第2讲工程结构损伤机理及危害1

结构可靠性鉴定与加固第2讲工程结构损伤机理及危害唐昌辉建筑工程系土木工程学院湖南大学Email:[e-mail]:137073181872.1混凝土结构损伤机理及其危害2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀1.概述在第二届混凝土耐久性国际会议（1991）上，梅塔教授在题为《混凝土的耐久性——50年的进展》的主题报告中指出：“当今世界，混凝土破坏原因按照重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、混凝土的冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用。”美国标准局1975年的调查表明：美国全年各种腐蚀损失为700亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀损失占40%。在英国，英格兰岛中部环线11座混凝土高架桥建设费是2800万英镑（1972年），因冷天撒盐融化冰雪，两年后发现钢筋锈蚀将混凝土顺筋胀裂，到1989年的15年间花费4500万英镑修补。2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀在我国，1985年安徽省对14座水工混凝土建筑物进行锈蚀破坏调查，几乎不同程度地发生混凝土碳化和钢筋锈蚀破坏。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经费对结构进行修补和加固。2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀2.钢筋腐蚀机理条件：混凝土中的钢筋在同时满足下列三个条件时就会产生锈蚀：（1）钢筋表面存在电位差，不同电位区段之间形成阳极—阴极；（2）阳极区段钢筋表面处于活化状态，在阳极发生以下阳极反应：（3）存在水分和溶解氧，在阴极发生以下阴极反应：2242FeeFe22244HOOeOH2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀过程：（1）钢筋表面存在电位差；（2）钢筋表面高碱性条件下形成的钝化膜被破坏；（3）在水和氧气存在的条件下产生腐蚀电池反应，阴阳两极发生反应，溶液中生成氢氧化亚铁：（4）氢氧化亚铁与水中的氧反应生成氢氧化铁，其下部的铁将进一步锈蚀。（5）随着时间推移，一部分氢氧化铁氧化成为（红锈），一部分氧化不完全成为（黒锈），红锈体积可增大到原来体积的四倍，黒锈体积可大到原来的二倍，膨胀对砼产生压力，产生顺筋裂纹。（6）砼保护层脱落，进一步导致钢筋剧烈的腐蚀。22242()FeOHFeOH232nFeOmHO34FeO2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀3.影响钢筋腐蚀的主要因素（1）pH值：pH值越大，碱性成分在钢筋表面形成的钝化膜的保护作用就越强。（2）氯离子含量：该离子半径小，活性大，具有很强的穿越钝化膜的能力。来源：防冻剂；外环境。（3）氧：钢筋锈蚀的先决条件是所接触水中含有溶解态氧，在锈蚀工程中起到促进阴极反应的作用，支配锈蚀速度。（4）混凝土密实性：砼密实性越好，内部微细孔隙和毛细管通道越小，有效阻隔外界腐蚀性介质、水和氧气渗入。（5）混凝土保护层厚度。（6）其他因素：预应力钢筋的锈坑腐蚀，应力腐蚀，氢脆腐蚀。粉煤灰等矿物掺合料降低砼碱性等。2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀4.钢筋腐蚀的措施（1）常规防腐蚀法：1）优选混凝土配合比，严格控制水灰比，选用合适的水泥用量和外加剂。2）保护层厚度达标。3）保证施工质量，提高密实性、抗冻性和抗渗性，加强养护防止有害裂缝。4）采用合适的材料，防止碱集料反应。5）严格限制氯离子含量。6）必要时采取表面涂层防护。7）定期检查，发现有裂缝或混凝土疏松掉皮时及时鉴定处理。2.1.1混凝土中的钢筋腐蚀（2）特殊防腐蚀法：1）阴极保护。2）环氧树脂涂层钢筋。3）用纤维增强塑料Fiber-reinforcedplastics(FRP)代替钢筋。4）镀锌钢筋。5）在混凝土内或钢筋表面加防锈剂。2.1.2混凝土的中性化1.