土木工程材料學習課件第4章4混凝土耐久性

4.2.4混凝土的耐久性

DURABILITYofCONCRETE

長期以來，人們一直認為混凝土材料是一種耐久性良好的材料，因為不少用其建造的結構物使用壽命長久。如一些早期建成的混凝土建筑物，已經(jīng)使用了100年上下仍然完好。但與此同時不少結構物過早地毀壞，維修困難而且費用高昂，促使人們重視耐久性問題；許多大型結構物的興建，例如海底隧道、跨海大橋、石油鉆井平臺、核廢料儲存容器等，對使用壽命提出了更高的要求，如100年、150年，甚至幾百年存在只有二十年！拆除前的西直門橋拆除前的西直門橋拆除前的西直門橋拆除前的西直門橋因冬季撒除冰鹽而腐蝕的橋欄板耐久性破壞的大壩耐久性破壞的大壩細部一、混凝土耐久性的定義定義——混凝土抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結構的安全、正常使用的能力稱為耐久性?；炷恋牧踊诃h(huán)境介質(zhì)的長期作用下造成混凝土使用使用性能的降低，稱為混凝土的劣化。Construction

Materials二、砼在侵蝕介質(zhì)作用下的破壞原因混凝土的親水性與內(nèi)部非穩(wěn)定成分的存在；混凝土非勻質(zhì)性與孔縫系統(tǒng)的存在；混凝土的滲透性和水作用下的侵蝕性傳輸；混凝土內(nèi)部提供介質(zhì)反應空間和產(chǎn)物重分布；外界侵蝕介質(zhì)的存在。水與混凝土的劣化

對許多建筑材料來說，水是它們生產(chǎn)過程，同時也是它們破壞過程的主要介質(zhì)。水也是大多數(shù)混凝土出現(xiàn)耐久性問題的核心。不僅物理劣化過程與水有關；同時作為傳輸侵蝕性離子的介質(zhì)，水又是其化學劣化過程的一個根源。水的傳輸特性水無疑是自然界最豐富的流質(zhì)，因為分子小，能滲入非常微細的孔隙或空隙；它作為溶劑，可以比其它液體溶解更多的物質(zhì)，能使固體發(fā)生化學分解。水在多孔體內(nèi)的遷移及結構改變，會造成多種有破壞性的體積變化，例如水結冰、水由于離子濃度差產(chǎn)生滲透壓或者由于蒸發(fā)壓差產(chǎn)生靜水壓力，都會導致潮濕的混凝土體內(nèi)形成很高的內(nèi)應力。三、混凝土的劣化分為兩大類：第一類，由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透進入混凝土的速率所決定，包括化學的：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應、

硫酸鹽、海水和酸的侵蝕；物理的：凍融、鹽結晶、火災等。第二類，機械作用引起的磨耗、沖磨與空蝕。Ⅰ混凝土的抗?jié)B性定義——混凝土的抗?jié)B性是指混凝土抵抗有壓介質(zhì)（水、油、溶液等）滲透作用的能力。抗?jié)B性是決定混凝土耐久性最主要的因素，若混凝土的抗?jié)B性差，不僅周圍水等液體物質(zhì)易滲入內(nèi)部，而且當遇有負溫或環(huán)境水中含有侵蝕性介質(zhì)時，混凝土就易遭受冰凍或侵蝕作用而破壞，對鋼筋混凝土還將引起其內(nèi)部鋼筋銹蝕并導致表面混凝土保護層開裂與剝落。因此，對地下建筑、水壩、水池、港工、海工等工程，必須要求混凝土具有一定的抗?jié)B性?；炷恋目?jié)B性的評價——抗?jié)B等級：抗?jié)B等級是以28d齡期的標準試件，在標準試驗方法下所能承受的最大靜水壓來確定的?？?jié)B等級有P4、P6、P8、P10、P12等五個等級，表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的靜水壓力而不滲透。混凝土滲水的主要原因內(nèi)部的孔隙形成連通的滲水通道。產(chǎn)生于:

施工振搗不密實水泥漿中多余水分的蒸發(fā)而留下的氣孔水泥漿泌水所形成的毛細孔粗骨料下部界面水富集所形成的孔穴。這些滲水通道的多少，主要與水灰比大小有關，隨著水灰比的增大，抗?jié)B性逐漸變差，當水灰比大于0.6時，抗?jié)B性急劇下降。提高混凝土抗?jié)B性的主要措施提高混凝土的密實度;改善混凝土中的孔隙結構，減少連通孔隙;可通過低的水灰比、好的骨料級配、充分的振搗和養(yǎng)護、摻入引氣劑等方法來實現(xiàn)。圖3-22水化對水泥漿滲透性的影響50年代，美國的Powers對水在硬化水泥漿體中的滲透性能研究發(fā)現(xiàn)：隨著水泥水化過程的進展，生成大量水化產(chǎn)物填充于結構的間隙并阻塞水流通道，因此使?jié)B透性降低。在初期因為水化速率高，滲透性降低迅速：在澆筑后的3～4周內(nèi)，降低了約6個數(shù)量級滲透性與齡期Ⅱ混凝土的抗凍性定義——是指混凝土在飽水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)而不破壞，同時也不嚴重降低確定的性能。在寒冷地區(qū)，特別是在接觸水又受凍的環(huán)境下的混凝土要求具有較高的抗凍性。混凝土受凍融破壞的原因由于混凝土內(nèi)部孔隙中的水在負溫下結冰后體積膨脹形成的靜水壓力；當這種壓力產(chǎn)生的內(nèi)應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產(chǎn)生裂縫；多次凍融循環(huán)使裂縫不斷擴展直至破壞；混凝土的密實度、孔隙率和孔隙構造、孔隙的充水程度是影響抗凍性的主要因素；密實的混凝土和具有封閉孔隙的混凝土（如引氣混凝土），抗凍性較高。摻入引氣劑、減水劑和防凍劑可有效提高混凝土的抗凍性。摻引氣劑對抗凍性的改善混凝土的抗凍性的評價——抗凍等級來表示?？箖龅燃壥且?8d齡期的混凝土標準試件，在飽水后承受反復凍融循環(huán)，以抗壓強度損失不超過25％，且質(zhì)量損失不超過5％時所能承受的最大循環(huán)次數(shù)來確定?；炷恋目箖龅燃売蠪10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250和F300等九個等級，分別表示混凝土能承受凍融循環(huán)的最大次數(shù)不小于10、15、25、50、100、150、200、250和300次。Ⅲ硫酸鹽與海水的腐蝕硫酸鹽侵蝕引起混凝土劣化的機理，是它與硬化水泥漿體中的水化鋁酸鹽反應，生成有破壞性的膨脹產(chǎn)物鈣礬石。C3A+3C?·H2+26HC3A·3C·H32

Ⅳ酸腐蝕主要是對水泥石的腐蝕，其機理水泥部分。而混凝土中硬化水泥漿體呈高堿性，沒有任何硅酸鹽水泥混凝土可以耐酸腐蝕。但如果注意降低滲透性并且養(yǎng)護良好，也能夠生產(chǎn)出在弱酸環(huán)境中足夠耐久的混凝土。影響混凝土的抗侵蝕性的因素與所用水泥品種、混凝土的密實程度和孔隙特征等有關。密實和孔隙封閉的混凝土，環(huán)境水不易侵入，抗侵蝕性較強。合理選擇水泥品種、降低水灰比、提高混凝土密實度和改善孔結構是提高混凝土抗侵蝕性的主要措施。Ⅴ堿-骨料反應

