混凝土耐久性-专题讲座

专题讲座混凝土耐久性DURABILITYofCONCRETE邓德华教授二00六年四月概念混凝土耐久性混凝土材料在长期使用过程中，抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。混凝土构筑物的服役寿命混凝土构筑物受到其服役环境因素的侵蚀和破坏，导致其使用性能下降到最低设计值时，所经历的时间(年)。混凝土耐久性的重要性保证混凝土构筑物运行的安全性延长混凝土构筑物的服役寿命节约混凝土构筑物维护成本节约自然资源，减少消耗改善人类居住的环境条件混凝土耐久性危机时间特点措施第1次40年代盐冻引气剂第2次70年代离析、泌水低水胶比第3次80年代早期热裂缝综合美国大量混凝土路面受冻融循环侵蚀很快发生剥落美国等国家大量混凝土桥面板、路面、停车场和港口设施受侵蚀破坏钢筋混凝土桥梁的侵蚀损毁拆除前的西直门桥一座桥何以只有二十年寿命？冰岛一港口混凝土路面受盐冻剥落碱—骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝MapCracking碱—骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝碱—骨料反应引起的错位硫酸盐侵蚀引起的大坝破坏混凝土性能劣化的模式组成改变体积膨胀、裂缝表面开裂表面剥落溶蚀磨损结构酥松承载力下降弹性模量降低质量损失体积增长导致混凝土性能劣化的因素外部环境因素：水、风化、冻融、化学腐蚀、磨损、气体等；材料内部原因：碱骨料反应、体积变化、吸水性、渗透性等。混凝土内部可蒸发水的可逆性和随之引起或产生的有害作用是导致混凝土劣化的重要原因。混凝土耐久性的内容抗渗性抗冻性耐腐蚀性抗碳化性碱—骨料反应耐火性耐磨性与抗冲刷性混凝土的劣化分为两大类：第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质渗透进入混凝土的速率所决定。化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、硫酸盐、海水和酸的侵蚀、碳化；物理的：冻融、盐结晶、火灾等。第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一些另外的机理。一、混凝土的抗渗性PermeabilityofConcrete定义：混凝土抵抗压力水(油、液体)渗透的能力，称为抗渗性。评价指标：抗渗标号P以28d龄期的混凝土标准试件，按标准方法进行抗渗试验，以6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压确定，计算式如下：P=10H—1式中：P—抗渗标号；H—6个试件，3个试件出现渗水时的水压力(MPa)。水的渗透与混凝土的劣化：对许多建筑材料来说，水是它们生产过程的重要原料之一，同时也是它们破坏过程的主要介质。水也是多数结构混凝土出现耐久性问题的核心。不仅物理劣化过程与水有关；同时作为传输侵蚀性离子的介质，水又是其化学劣化过程的一个根源。混凝土的抗渗性是反映混凝土耐久性的一个重要指标为什么混凝土会渗水混凝土内部存在孔隙通道是其渗水的根本原因！孔隙通道包括：混凝土中可蒸发水蒸发后留下的孔道；拌合物泌水时在骨料和钢筋下方形成的水囊与水膜；混凝土各种原因引起的体积变形所产生的收缩裂缝；混凝土在荷载作用下的变形1、高孔隙率、低渗透性4、多孔、高渗透性3、多孔、低渗透性2、低孔隙率、高渗透性孔隙率、孔隙特征与渗透性的关系混凝土抗渗性的影响因素混凝土的配合比水灰比胶凝材料(水泥＋矿物外加剂)用量浇注成型工艺混凝土的搅拌混凝土的震捣养护条件湿度温度龄期工程实践证明：采用适宜的原材料及良好的生产、浇筑与养护操作，当水泥用量为300～350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出28d抗压强度为35～40MPa的混凝土，在大多数环境条件下可以呈现足够低的渗透性和良好的耐久性能。最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降几个量级渗透性——水灰比的关系临界区高渗透性高水灰比的水泥石低水灰比的水泥石低渗透性水灰比是混凝土抗渗性的重要影响因素！为什么？混凝土的抗渗性与吸水性硬化水泥浆体或混凝土因毛细作用(而不是压力梯度)吸收或吸附水份于其孔隙里的性质，称为吸水性。试验表明：吸水性大小主要反映混凝土靠近表层的抗渗性。二、混凝土抗冻性FrostResistanceofConcrete三问？混凝土抗冻性的含义是什么？混凝土冻融破坏机理和劣化模式有哪些？如何改善混凝土抗冻性？什么是混凝土的抗冻性定义：在吸水饱和状态下，混凝土能够经受多次冻融循环而不破坏，也不显著降低其强度的性能，称为混凝土的抗冻性。冻害什么引起冻害?混凝土内部孔中的水结冰水结冰使体积膨胀9%。冻害破坏影响到水泥石和骨料冻害破坏的外观模式剥落龟裂、分层构筑物的什么位置最易受损?