混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談

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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）

題目：混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談

學(xué)習中心：XX揚州寶應(yīng)奧鵬學(xué)習中心[17]層次：?？破瘘c本科專業(yè)：土木工程年級：2023年秋季學(xué)號：學(xué)生：指導(dǎo)教師：王偉完成日期：2023年6月6日

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談

內(nèi)容摘要

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抗爭各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。影響結(jié)構(gòu)耐久性的因素好多，砼質(zhì)量及其保護層是內(nèi)在因素；環(huán)境與載荷作用則是外在因素，不同的原因會造成不同的后果。首先探討了混凝土耐久性的概念，接著分析了混凝土凍融破壞、滲透破壞、堿骨料反應(yīng)、碳化、鋼筋銹蝕、侵蝕性腐蝕的原因及影響因素，及提高混凝土耐久性的措施，最終進行總結(jié)展望。

混凝土耐久性淺談

和酷寒環(huán)境中混凝土的含氣量應(yīng)分別不小于4.5%（Dmax=40mm）、5.5%（Dmax=25mm）、5.0%（Dmax=20mm）。

2.3堿骨料反應(yīng)

混凝土的堿-集料反應(yīng)，是指混凝土中的堿與集料中活性組分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土的膨脹，開裂，甚至破壞。改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量等力學(xué)性能明顯下降，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全使用性，而其反應(yīng)一旦發(fā)生很難阻止，更不易修補和挽救，被稱為混凝土的“癌癥〞。是混凝土工程中的一大隱患．大量國家因堿-集料反應(yīng)不得不拆除大壩，橋梁，海堤和學(xué)校，造成巨大損失，國內(nèi)工程中也有堿-集料反應(yīng)損害的類似報道，一些立交橋，鐵道軌枕等發(fā)生不同程度的膨脹破壞。2.3.1破壞原因

混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生的膨脹性反應(yīng)，引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，堿骨料反應(yīng)分為堿硅酸反應(yīng)、堿碳酸鹽反應(yīng)、堿硅酸鹽反應(yīng)三種。具體的反應(yīng)機理為：

堿-硅酸反應(yīng)：骨料中的活性二氧化硅與堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)。骨料表面的活性二氧化硅在堿溶液中的溶解、化學(xué)反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠、反應(yīng)生成物的體積膨脹、進一步反應(yīng)形成液態(tài)溶膠等。

堿-碳酸鹽反應(yīng)：黏土質(zhì)白云石質(zhì)石灰石與水泥中的堿發(fā)生的反應(yīng)。堿-硅酸鹽反應(yīng)：堿與某些層狀硅酸鹽骨料反應(yīng)，使層狀硅酸鹽層間距離增大，骨料發(fā)生膨脹，造成混凝土膨脹、開裂。2.3.2影響因素

由混凝土堿骨料反應(yīng)作用機理可知：混凝土堿骨料反應(yīng)，其實質(zhì)是發(fā)生在活性骨料與混凝土孔隙高堿性溶液之間的一種內(nèi)部膨脹性反應(yīng)，包括硅醇基的形成，分散狀態(tài)堿-硅凝膠形成與集聚，反應(yīng)生成物吸水體積膨脹，混凝土開裂等過程。在這個反應(yīng)過程中，其內(nèi)在因素是體積膨脹性物質(zhì)的生成。體積膨脹性物質(zhì)的生成不僅取決于混凝土中含堿量，骨料活性的大小，還與混凝土的水灰比，外部環(huán)境條件，礦物摻合料的摻量等因素有關(guān)。

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(1)混凝土中含堿量在混凝土孔隙溶液中，只有處于游離態(tài)的鉀鈉離子才能與骨料中的活性成分發(fā)生堿骨料反應(yīng)，在水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的層狀結(jié)構(gòu)中存在Si-OH基團，游離態(tài)的K+,Na+可通過中和Si-OH基團而被結(jié)合在C-S-H相的層間，生成堿-硅凝膠。當使用活性骨料時，堿骨料反應(yīng)程度，反應(yīng)速度隨堿含量的增大而增大?；炷林泻瑝A量較低時，雖可以發(fā)生堿骨料反應(yīng)，但生成的堿-硅凝膠數(shù)量少，呈分散狀態(tài)，膨脹率極低，不足以引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

(2)骨料的活性骨料的活性是指骨料的活性成分與水泥中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂性質(zhì)。骨料中的活性成分主要是含有活性氧化硅的礦物，如蛋白石，玉髓，磷石英，微晶石英等?；钚匝趸璧奶攸c是所有的硅氧周邊體呈任意網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面積很大，堿離子較易將其中起聯(lián)結(jié)作用的硅氧鍵破壞使其解體，膠溶成硅膠或生成堿-硅凝膠。

