1、專題講座混凝土耐久性DURABILITY of CONCRETE概 念v混凝土耐久性 混凝土材料在長期使用過程中，抵抗因服役環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。v混凝土構筑物的服役壽命 混凝土構筑物受到其服役環境因素的侵蝕和破壞，導致其使用性能下降到最低設計值時，所經歷的時間(年)。混凝土耐久性的重要性v保證混凝土構筑物運行的安全性v延長混凝土構筑物的服役壽命v節約混凝土構筑物維護成本v節約自然資源，減少消耗v改善人類居住的環境條件混凝土耐久性危機 時間 特點 措施第1次 40年代 鹽凍 引氣劑 第2次 70年代 離析、泌水 低水膠比 第3次 80年代 早期

2、熱裂縫 綜合美國大量混凝土路面受凍融循環侵蝕很快發生剝落美國等國家大量混凝土橋面板、路面、停車場和港口設施受侵蝕破壞鋼筋混凝土橋梁的侵蝕損毀拆除前的西直門橋一座橋何以只有二十年壽命？冰島一港口混凝土路面受鹽凍剝落混凝土路面受鹽凍剝落堿骨料反應引起混凝土的自由變形產生網狀裂縫Map Cracking堿骨料反應引起混凝土的自由變形產生網狀裂縫堿骨料反應引起的錯位硫酸鹽侵蝕引起的大壩破壞混凝土性能劣化的模式v組成改變v體積膨脹、裂縫v表面開裂v表面剝落v溶蝕v磨損v結構酥松v承載力下降v彈性模量降低v質量損失v體積增長導致混凝土性能劣化的因素v外部環境因素： 水、風化、凍融、化學腐蝕、磨損、氣體等；

3、 v材料內部原因： 堿骨料反應、體積變化、吸水性、滲透性等。 混凝土內部可蒸發水的可逆性和隨之引起或產生的有害作用是導致混凝土劣化的重要原因。混凝土耐久性的內容v抗滲性 v抗凍性 v耐腐蝕性 v抗碳化性 v堿骨料反應 v耐火性v耐磨性與抗沖刷性混凝土的劣化分為兩大類：u 第一類，由水、空氣和其它侵蝕性介質滲透進入混凝土的速率所決定。 化學的：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應、硫酸鹽、海水和酸的侵蝕、碳化； 物理的：凍融、鹽結晶、火災等。u 第二類，是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機理。一、混凝土的抗滲性 Permeability of Concretev定義：混凝土抵抗壓力水(油、液體)滲透的能力，稱

4、為抗滲性。v評價指標：抗滲標號P以28d齡期的混凝土標準試件，按標準方法進行抗滲試驗，以6個試件中4個試件未出現滲水時的最大水壓確定，計算式如下： P = 10H 1 式中：P抗滲標號； H6個試件，3個試件出現滲水時的水壓力(MPa)。 水的滲透與混凝土的劣化：v對許多建筑材料來說，水是它們生產過程的重要原料之一，同時也是它們破壞過程的主要介質。v水也是多數結構混凝土出現耐久性問題的核心。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，水又是其化學劣化過程的一個根源。v混凝土的抗滲性是反映混凝土耐久性的一個重要指標為什么混凝土會滲水v 混凝土內部存在孔隙通道是其滲水的根本原因！v 孔

5、隙通道包括：混凝土中可蒸發水蒸發后留下的孔道；拌合物泌水時在骨料和鋼筋下方形成的水囊與水膜；混凝土各種原因引起的體積變形所產生的收縮裂縫；混凝土在荷載作用下的變形 1、高孔隙率、低滲透性4、多孔、高滲透性3、多孔、低滲透性2、低孔隙率、高滲透性孔隙率、孔隙特征與滲透性的關系混凝土抗滲性的影響因素v混凝土的配合比水灰比膠凝材料(水泥礦物外加劑)用量v澆注成型工藝混凝土的攪拌混凝土的震搗v養護條件濕度溫度齡期工程實踐證明： 采用適宜的原材料及良好的生產、澆筑與養護操作，當水泥用量為300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制備出28d抗壓強度為3540MPa的混凝土，在大多數環境條件下可以呈