概述混凝土中性化：混凝土周围环境和介质中的、、、等深入混凝土表面，与水泥石中的碱性物质发生反应从而使pH值降低的过程。混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种物理化学过程。2.混凝土碳化的机理空气中的二氧化碳首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中，而后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三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用，形成碳酸钙。2COHCl2SO2Cl2.1.2混凝土的中性化3.混凝土碳化对结构的影响在某些条件下，混凝土碳化会增加其密实性，提高混凝土抗化学腐蚀的能力，但由于碳化降低混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，是混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋腐蚀带来不利影响，同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，有可能导致混凝土的裂缝和结构破坏。2.1.2混凝土的中性化4.混凝土的碳化过程（1）化学反应过程：化学反应过程进行较快，反应的速度主要取决于二氧化碳的浓度和混凝土的可碳化物质含量。2223COHOHCO233222CaOHHCOCaCOHO222332224226CaOSiOHOHCOCaCOSiOHO22233223232326CaOSiOHOHCOCaCOSiOHO2.1.2混凝土的中性化（2）二氧化碳等的扩散：二氧化碳或其他酸性物质通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散，这一过程的速度取决于扩散物质的浓度和混凝土的孔隙结构。（3）氢氧化钙等的扩散：氢氧化钙等可在孔隙表面的湿度薄膜内扩散，其速度取决于混凝土的含水率和氢氧化钙浓度的梯度。在上述三个过程中，二氧化碳在混凝土中的扩散速度最慢，它决定了混凝土碳化过程的速度。2.1.2混凝土的中性化5.影响混凝土碳化的因素（1）周围环境因素相对湿度：直接影响混凝土的湿润状态和抗碳化性能。周围介质相对湿度为50%~75%时，混凝土碳化速度最快。温度：随着温度的提高，碳化速度加快。二氧化碳浓度：混凝土的碳化深度（D）与二氧化碳浓度（c）的平方根成正比：式中t表示碳化时间。111222ctDDct2.1.2混凝土的中性化（2）材料组成因素水泥用量：是影响混凝土碳化最主要的因素之一，用量越大，砼强度越高，抗碳化性能越高。影响系数。水灰比：对混凝土的孔隙结构影响极大。孔隙率大则密实性差，渗透性大，碳化速度也快。影响系数。粉煤灰取代量：粉煤灰具有一定活性，降低砼碱度，从而减弱砼的抗碳化性能。影响系数。水泥品种：普通硅酸盐水泥配置的砼比混合材含量较高的同强度等级的矿渣水泥和火山灰水泥砼有较好的抗碳化性能。对于同一品种水泥来说，水泥强度等级越高，其抗碳化性能越好。影响系数。集料品种：集料形成或者生产条件不同，内部孔隙结构差别很大，吸水率不同，影响砼碳化。影响系数。养护方法：蒸汽养护大大加速砼的碳化。影响系数。1234562.1.2混凝土的中性化（3）施工因素施工因素对混凝土碳化的影响主要指混凝土的搅拌、振捣和养护等条件的影响。6.混凝土碳化深度的预测在非侵蚀介质的正常大气条件下，混凝土的碳化特征曲线，可以用幂函数方程表示。D为混凝土碳化深度（mm）,t为混凝土碳化龄期（d）,为碳化速度系数。Dt2.1.2混凝土的中性化中国建筑科学研究院混凝土研究所与有关单位共同研究，在我国首次提出混凝土碳化的多系数方程：碳化基本方程主要反映混凝土碳化深度随时间变化的速率，若干影响系数则主要反映几种主要影响因素对混凝土碳化深度的量的影响。预测的碳化深度宜满足混凝土碳化合格性指标。123456Dtt2.1.2混凝土的中性化6.减小混凝土碳化的措施（1）合理设计混凝土配合比。选择抗碳化性能好的水泥，并有足够的水泥用量；同时尽量降低水灰比或参入减水剂等（2）混凝土施工时，采用机械振捣，保证密实性。尽可能避免加热养护以加速混凝土的硬化。自然养护时，经常喷水，减少水分蒸发和表面裂缝。（3）采用表面涂层或表面覆盖层的方法，隔绝混凝土与大气的直接接触。