Alkali-AggregateReaction(AAR)最常見、最重要的反應是堿—硅反應（簡稱ASR），它是混凝土骨料中的硅質(zhì)組分與孔隙里含堿（鈉、鉀、鈣的氫氧化物）的溶液反應，生成易于吸水膨脹的堿-硅凝膠，當結構物暴露在潮濕環(huán)境中，混凝土體內(nèi)相對濕度超過85%時，就會出現(xiàn)膨脹，直到引起混凝土開裂與破壞圖3-26典型的堿-骨料反應開裂形式常見的堿—骨料反應破壞形式混凝土發(fā)生堿－骨料反應必須具備以下三個條件：水泥中堿含量高。以等當量Na2O計，即（Na2O＋0.658K2O）％大于0.6％。砂、石骨料中含有活性二氧化硅成分。含活性二氧化硅成分的礦物有蛋白石、玉髓、磷石英等。有水存在。在無水情況下，混凝土不可能發(fā)生堿－骨料反應。Ⅵ鹽結晶引起開裂混凝土因空隙里鹽結晶的純物理作用，可能造成嚴重的損害，許多多孔材料都可能由于與其接觸的飽和溶液析晶過程產(chǎn)生的壓力引起開裂。鹽結晶只能發(fā)生在一定溫度下溶質(zhì)的濃度（C）超過飽和濃度（CS）的時候。C/CS（過飽和度）越高，結晶壓力越大。例如NaCl在C/CS=2時，8℃下產(chǎn)生的結晶壓可達55.4MPa，足以讓巖石或混凝土開裂。沿海結構物的混凝土可能會由于鹽結晶而開裂。Ⅶ混凝土的碳化（中性化）定義——是指混凝土內(nèi)水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳，在濕度相宜時發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣和水，也稱中性化?；炷恋奶蓟嵌趸加杀砑袄镏饾u向混凝土內(nèi)部擴散的過程。碳化引起水泥石化學組成及組織結構的變化，對混凝土的堿度、強度和收縮產(chǎn)生影響。碳化對混凝土性能的影響。碳化作用引起的堿度降低減弱了對鋼筋的保護作用。因鋼筋處在堿性環(huán)境中而在表面生成一層鈍化膜，保護鋼筋不易腐蝕；當碳化深度穿透混凝土保護層而達鋼筋表面時，鋼筋鈍化膜被破壞而發(fā)生銹蝕，此時產(chǎn)生體積膨脹，致使混凝土保護層產(chǎn)生開裂；開裂后的混凝土有利于二氧化碳、水、氧等有害介質(zhì)的進入，更加劇了碳化的進行和鋼筋的銹蝕，最后導致混凝土產(chǎn)生順筋開裂而破壞。影響碳化速度的主要因素環(huán)境中二氧化碳的濃度——二氧化碳濃度高（如鑄造車間），碳化速度快水泥品種——摻混合材的水泥堿度較低，碳化速度隨混合材料摻量的增多而加快。水灰比——水灰比愈小，混凝土愈密實，二氧化碳和水不易侵入，碳化速度就慢。環(huán)境濕度——當環(huán)境中的相對濕度在50～75％時，碳化速度最快，當相對濕度小于25％或大于100％時，碳化將停止。Ⅷ混凝土中鋼材的銹蝕幾乎所有結構混凝土中都有鋼材，或以鋼筋或鋼梁形式增強其抗拉與抗剪強度；或以鋼絲束在混凝土硬化后張拉形成預應力抵抗彎拉荷載。密實的混凝土可以對鋼材提供良好的保護，但環(huán)境的影響其保護作用會逐漸喪失，使鋼材產(chǎn)生銹蝕。由于不同形式鐵銹的體積要增大很多，因此導致混凝土開裂與剝落，暴露出的鋼材更迅速地腐蝕，使結構喪失整體性。鋼材在混凝土中的鈍化在混凝土里，環(huán)境通常為高堿性（pH=12～13），在鋼材表面形成一層粘附牢固的薄膜，抑制了鋼材的銹蝕，稱之為鋼材的鈍化鋼材的鈍化膜的破壞原因：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；道路除冰鹽或海水帶進來的氯離子的作用。鋼筋銹蝕導致砼構件破壞的幾種形式混凝土中鋼材的銹蝕形式1）碳化引起的銹蝕條件：CO2、水分（相對濕度50～70%時最迅速）；2）氯化物引起的銹蝕條件：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?；炷林袖摬牡匿P蝕的發(fā)展產(chǎn)生開裂的時間分兩個階段:1）脫鈍介質(zhì)(酸性氧化物或氯化物)到達鋼材表面并開始銹蝕的時間T0；