6、現足夠低的滲透性和良好的耐久性能。 最初幾周，硬化水泥漿體的滲透性下降幾個量級滲透性水灰比的關系臨界區高滲透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低滲透性 水灰比是混凝土抗滲性的重要影響因素！為什么？混凝土的抗滲性與吸水性l硬化水泥漿體或混凝土因毛細作用(而不是壓力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性質，稱為吸水性。l試驗表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表層的抗滲性。二、混凝土抗凍性Frost Resistance of Concrete三問？v混凝土抗凍性的含義是什么？v混凝土凍融破壞機理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗凍性？什么是混凝土的抗凍性 定義：在吸水飽和狀態下，混凝土能夠經受多次凍

7、融循環而不破壞，也不顯著降低其強度的性能，稱為混凝土的抗凍性。凍凍 害害v什么引起凍害?混凝土內部孔中的水結冰水結冰使體積膨脹9%。v凍害破壞影響到水泥石和骨料v凍害破壞的外觀模式剝落 龜裂、分層v構筑物的什么位置最易受損?北方氣候混凝土路面、橋面板、擋土墻混凝土的凍融破壞原因與模式 原因：混凝土中大毛細孔里的水結冰時，體積大約要膨脹9 %如果體內沒有足夠的空間容納，就會產生可能引起開裂的壓力作用于孔縫的壁上，導致孔縫擴展和連接反復的凍融循環使危害擴大和積累，孔縫不斷增多，并擴展和連通，造成強度下降破壞模式：表面出現缺棱、掉角、脫皮等現象質量損失強度、彈性模量下降凍害造成D-型裂縫路面受鹽凍剝

8、落鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞混凝土凍害機理 水自由流動，作用于玻璃瓶壁的壓力較小 水結冰開始，冰膨脹對瓶壁作用一個拉應力 隨著結冰進行，瓶壁對冰的約束，產生累計應變能尋求釋放 內壓很大以至于導致瓶壁破裂讓冰膨脹和能量釋放凍害機理水結冰產生壓力的機理：v水壓v滲透壓v毛細孔中冰結晶生長壓水 壓 結冰前，兩個孔中的水均處于低壓； 冷卻前鋒到達上面的孔，孔壓增加，周圍混凝土處于高壓水環境中； 冷卻前鋒繼續穿過上面的孔，高壓水到達下面的孔，引起流體進入下面的孔，流體通過毛細孔中間高度約束的通道的流動產生水壓并加速破壞作用。提高混凝土抗凍性的方法v水泥石抗凍性：低

9、水灰比保證混凝土良好的養護引氣劑v骨料的抗凍性選用抗凍骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在v引入的氣孔: 攪拌中引入的孔隙孔徑為10mm-1cm; 通常是空的。v外加劑引入的氣孔孔徑為0.1-0.2 mm; 一般是干燥的。v毛細孔：由可蒸發水揮發留下的孔徑為0.01-5mm; 含水; 水的冰點為-1C -8C ，取決于孔隙水中離子濃度。v凝膠孔： C-S-H凝膠內部的孔，其孔徑為 1-10nm; 含有化學結合水; 由于化學鍵而抗凍，典型冰點為-78Cv不是混凝土中的孔都對凍害有利。引入的氣孔作用機理v水壓很高，可使毛細孔間的水泥石破壞；v引入的氣孔可以釋放水壓，避免高壓水的產生；v大量的空氣泡減小了

10、水釋放的平均距離；v引起的氣孔有利于混凝土抗凍害性能的改善摻引氣劑前摻引氣劑后可提高抗凍性混凝土抗凍性試驗v方法：用28d齡期、吸水飽和狀態下的試件，進行低溫冰凍，水中融化循環試驗，經過一定循環后測定試件的強度或彈性模量和質量。v評價指標：以強度降低不超過25%、質量損失不超過5%時所能承受的最大凍融循環次數N為抗凍指標抗凍標號D或耐久性系數Km： Km = PN / 300 式中：N混凝土試件凍融循環試驗至相對彈性模量下降到60%以下時的凍融循環次數； P經N次凍融循環后試件的相對彈性模量。 三、混凝土硫酸鹽侵蝕Sulfate Attack on Concrete三問？v混凝土硫酸鹽侵蝕的含