（4）钢筋混凝土结构足够的保护层厚度。2.1.3混凝土碱集料反应1.概述混凝土碱集料反应是混凝土中水泥、外加剂、掺和料和拌合水中的可溶性碱（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，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂和强度降低，严重时会导致混凝土完全破坏。2.碱集料反应的类型（1）碱—硅反应反应发生于碱与微晶氧化硅之间，产物为硅胶体，这种硅胶体遇水膨胀，能引起混凝土开裂。2.1.3混凝土碱集料反应（2）碱—硅酸盐反应黏土质岩石等集料与砼中碱性化合物发生的反应属于碱—硅酸盐反应。这种反应引起缓慢体积膨胀，也能导致混凝土开裂。（3）碱—碳酸盐反应白云质石灰岩集料与混凝土中碱性化合物发生的反应属于碱—碳酸盐反应。也能引起砼膨胀、开裂。3.碱集料反应的机理（1）混凝土中必须有相当数量的碱（钾、钠）。碱来源可以是配置砼时的水泥、外加剂、掺和料等，可以从周围环境入侵的碱，例如海水和化雪盐等。（2）混凝土中必须有相当数量的碱活性骨料。（3）混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度，空气中相对湿度必须大于80%或者直接与水接触。2.1.3混凝土碱集料反应4.影响碱集料反应的主要因素（1）水泥的含碱量。含碱量越高，膨胀量越大。（2）混凝土的水灰比。在通常的水灰比范围内，随着水灰比减小，碱集料反应的膨胀量有增大的趋势，在水灰比为0.4时，膨胀量最大。（3）反应性集料的特性。混凝土及砂浆的碱集料反应膨胀量与反应性集料本身的特性有关，其中包括集料的矿物成分及粒度、集料用量和集料的孔隙率等。（4）混凝土孔隙率。混凝土及砂浆的孔隙也能缓解碱集料反应时胶体吸水产生的膨胀压力。因此，可以采用引气剂减缓碱集料反应的膨胀。（5）环境温湿度的影响。混凝土或砂浆的碱集料反应离不开水。每一种反应性集料都有一个温度限值。2.1.3混凝土碱集料反应5.防止碱集料反应的措施（1）采用低碱水泥，降低混凝土细孔溶液的碱度。（2）掺用粉煤灰等掺和料降低混凝土的碱性。（3）尽量不用可能引起碱集料反应的集料。（4）改善混凝土结构的施工及使用条件。2.1.4化学介质腐蚀1.化学介质腐蚀的分类第一类（腐蚀Ⅰ型）属溶蚀型的混凝土腐蚀，即当水渗透到混凝土内部，或是软水与水泥石作用时，一部分水泥的水化产物溶解并流失，引起混凝土破坏。第二类（腐蚀Ⅱ型）属某些酸性溶液和镁盐对混凝土的腐蚀。主要生成不具有胶凝性的、易于被水溶蚀的松软物质。不会使砼彻底破坏，但若转化为Ⅰ型腐蚀，即其生成物被渗透到砼内部的水溶蚀，则将使砼中的水泥石完全遭受破坏。第三类（腐蚀Ⅲ型）属结晶膨胀型腐蚀。它是混凝土受硫酸盐的作用，在其孔隙和细管中形成低溶解度的新生物，积累应力，破坏混凝土。2.1.4化学介质腐蚀2.海水对混凝土的腐蚀一般来说，海水中含有3.5%左右的可溶性的硫酸盐、镁盐、氯盐等。这些盐都可能给混凝土造成腐蚀。根据海工结构与海水接触部位不同，可能造成不同形式的腐蚀：（1）在高潮线以上，与海水不直接接触部位，大海中含有大量氯盐的潮湿空气，可能造成混凝土的冻融破坏和钢筋锈蚀。（2）在高潮线以上的溅浪区，混凝土遭受海水的干湿循环的作用，可能造成盐类膨胀型的腐蚀和加速钢筋锈蚀。（3）在水位变化区，即潮汐涨落区，直接遭受海浪的冲刷、干湿循环的作用、冻融循环的作用和可能遭受溶蚀等综合作用，这一部分混凝土遭受最严重的腐蚀。（4）在低潮位线以下，长期浸泡在海水中，易遭化学分解，造成混凝土腐蚀。但冻融破坏和钢筋锈蚀作用较小。2.1.4化学介质腐蚀混凝土在海水中的腐蚀主要是硫酸镁和氯化镁与水泥水化后析出的氢氧化钙其作用的结果。其反应式如下：虽然海水中硫酸镁和氯化镁的浓度很低，但海水中高浓度的NaCl会增加氯化钙和硫酸钙的溶解度，同时也会提高氢氧化钙和氢氧化镁的溶解度将它们析出，使砼孔隙率提高，结构被削弱。这种现象在流动的海水中更为严重。4242()()MgSOCaOHCaSOMgOH2222()()MgClCaOHCaClMgOH2.1.4化学介质腐蚀3.硫酸盐侵蚀在混凝土中，化学侵蚀最广泛和最普通的形式是硫酸盐侵蚀。硫酸盐一般指硫酸钠、硫酸镁等。存在地点：海水和地下水，特别是周围土壤中含黏土比例较高或邻近工业废料的地下水中。而临近工业废料的建筑，即便地面以上的砼构件也会出现缓慢的硫酸