骨料的活性與骨料中活性氧化硅的含量，粒徑大小等因素有關(guān)。在一定含堿量下，隨著骨料中活性氧化硅含量的變化，混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹具有增大和減少兩個過程，這是由于堿量一定的條件下，在低氧化硅含量范圍內(nèi)，氧化硅數(shù)量愈大，膨脹量也愈大；但在氧化硅含量較高時，活性顆粒越多，單位面積上所能作用的有效堿相應(yīng)減少，降低了骨料表面的作用量和反應(yīng)量，因而生成的堿-硅凝膠量也相應(yīng)減少，膨脹率變小。與此同時，由于氫氧化鈣的遷移率極低，在增加了活性骨料總表面積的狀況下，提高了骨料界面處氫氧化鈣的局部濃度比，形成一種非膨脹的堿性硅酸鈣產(chǎn)物。

骨料的粒徑大小對混凝土堿骨料反應(yīng)也有較大影響。研究說明：料徑過大或過小都可使堿骨料反應(yīng)膨脹量減小，而中間粒徑（0.15~0.3mm）引起的膨脹量最大，開裂也最嚴重。這是由于骨料粒徑較小時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力能夠較均勻分布在混凝土中，不一定產(chǎn)生開裂。當骨料粒徑增大時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)生膨脹應(yīng)力主要集中在骨料周邊，局部應(yīng)力超過基體相的抗拉極限，導(dǎo)致混凝土開裂。

(3)水灰比水灰比較低的條件下，隨水灰比增大，混凝土內(nèi)部孔隙率也越大，堿在水溶液中的遷移速度增大，因此會加快堿骨料反應(yīng)速度，膨脹量增大；在水灰比較高的條件下，隨水灰比增大，由于孔隙率增大，堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹作用相應(yīng)減小，膨脹量反而降低。

(4)外部環(huán)境條件水在堿骨料反應(yīng)過程中有3個作用：

①水是堿離子化的基礎(chǔ)。堿元素在水中很簡單形成堿離子，與骨料中活性成

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分反應(yīng)，形成堿-硅凝膠。

②水是輸送堿的載體。水泥石中的堿溶解在水中后形成堿金屬離子，這些堿金屬離子在水溶液中能夠迅速地擴散到活性骨料的表面，與之發(fā)生反應(yīng)。

③水是堿骨料反應(yīng)膨脹的源泉。堿骨料反應(yīng)所生成的堿硅凝膠具有極強的吸水性，而且吸水后體積膨脹。由此可知：堿骨料反應(yīng)必需在有水的狀況下才能進行。相關(guān)試驗說明：越是潮濕多水的環(huán)境條件下，堿骨料反應(yīng)速度越快，膨脹量增大，對混凝土結(jié)構(gòu)損害程度越大。當混凝土結(jié)構(gòu)處于枯燥環(huán)境或環(huán)境相對濕度低于混凝土內(nèi)部相對濕度，且混凝土內(nèi)部相對濕度低于80%時，堿骨料反應(yīng)會中止膨脹，當混凝土內(nèi)部相對濕度低于75%時，堿骨料反應(yīng)無法進行。環(huán)境溫度對堿骨料反應(yīng)也有一定程度的影響。對每一種活性骨料都有一個溫度限值，在該溫度限值以下，隨環(huán)境溫度的升高，膨脹量增大；當環(huán)境溫度超過該溫度限值時，膨脹量明顯減小。這是由于高溫下堿骨料反應(yīng)速度加快，在混凝土未凝結(jié)之前即已完成膨脹，且塑性狀態(tài)的混凝土仍能吸收一定的膨脹壓力。

(5)礦物摻合料在混凝土中摻入部分礦物摻合料不僅改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，降低滲透性，還可取代部分水泥，起到“堿稀釋劑〞的作用，抑制堿骨料反應(yīng)的發(fā)生。試驗證明：硅礦物摻合料的硅含量越高，細度越大，抑制作用越好。

2.4混凝土的碳化

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕。空氣中CO2滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為：Ca(OH)2+CO2=CaCO3＋H2O。2.4.1破壞原因

(1)是碳化作用使混凝土的收縮增大，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而降低混凝土的抗拉強度和抗折強度，嚴重時直接導(dǎo)致混凝土開裂。由于開裂降低了混凝土的抗?jié)B性能，使得腐蝕介質(zhì)更易進入混凝土內(nèi)部，加速碳化作用，降低耐久性。