11、義是什么？v硫酸鹽侵蝕機理和劣化模式有哪些？v如何改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕？離子在混凝土中的擴散Diffusion of Ion in Concretev離子的擴散行為雖與水在混凝土中的傳輸不同，但它要以水為載體.v離子(或原子、分子)在濃度梯度作用下運動，即擴散過程，傳輸速率由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸鹽侵蝕v什么導致混凝土硫酸鹽侵蝕： 硫酸根離子與混凝土中水泥水化物之間的化學反應，形成有害化合物，而導致混凝土組成和結構的破壞、強度下降、表面剝離等。v硫酸根離子的來源：海水有機物環境(垃圾、生活污水)工業廢料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸鹽侵蝕的劣化模式v劣化模式 體積膨脹

12、開裂 (從構件的邊緣和角上開始) 表面剝落、質量損失 強度下降 外觀劣化發白v最易發生的部位大壩橋墩地下基礎水工設施受硫酸鹽侵蝕的混凝土或砂漿試件外觀劣化3、混凝土硫酸鹽侵蝕機理v鈣礬石型v石膏型v碳硫硅鈣石型vC-S-H分解型(1)鈣礬石型侵蝕機理v外部硫酸根離子滲入水泥石中；v與單硫型硫鋁酸鈣、氫氧化鈣、水反應形成鈣礬石： C4AH18+2CH+3SO42+12H = C6A3H32 3C3A3CH+3SO42+29H C6A3H32v鈣礬石體積膨脹產生拉應力v拉應力導致混凝土內部開裂破壞鈣礬石形成鈣礬石形成的膨脹機理v結晶壓力機理: 膨脹由鈣礬石晶體生長引起的，產生結晶壓力作用于水泥石內

13、部和骨料表面過渡區v腫脹理論 Swelling theory: 膨脹是由孔溶液中鈣礬石結晶生長引起的，晶體有很大的表面，吸附水而腫脹，導致膨脹壓力。(2)石膏型侵蝕機理v化學反應： 硫酸根離子滲入混凝土中的水泥石內；與氫氧化鈣CH反應，形成二水石膏： CH + + H = CH2v石膏的形成導致強度降低，接著膨脹、開裂，將水泥石轉變為糊狀、無膠結力的物質。v硫酸鹽溶液中陽離子(Na+ 、Mg2+ )的不同，可能將C-S-H凝膠轉變為石膏。硫酸鈉侵蝕:Na2SO4+CH+2H = CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸鎂侵蝕：MgSO4+CH+2H = CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgS

14、O4+3C-S-H+18H = 3(CaSO4).2H2O +3Mg(OH)2 +2SiO2.H2OXRD分析證明：v上圖，未受侵蝕的水泥石的XRD圖譜；v中圖，表明石膏型硫酸鹽侵蝕，在水泥石中形成大量石膏；v下圖，表明鈣礬石和石膏混合型硫酸鹽侵蝕G: 石膏E: 鈣礬石(3)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕v硫酸根離子SO42侵入硬化混凝土中，在碳酸鹽或CO32或CO2的存在下，與C-S-H凝膠反應就形成碳硫硅鈣石 ：3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O v碳硫硅鈣石是一種糊狀、松軟、毫無膠凝能力的物質,因而能使水泥石變成糊狀、

15、無粘結力的物體，嚴重破壞混凝土的結構，降低混凝土的強度。同時也會伴有膨脹性破壞，但膨脹性破壞不是碳硫硅鈣石導致的典型破壞。 碳硫硅鈣石的形成反應機理圖碳化層，pH7-8反應區水泥水化物硫酸鹽溶液碳硫硅鈣石碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕v最易發生的部位低溫環境下的結構物潮濕環境下的結構物地下基礎橋墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸鹽侵蝕v當硫酸鹽溶液或含硫酸鹽的地下水、污水作用于混凝土，將導致混凝土表面水泥石中C-S-H凝膠分解成硅凝膠： 2CaOSiO21.17H2O + SO42 2.83H2O 2CaSO42H2O + SiO2nH2O + OH v破壞C-S-H的膠凝結構，因而使水泥石喪失了粘結性

16、，混凝土強度降低，表面軟化 4、如何阻止混凝土的硫酸鹽侵蝕v提高混凝土的質量和抗滲性(減水劑)v限制水泥中 C3A 礦物含量5中低熱水泥抗硫酸鹽水泥 v摻加火山灰質礦物外加劑15% 偏高嶺土35% 磨細礦渣6% 硅灰 20% 低鈣粉煤灰v表面涂層保護水泥中C3A含量與混凝土試件體積變化時 間(年)膨脹率()混凝土膨脹率與水灰比的關系時間(年)膨脹率()粉煤灰對混凝土膨脹率的影響時間(年)膨脹率()2. 鹽結晶引起開裂v混凝土因孔隙里鹽發生結晶的物理作用，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生的壓力引起開裂。v鹽結晶只能發生在一定溫度下溶質的濃度超過飽和濃度的時

