工程结构鉴定与加固2-结构损伤机理

1•2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀–混凝土中钢筋锈蚀已成为世界关注的大问题，被认为是当今影响混凝土结构耐久性的首要原因。钢筋锈蚀已经或正在给国民经济带来巨大经济损失。–基于此，美国总结正反两个方面的经验教训，提出了“立足前期措施,着眼长远效益”，并强行实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”(ＬＣＣＡ)。2.1混凝土结构损伤机理及其危害第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害2•2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀–世界一些国家的腐蚀损失,平均可占国民经济总产值的2%～4%;其中,被认为与钢筋腐蚀有关者可占40%（至今我国尚无确切统计数据)。–美国1984年报道，仅就桥梁而言,57.5万座钢筋混凝土桥,一半以上出现钢筋腐蚀破坏,40%承载力不足和必须修复与加固处理,当年的修复费为54亿美元;–1998年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费,一年要2500亿美元,其中桥梁修复费为1550亿美元(是这些桥初建费用的4倍);还有报道说,到本世纪末,美国要花4000亿美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害3-20世纪50年代，我国北方为使冷天施工的混凝土早强，曾普遍掺加氯盐，致使大量工业厂房因钢筋严重锈蚀而过早破坏；-北京、天津的许多钢筋混凝土立交桥使用时间不长，却因在冬天撒盐融化冰雪而使得钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象日益加剧。锈蚀使钢筋受力截面减小，锈蚀层膨胀使混凝土保护层沿钢筋方向“顺筋”开裂，而后脱落，以致不得不花费大量的经费对结构进行修补和加固。4第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害某立交墩柱钢筋锈蚀情况某立交桥栏杆破损、露筋5第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害6•2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀–钢筋腐蚀机理•钢筋锈蚀的条件：–在钢筋表面存在电位差，不同电位的区段之间形成阳极－阴极；–阳极区段的钢筋处于活化状态阳极反应：2Fe－4e－2Fe2+–存在水分和溶解氧，在阴极发生以下阴极反应：2H2O+O2+4e－4OH－第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害7–钢筋腐蚀机理•说明：–上述三条件必须同时满足，腐蚀才会产生；–由于砼碱度差异、钢筋中元素偏析、加工应力均会形成局部电池，条件一始终满足；–腐蚀过程：2Fe2++4OH－2Fe(OH)2Fe(OH)3nFe2O3·mH2OnFe3O4·mH2O(氧化不完全)第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害红锈（膨胀4倍）黑锈（膨胀2倍）8铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，使混凝土沿钢筋方向（顺筋）开裂，进而使得保护层成片脱落，而裂缝及保护层的脱落又进一步加剧钢筋的腐蚀。9第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害10–影响钢筋腐蚀的主要因素•pH值•Cl－含量•氧•混凝土密实性•砼保护层厚度•其他因素第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害11–影响钢筋腐蚀的主要因素•Cl－含量–广泛性：海洋；除冰盐；盐碱地；工业环境–作用：•破坏钝化膜；•形成“腐蚀电池”；•Cl－的阳极去极化作用；•导电作用；第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害122.1混凝土结构损伤机理及其危害混凝土结构设计规范GB50010－2010：3.5.3设计使用年限为50年的混凝土结构，其混凝土材料宜符合表3.5.3的规定。132.1混凝土结构损伤机理及其危害混凝土结构设计规范GB50010－2010：14–钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征：•混凝土顺钢筋开裂钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时,钢筋锈蚀产物体积发生膨胀,足以使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。•“握裹力”下降与丧失随着裂缝的不断加宽,混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力)也随之下降(下降速度取决于钢筋锈蚀速度),滑移增大,构件变形。•钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀,一般分为局部腐蚀(如坑蚀)和全面腐蚀(均匀腐蚀),常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失,其损失率达到极限时,构件便会发生破坏。由于坑蚀产生的槽口效应会引起应力集中，严重降低钢筋的延性和疲劳强度，它比均匀腐蚀更危险。•钢筋应力腐蚀断裂处在应力状态下的钢筋(包括预应力),在腐蚀介质和拉应力共同作用下钢筋产生晶间或穿晶断裂现象。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害15–钢筋防腐蚀的措施(1)•常规方法：从材料、设计、施工、维护入手：①优选配合比，严格控制水灰比，选择合适的水泥用量和外加剂；②设计采用一定厚度保护层，防止有害物质渗入；③保证砼施工质量，提高密实性、抗冻性和抗渗性，加强养护，防止裂缝产生；④防止碱集料反应；⑤严格限制氯离子含量⑥定期检查，发现裂缝或表面疏松掉皮时及时处理第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害16–钢筋防腐蚀的措施(2)•特殊方法：①阴极保护②环氧树脂涂层钢筋在使用中避免损伤，设计时注意锚固。③用纤维增强塑料（FRP）包括：GFRP、CFRP、AFRP等④镀锌钢筋⑤添加防锈剂外加剂的一种，能保持钝化膜的存在。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害17第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害18第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害采用阴极防蚀法可以完全抑制混凝土中钢筋腐蚀，但是防蚀之效果却是与所供应之保护电流量是否足够有直接关系。提供所需保护电流密度主要受到混凝土中钢筋表面积及钢筋腐蚀程度两大因素之影响。钢筋腐蚀程度较严重之区域，其钢筋表面腐蚀电化学反应常较为激烈，需要较高之保护电流密度。