(2)是碳化作用使混凝土的堿度降低，失去混凝土強堿環(huán)境對鋼筋的保護作用，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，嚴重時，使混凝土保護層沿鋼筋縱向開裂，直至剝落，進一步加速碳化和腐蝕，嚴重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能。

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(3)碳化作用生成的CaCO3能填充混凝土中的孔隙，使密實度提高；另一方面，碳化作用釋放出的水分有利于促進未水化水泥顆粒的進一步水化。

因此，碳化作用能適當提高混凝土的抗壓強度，但對混凝土結(jié)構(gòu)工程而言，碳化作用造成的危害遠遠大于抗壓強度的提高。2.4.2影響因素

(1)是水泥品種，因不同的水泥中所含硅酸鈣和鋁酸鈣鹽基性高低不同。(2)與周邊介質(zhì)中CO2的濃度高低及濕度大小有關(guān)，在枯燥和飽和水的條件下，碳化反應(yīng)幾乎終止，是除水泥品種影響因素以外的一個十分重要的原因。

(3)在滲透水經(jīng)過的混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ca(OH)2溶解度的物質(zhì)，如水中含有Na2SO4及少量Mg2+時，石灰的溶解度就會增加，如水中含有Ca(HCO3)2的Mg(HCO3)2對抗爭溶出侵蝕則十分有利。由于它們在混凝土表面形成一種碳化保護層。

(4)混凝土的滲透系數(shù)、透水量、混凝土的過度振搗、混凝土附近水的更新速度、水流速度、結(jié)構(gòu)尺寸、水壓力及養(yǎng)護方法與混凝土的碳化都有密切的關(guān)系。

2.5鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵問題。鋼筋的銹蝕表現(xiàn)為鋼筋在外部介質(zhì)作用下發(fā)生電化反應(yīng)，逐步生成氫氧化鐵等即鐵銹，造成混凝土順筋裂縫，從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通道，加快結(jié)構(gòu)的損壞。2.5.1破壞原因

在混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕可以分為自然電化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕、應(yīng)力腐蝕及氫脆腐蝕。一般混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的鋼筋腐蝕尋常為自然電化學(xué)腐蝕。自然電化學(xué)腐蝕當鋼筋在強堿性環(huán)境中（pH值為12.5~13.2），表面會生成一層致密的薄膜呈鈍化狀態(tài)保護鋼筋免受腐蝕。尋常周邊混凝土對鋼筋的這種堿性保護作用在很長時間內(nèi)也都是有效的。然而一旦鈍化膜遭到破壞，鋼筋就處于活化狀態(tài)，就有受到腐蝕的可能性。

使鋼筋的鈍化膜破壞的主要因素有四點：

(1)當無其它有害雜質(zhì)時由于碳化作用破壞鋼筋鈍化膜；(2)由C1-作用破壞鋼筋鈍化膜；

(3)由于S42-或其它酸性介質(zhì)侵蝕而使混凝土堿度降低鈍化膜破壞；

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(4)混凝土中摻加大量活性混合材料或采用低堿度水泥，導(dǎo)致鈍化膜破壞或根本不

生成鈍化膜。

鋼筋生銹的內(nèi)部條件是鈍化膜遭到破壞，產(chǎn)生活化點；鋼筋銹蝕的外部條件是必需有水及氧的作用。當這幾個條件同時存在時，則構(gòu)件內(nèi)部存在電位差，可以產(chǎn)生局部腐蝕電池，鋼筋就會產(chǎn)生銹蝕。

2.5.2影響因素

（1）鋼筋銹蝕電位鋼筋銹蝕是一個電化學(xué)過程，鋼筋銹蝕的自然電位是把鋼筋/混凝土看成一個半電池。是鋼筋/混凝土與參考電極之間的電位差。反映了鋼筋銹蝕的狀態(tài)和活性。

（2）氯離子含量混凝土中氯離子含量對鋼筋銹蝕的影響較大，當混凝土中含有氯離子達到0.6~1.2kg/m3時，可誘發(fā)或加速鋼筋銹蝕。氯離子不僅促成了鋼筋表面的腐蝕電池，而且加速了電池的作用。尋常把使陽極過程受阻稱作陽極極化作用，而把加速陽極極化作用稱作去極化作用，氯離子正是發(fā)揮了陽極去極化作用。混凝土中氯離子的存在加強了離子道路，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕過程。