17、候。過飽和度越大，結晶壓越大。v例如巖鹽NaCl在過飽和度=2時，8C下產生的結晶壓可達55.4MPa，足以讓巖石或混凝土開裂四、混凝土的酸腐蝕 v由于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護良好，也能夠生產出在弱酸環境中足夠耐久的混凝土。v酸腐蝕機理：加速溶蝕 Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2H2OC-S-H 分解成硅凝膠： 3Cao2SiO23H2O + 6H+ 3Ca2+ 2(SiO23nH2O) +6H2Ov破壞模式：表面溶蝕為主五、堿骨料反應 Alkali-Aggregate Reaction (AAR)v什么是堿骨

18、料反應？v堿骨料反應的破壞形式和機理有哪些？v如何抑制混凝土中的堿骨料反應什么是堿骨料反應？ 最常見、最重要的反應是堿硅反應(簡稱ASR)，它是骨料中所含的無定形硅與孔隙里含堿(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境中，混凝土體內相對濕度超過85%時，就會出現膨脹，直到引起混凝土開裂與破壞。掃描電鏡下的堿性反應凝膠堿硅反應 (ASR)“混凝土的癌癥”v堿硅反應是下列物質間的反應 硅酸鹽水泥中的堿金屬離子 氫氧根離子 骨料中的硅成分堿骨料反應的破壞形式？vASR破壞形式膨脹與開裂 Expansion and cracking損失強度 Loss of

19、 strength粘性堿硅物質的溢出 或滲出Pop-outs and exudation of viscous alkali-silicate fluidv發生的部位濕環境 (大壩dams, 橋墩bridge piers, 海堤sea walls)暴露環境Exposed environments (道路roads, 建筑物外部結構building exteriors)常見的堿骨料反應破壞形式ASR 膨脹機理膨脹機理v氫氧根離子破壞了骨料中的硅氧結構.v硅形成堿硅凝膠(AS gel)v堿硅凝膠與水接觸產生腫脹v反應速度取決于：骨料中硅的活性水泥中堿含量 (wt% Na2O 等價.)vAS 凝膠是

20、膨脹的主體v吸附腫脹理論: 骨料周圍形成的堿硅凝膠的吸水腫脹和混凝土孔中水的遷移受阻，因而產生膨脹壓。v滲透壓理論 Osmotic pressure theory: 骨料周圍形成的AS 凝膠是一個半透膜，它只允許一個方向流動：堿金屬離子和OH離子擴散進入骨料表面，但硅離子不能從骨料表面滲出，產生滲透壓。ASR 膨脹機理膨脹機理ASR 膨脹機理v當膨脹壓超過混凝土的抗拉強度時，混凝土將開裂。ASR劣化機理混凝土模型： 水泥石paste 活性硅骨料水泥石中的堿金屬離子與骨料中的活性硅反應在骨料表面形成堿硅凝膠ASR 膨脹機理膨脹機理v當裂縫到達混凝土構件表面，就產生“龜裂” “map cracki

21、ng” .ASR 膨脹機理膨脹機理v骨料界面過渡區未受損的混凝土ASR損壞的混凝土堿硅凝膠堿硅凝膠(AR Gel)ASR 破壞實例ASR破壞的鐵路軌枕ASR破壞的橋墩ASR破壞的防護板，并導致鋼筋銹蝕破壞ASR破壞的道路路面堿骨料反應影響因素v水泥或混凝土的含堿量 ；v活性氧化硅含量 ；v骨料粒徑 ；v水分來源 ；v環境溫度。如果堿含量低于0.6%,膨脹不會發生水泥中堿含量對ASR引起的破壞的影響混凝土中的堿含量與其膨脹的關系相對濕度低于80，膨脹很小相對濕度對ASR破壞的影響抑制ASR的措施v限制堿含量低堿水泥限制其它來源：l鹽污染的骨料l防止海水滲入l化冰鹽溶液滲入混凝土中水泥用量v限制活