外加电流法19第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害牺牲阳极式阴极防蚀技术，应用于地面上钢筋混凝土的最大困难，是如何克服地面上钢筋混凝土高比电阻之阻抗，期能提高保护电流到有效保护钢筋的程度。目前较可行的牺牲阳极式阴极防蚀系统是应用锌板导电胶之工法。锌板导电胶是一种专利产品，其组成为一层厚0.254mm的锌板及一层可以持续保湿及确保锌板腐蚀的导电胶。锌板导电胶施工及后续系统维护比钛网阴极防蚀系统容易且综合施工费亦较省。牺牲阳极法20选择防腐蚀方法应首先采用常规防腐蚀方法（比较经济），如因条件所限或者需进一步提高防腐性能时，则采用特殊防腐蚀方法。21•2.1.2混凝土的中性化1、混凝土碳化机理•混凝土是多孔体，空气中的二氧化碳先渗透到内部孔隙和毛细管中，溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸二钙、硅酸三钙等水化物相互作用，形成碳酸钙。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害22第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害混凝土保持高碱性,不仅是保护钢筋的前提条件，而且是维持混凝土自身化学稳定性的必要条件，因此凡是能使混凝土碱度降低的一切因素(不论是先天因素还是环境因素)，均对钢筋混凝土结构的耐久性产生不利影响。23第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害研究表明，混凝土碳化后抗压强度提高,延性降低，其静力弹性模量的变化正比于强度的变化，具有明显的脆性，对抗震不利。对这一现象的解释是碳化造成混凝土空隙率下降，提高了混凝土的密实度，导致其抗压强度提高。24第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害对碳化混凝土梁受弯特性的试验研究表明,混凝土碳化引起梁的承载力提高,但梁的屈服挠度和极限挠度要小于相应的未碳化混凝土梁的屈服挠度和极限挠度,变形能力降低,其影响的程度随碳化深度和配筋率的不同而变化。25–混凝土碳化化学反应CO2+H2OH2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO33CaCO3+2SiO2+6H2O2CaO·2SiO2·4H2O+2H2CO32CaCO3+SiO2+6H2O反应速度与二氧化碳浓度和砼可碳化物质含量有关。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害262、影响混凝土碳化的因素（1）•周围环境因素相对湿度：当周围介质的相对湿度为50%～75%时，混凝土的碳化速度最快。环境温度：环境温度提高，碳化速度加快；CO2浓度：碳化深度（D）与CO2浓度（c）的平方根成正比。t为碳化时间。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害111222ctDDct27–影响混凝土碳化的因素（2）•材料组成因素•水泥用量（η1）•水灰比（η2）•粉煤灰取代量（η3）•水泥品种（η4）•集料品种（η5）•养护方法（η6）第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害28–影响混凝土碳化的因素（3）•施工因素•主要是混凝土搅拌、振捣和养护等条件的影响；这些因素对混凝土密实性的影响很大。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害293、混凝土碳化深度预测•在非侵蚀性介质的正常的大气条件下，混凝土碳化特征曲线可用幂函数方程表示。•中国建筑科学研究院提出了多系数方程：α—碳化速度系数；t—混凝土碳化龄期；第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害Dt123456Dt304、减小混凝土碳化的措施•合理设计混凝土配合比；•在混凝土施工时，应采用机械振捣，以保证混凝土的密实性；•采用表面涂层或表面覆盖层的方法，隔绝混凝土与空气中的CO2；•混凝土设计时考虑足够的保护层厚度。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害31–实际上，工业大气对混凝土的中性化作用，远大于碳化作用，尤其是污染严重的工业区。–目前我国存在大面积“酸雨区”，主要是工业、汽车排放出的大量ＳＯ2、ＮＯ2、ＮＯ等酸性气体造成的:–ＳＯ2+Ｈ2Ｏ+Ｃａ(ＯＨ)2=ＣａＳＯ3+2Ｈ2Ｏ–ＮＯ2+Ｈ2Ｏ+Ｃａ(ＯＨ)2=ＣａＮＯ3+2Ｈ2Ｏ第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害32•2.1.3混凝土碱集料反应(Alkali-AggregateReaction，简称“AAR”)–混凝土碱集料反应是混凝土中水泥、外加剂、掺合料和拌和水中的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔隙液中，与集料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土开裂和强度降低，严重时会导致混凝土完全破坏。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害33第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害Map/PatternCrackingResultingfromanAlkali-AggregateReaction341、混凝土碱集料反应的条件•混凝土中有相当数量的碱；来源：配置时形成；环境侵入。•混凝土中有相当数量的碱活性骨料；•混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度。空气湿度大于80%，或直接与水接触。2、反应类型：•碱－硅反应(Alkali-SilicaReaction)：蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、方石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英碱＋微晶氧化硅硅胶体•碱－硅酸盐反应：粘土质岩石及千板岩•碱－碳酸盐反应(Alkali-CarbonateReaction)：白云质石灰岩第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害353、影响碱集料反应的因素•水泥的含碱量•混凝土的水灰比•反应性集料的特性•混凝土孔隙率•环境温湿度影响4、防止碱集料反应的措施•采用低碱水泥•掺用粉煤灰等掺合料降低混凝土的碱性•尽量不用可能引起反应的集料•改善混凝土结构的施工和使用条件第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害36•2.1.4化学介质的腐蚀–混凝土腐蚀是一个复杂的物理、化学过程。–按侵蚀介质的性质分：•①硫酸盐腐蚀；•②海水腐蚀；•③酸性腐蚀；•④盐类结晶型腐蚀。第2章工程结构损伤机理及危害2.1混凝土结构损伤机理及其危害37–海水腐蚀•海水的