（3）混凝土碳化深度一般來說pH＜10時，鋼筋的銹蝕速度很小，當pH＜4時，則銹蝕速度急驟增加?；炷劣不校?/3水泥將生成氫氧化鈣ＣaOH2。在混凝土電阻率是控制混凝土中鋼筋銹蝕率的因或以結(jié)晶體的形式存在，或者在其孔隙中以飽和水溶液素形式存在，pＨ＞12.5，呈高堿性。大氣中的二氧化碳時刻向混凝土的內(nèi)部擴散，混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，成碳酸鹽或者其他物質(zhì)，pＨ值降低到8.5左右。碳化前，混凝土pH＞12.5，高堿性，使鋼筋表面產(chǎn)生鈍化膜，保護鋼筋；碳化中，二氧化碳、水汽、堿性物質(zhì)產(chǎn)生中和反應(yīng)；碳化后，混凝土pH＜9，低堿性或酸性，鈍化膜被破壞，鋼筋銹蝕。

（4）混凝土保護層厚度混凝土保護層為鋼筋提供了良好的保護，必要的保護層厚度能夠推遲環(huán)境中的水汽、有害離子等擴散到鋼筋表面的時間以及混凝土碳化使鋼筋失去堿性保護的時間，因此，混凝土保護層厚度是影響鋼筋銹蝕的重要因素。

（5）混凝土電阻率混凝土電阻率是控制混凝土中鋼筋銹蝕率的因素之一，它反映了混凝土的導(dǎo)電性能，而鋼筋在混凝土中的銹蝕基本上都屬于電化學(xué)腐蝕，混凝土在鋼筋的腐蝕起到傳遞電子的作用，因此混凝土電阻率小，混凝土導(dǎo)電能

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類似（2）養(yǎng)護

西引橋采用木模，具有較好的保溫效果，澆注完成后覆蓋一層塑料布進行保濕養(yǎng)生，待砼終凝后，撤去塑料布，覆蓋兩層濕土工布，專人定期灑水養(yǎng)生，模板拆除后，在其表面噴養(yǎng)護劑。并在箱梁埋設(shè)傳感器監(jiān)測溫度，控制內(nèi)外溫差小于15度。東引橋采用鋼模，在其外噴聚胺脂保溫材料進行保溫，東引橋由工期較緊，采用蒸汽養(yǎng)生，采用4t蒸汽鍋爐，設(shè)一根Φ133mm總管達到施工處，設(shè)三根Φ75mm分管，箱內(nèi)一根，間隔50cm設(shè)一3mm噴汽孔，箱頂二根，間隔1米設(shè)一根長15米的4分管，該管間隔50cm設(shè)一3mm噴汽孔?？刂粕郎厮俣让啃r不大于10度，降溫每小時不大于3度，靜養(yǎng)6～10小時，蒸養(yǎng)62～72小時，降溫12～15小時，強度達到后繼續(xù)養(yǎng)生不少于15天。3、墩柱及超高橋塔混凝土工程（1）混凝土澆筑

采用兩臺強制式攪拌機(90型、60型拌和機)拌制混凝土，每小時理論生產(chǎn)砼方量100方。拌和時間不少于130s。采用砼輸送車輸送，達到平臺后采用一臺60型輸送泵輸入墩身頂面

設(shè)串筒下料，自由高度小于2米，薄層連續(xù)澆注，插入式振搗器搗實。澆注時間3～8小時。（2）混凝土養(yǎng)護

在模板外噴聚胺脂保溫材料保溫，澆注完成后在砼表面覆蓋濕麻袋與土工布，專人養(yǎng)護，定期用淡水噴灑，埋設(shè)溫度傳感器監(jiān)測溫度，降溫達到規(guī)定要求后拆除模板，模板拆除后馬上噴養(yǎng)護劑，養(yǎng)護噴完后圍掛二層土工布外包一層塑料布，進行保溫保濕，養(yǎng)護期不少于15天。4、承臺及大體積主橋承臺混凝土工程（1）混凝土澆筑

引橋采用兩臺強制式攪拌機(90型、60型拌和機)拌制混凝土，每小時理論生產(chǎn)砼方量100方。主橋除采用上述攪拌機外，另用砼拌和船輔助生產(chǎn)，拌和時間不少于130s。采用砼輸送車輸送，達到平臺后采用兩臺60型輸送泵輸入承臺中，薄層(每層厚度不超過30cm)連續(xù)澆注，插入式振搗器搗實。引橋澆注時間6～10小時，主橋澆注時間12～24小時。（2）混凝土養(yǎng)護