22、性骨料v保持干燥抑制ASR的措施v利用火山灰質礦物外加劑 25%低鈣粉煤灰 40-50%)的礦渣 7-15%硅灰 7-15%天然火山灰v引氣劑 引入氣泡緩解膨脹壓力，減少有害膨脹v結構設計限制水滲入(排水)避免化冰鹽的積累提高密實度表面質量抑制堿骨料反應的措施選擇非活性骨料；選擇含堿量0.6的水泥；摻加活性混合材，如：硅灰、粉煤灰等；提高混凝土的密實性或阻止水分滲入。六、混凝土的抗碳化性 v定義：碳化是指環境中的CO2與混凝土水泥石中的Ca(OH) 2作用生成碳酸鈣和水，從而降低混凝土中堿度的現象。v危害：由于堿度的降低，混凝土中的鋼筋失去保護膜，引起鋼筋銹蝕；混凝土表面出現碳化收縮，導致微裂

23、縫的產生，降低混凝土的強度和耐久性。v影響因素：CO2濃度、相對濕度、混凝土的密實度、水泥品種和摻和料等。七 、混凝土的 抗火性 隨著溫度升高，發生以下三種變化：l 升溫時混凝土內的水分逐漸蒸發，接著結合比較牢固的水分也逐步逸出；l 由于硬化水泥漿體和骨料熱膨脹系數的差異，產生溫度應力并導致過渡區開裂，這是500以上時強度迅速喪失的主要原因。石灰石和輕骨料混凝土抗火性能較優異。l 硬化水泥漿體的水化產物到接近1000的時候分解完畢，強度完全喪失。 混凝土強度隨溫度的變化問題？1. 與普通強度混凝土相比，高強混凝土抗火性較差還是較好？為什么？2. 為什么用石灰石作為骨料的混凝土抗火性能較好？八、

24、混凝土中鋼材的銹蝕v由于混凝土內的強堿性使得鋼筋表面形成鈍化膜，從而鋼筋在混凝土中不會銹蝕。v如果鋼筋表面鈍化膜被破壞，則鋼筋就會發生電化學腐蝕銹蝕破壞v混凝土中鋼筋銹蝕，引起體積膨脹27倍，導致混凝土保護層開裂破壞v混凝土中鋼材的鈍化會由于下列原因被破壞：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。 鋼筋銹蝕導致混凝土構件破壞的幾種形式鋼筋銹蝕導致混凝土構件破壞的幾種形式混凝土中鋼材的銹蝕Steel Corrosion in Concrete1)碳化引起的銹蝕條件：CO2 、水分(相對濕度5070%時最迅速)；2)

25、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。 產生開裂的時間分兩個階段: 1)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； 2)銹蝕到達臨界水平，即混凝土出現開裂的時間T1。 混凝土中鋼材的銹蝕過程T0：開始銹蝕; T1：混凝土開裂； T0 T1混凝土中鋼筋銹蝕引起的破壞發展圖l 氯化物對結構物暴露于潮汐區與浪濺區混凝土的作用，在很大程度上取決暴露時間、條件和混凝土性能。l 保護層的厚度和性質對盡可能地延長t0很關鍵，低水灰比、水泥用量適當與足夠地養護對增大t0、降低吸收與擴散系數有關。 混凝土中鋼材的銹蝕 下列幾種新措施，可以在原

26、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： 1)在新拌混凝土里摻用阻銹劑，如亞硝酸鈣； 2)用不銹鋼作為配筋，或環氧涂層鋼筋； 3)混凝土采用涂層保護，減少氯鹽與氧的侵入； 4)對鋼筋進行陰極保護，即外加電壓以保持鋼筋處于陰極區。 混凝土中鋼材銹蝕的防護措施粉煤灰減小混凝土的氯離子擴散的作用一個不透水，但存在非一個不透水，但存在非連續微裂縫，且多孔的連續微裂縫，且多孔的鋼筋混凝土結構鋼筋混凝土結構環境作用環境作用( (第一階段第一階段) )( (無可見損傷無可見損傷) )1. 1. 侵蝕作用侵蝕作用( (冷熱循環、干濕循環冷熱循環、干濕循環) )2. 2. 荷載作用荷載作用( (循環荷載、沖擊荷載循環荷載、沖擊荷載) 由于微裂縫和孔隙由于微裂縫和孔隙連通起來，不透水性逐連通起來，不透水性逐漸喪失漸喪失環境作用環境作用( (第二階段第二階段) )( (損傷的開始與擴展損傷的開始與擴展) )水的滲入水的滲入O