的銹蝕鋼的電位—pH圖①全面銹蝕②鈍化態(tài)③不銹①全面銹蝕②點銹蝕③不完全鈍態(tài)④鈍態(tài)⑤不銹不含氯離子溶液中鋼的電位—PH圖

含0.01mol氯離子溶液中鋼的電位—pH圖第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.5氯離子引起的銹蝕鋼筋保持鈍化態(tài)的氯離子極限含量

Hausman提出氯離子極限濃度CCl-與OH-濃度COH-的大致關系式：

OH-濃度：

混凝土的體積孔隙率P:

我國《混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范》(GB50204—02)規(guī)定：在鋼筋混凝土中摻用氯鹽類防凍劑時，氯鹽摻量按無水狀態(tài)計算不得超過水泥重量的1％，素混凝土允許摻加3％以內的氯鹽。第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.5氯離子引起的銹蝕氯鹽通過混凝土的擴散

氯離子擴散應遵循Fick第二定律：Brown根據此方程的解作圖，用以估算鋼筋開始銹蝕所需時間

第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.5氯離子引起的銹蝕

氯離子引發(fā)鋼筋失鈍時間估算圖

第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.5氯離子引起的銹蝕鋼筋銹蝕產生開裂的時間分兩個階段脫鈍介質(酸性氧化物或氯化物)到達鋼材表面并開始銹蝕的時間T0；銹蝕到達臨界水平，即混凝土出現(xiàn)開裂的時間T1。第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.6鋼筋銹蝕的防護措施

下列幾種新措施可以在原材料選擇、配合比設計、保護層厚度與施工過程的基礎上，進一步改善對鋼材腐蝕的防護作用：在新拌混凝土里摻用阻銹劑，如亞硝酸鈣；鈍用不銹鋼作為配筋，或環(huán)氧涂層鋼筋；混凝土采用涂層保護，減少氯鹽與氧的侵入；對鋼筋進行陰極保護，即外加電壓以保持鋼筋處于陰極區(qū)。第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日6.5混凝土中鋼筋的銹蝕6.5.6鋼筋銹蝕的防護措施

選擇改善混凝土結構耐久性的措施，要考慮到性能與費用兩方面。下面列出許多防護和延緩混凝土因鋼筋銹蝕引起劣化的措施及費用增加比例（以增加一次投資的百分數(shù)表示）：摻用粉煤灰和礦渣，減少水泥用量（0%）預冷混凝土拌合物（3%）用硅灰和高效減水劑（5%）增大保護層厚度15