2）銹蝕到達臨界水平，即混凝土出現(xiàn)開裂的時間T1。T0：開始銹蝕;T1：混凝土開裂；

T0T1電沉積腐蝕進程圖混凝土中鋼材銹蝕的防護加大混凝土保護層的厚度；在新拌混凝土里摻用阻銹劑，如亞硝酸鈣；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)。原材料選擇、配合比設計、施工管理。Ⅸ表面損耗造成的劣化包括：磨耗、沖磨和空蝕三種作用。磨耗——一般指干摩擦引起的損耗，為路面和工業(yè)地坪由于車輛行駛所造成；沖磨——發(fā)生于水工結構，例如隧道襯砌、溢流面以及給排水管道等，當水夾帶著砂土顆粒流過混凝土表面，與其碰撞、滑動或滾動引起的損耗；水工結構物混凝土可能受到另一種破壞作用，稱為空蝕（也稱氣蝕）：水流夾帶氣泡在流向突然變化時形成高負壓導致爆裂，會使混凝土表面產(chǎn)生空穴的現(xiàn)象

表面損耗造成的劣化Ⅹ抗火性隨著溫度升高，混凝土發(fā)生以下三種變化：升溫時混凝土內(nèi)的水分逐漸蒸發(fā)，接著結合比較牢固的水分也逐步逸出；由于硬化水泥漿體和骨料熱膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生溫度應力并導致過渡區(qū)開裂，這是500℃以上時強度迅速喪失的主要原因。硬化水泥漿體的水化產(chǎn)物到接近1000℃的時候分解完畢，強度完全喪失。一個不透水，但存在非連續(xù)微裂縫，且多孔的鋼筋混凝土結構環(huán)境作用（第一階段）（無可見損傷）1.侵蝕作用（冷熱循環(huán)、干濕循環(huán)）2.荷載作用（循環(huán)荷載、沖擊荷載）

由于微裂縫和孔隙連通起來，不透水性逐漸喪失環(huán)境作用（第二階段）（損傷的開始與擴展）水的滲入O2、CO2滲入酸性離子（Cl-、

SO4-)滲入因為以下原因使孔隙內(nèi)靜水壓力增大，導致混凝土膨脹：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應、水結冰、硫酸鹽侵蝕B：混凝土強度與剛度降低開裂、剝落與整體性喪失混凝土受環(huán)境作用產(chǎn)生劣化的“整體性”?；炷两Y構防腐蝕耐久性設計，必須針對結構預定功能和所處環(huán)境條件，選擇合適的結構形式、合理的構造、抗腐蝕性與抗?jié)B性良好的優(yōu)質(zhì)混凝土。對暴露環(huán)境嚴酷或?qū)δ途眯杂懈咭蟮闹匾こ蹋伺湟云渌栏g措施，如采用高性能混凝土、混凝土表面涂層保護、環(huán)氧涂層鋼筋、混凝土中摻阻銹劑等。

四、混凝土結構防腐蝕設計五、提高混凝土耐久性的措施合理選擇水泥品種。選用質(zhì)量良好，技術條件合格的砂石骨料?？刂扑冶燃氨ＷC足夠的水泥用量是保證混凝土密實度的重要措施