北方气候混凝土路面、桥面板、挡土墙混凝土的冻融破坏原因与模式原因：混凝土中大毛细孔里的水结冰时，体积大约要膨胀9%如果体内没有足够的空间容纳，就会产生可能引起开裂的压力作用于孔缝的壁上，导致孔缝扩展和连接反复的冻融循环使危害扩大和积累，孔缝不断增多，并扩展和连通，造成强度下降破坏模式：表面出现缺棱、掉角、脱皮等现象质量损失强度、弹性模量下降冻害造成D-型裂缝路面受盐冻剥落铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏铁路桥梁的冻害剥落破坏混凝土冻害机理①水自由流动，作用于玻璃瓶壁的压力较小②水结冰开始，冰膨胀对瓶壁作用一个拉应力③随着结冰进行，瓶壁对冰的约束，产生累计应变能寻求释放④内压很大以至于导致瓶壁破裂让冰膨胀和能量释放冻害机理水结冰产生压力的机理：水压渗透压毛细孔中冰结晶生长压水压①结冰前，两个孔中的水均处于低压；②冷却前锋到达上面的孔，孔压增加，周围混凝土处于高压水环境中；③冷却前锋继续穿过上面的孔，高压水到达下面的孔，引起流体进入下面的孔，流体通过毛细孔中间高度约束的通道的流动产生水压并加速破坏作用。提高混凝土抗冻性的方法水泥石抗冻性：低水灰比保证混凝土良好的养护引气剂骨料的抗冻性选用抗冻骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在引入的气孔:搅拌中引入的孔隙孔径为10mm-1cm;通常是空的。外加剂引入的气孔孔径为0.1-0.2mm;一般是干燥的。毛细孔：由可蒸发水挥发留下的孔径为0.01-5mm;含水;水的冰点为-1C～-8C，取决于孔隙水中离子浓度。凝胶孔：C-S-H凝胶内部的孔，其孔径为1-10nm;含有化学结合水;由于化学键而抗冻，典型冰点为-78C不是混凝土中的孔都对冻害有利。引入的气孔作用机理水压很高，可使毛细孔间的水泥石破坏；引入的气孔可以释放水压，避免高压水的产生；大量的空气泡减小了水释放的平均距离；引起的气孔有利于混凝土抗冻害性能的改善掺引气剂前掺引气剂后可提高抗冻性混凝土抗冻性试验方法：用28d龄期、吸水饱和状态下的试件，进行低温冰冻，水中融化循环试验，经过一定循环后测定试件的强度或弹性模量和质量。评价指标：以强度降低不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环次数N为抗冻指标—抗冻标号D或耐久性系数Km：Km=PN/300式中：N—混凝土试件冻融循环试验至相对弹性模量下降到60%以下时的冻融循环次数；P—经N次冻融循环后试件的相对弹性模量。三、混凝土硫酸盐侵蚀SulfateAttackonConcrete三问？混凝土硫酸盐侵蚀的含义是什么？硫酸盐侵蚀机理和劣化模式有哪些？如何改善混凝土抗硫酸盐侵蚀？离子在混凝土中的扩散DiffusionofIoninConcrete离子的扩散行为虽与水在混凝土中的传输不同，但它要以水为载体.离子(或原子、分子)在浓度梯度作用下运动，即扩散过程，传输速率由菲克(Fick)定律求得1、混凝土的硫酸盐侵蚀什么导致混凝土硫酸盐侵蚀：硫酸根离子与混凝土中水泥水化物之间的化学反应，形成有害化合物，而导致混凝土组成和结构的破坏、强度下降、表面剥离等。硫酸根离子的来源：海水有机物环境(垃圾、生活污水)工业废料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸盐侵蚀的劣化模式劣化模式体积膨胀开裂(从构件的边缘和角上开始)表面剥落、质量损失强度下降外观劣化——发白最易发生的部位大坝桥墩地下基础水工设施受硫酸盐侵蚀的混凝土或砂浆试件外观劣化3、混凝土硫酸盐侵蚀机理钙矾石型石膏型碳硫硅钙石型C-S-H分解型(1)钙矾石型侵蚀机理外部硫酸根离子渗入水泥石中；与单硫型硫铝酸钙、氢氧化钙、水反应形成钙矾石：C4AH18+2CH+3SO42－+12H=C6AŜ3H323C3A＋3CH+3SO42－+29H＝C6AŜ3H32钙矾石体积膨胀产生拉应力拉应力导致混凝土内部开裂破坏钙矾石形成钙矾石形成的膨胀机理结晶压力机理:膨胀由钙矾石晶体生长引起的，产生结晶压力作用于水泥石内部和骨料表面过渡区肿胀理论Swellingtheory:膨胀是由孔溶液中钙矾石结晶生长引起的，晶体有很大的表面，吸附水而肿胀，导致膨胀压力。(2)石膏型侵蚀机理化学反应：硫酸根离子渗入混凝土中的水泥石内；与氢氧化钙CH反应，形成二水石膏：CH+Ŝ+H=CŜH2石膏的形成导致强度降低，接着膨胀、开裂，将水泥石转变为糊状、无胶结力的物质。硫酸盐溶液中阳离子(Na+、Mg2+)的不同，可能将C-S-H凝胶转变为石膏。硫酸钠侵蚀:Na2SO4+CH+2H=CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸镁侵蚀：MgSO4+CH+2H=CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H=3(CaSO4).2H2O+3Mg(OH)2+2SiO2.H2OXRD分析证明：上图，未受侵蚀的水泥石的XRD图谱；中图，表明石膏型硫酸盐侵蚀，在水泥石中形成大量石膏；下图，表明钙矾石和石膏混合型硫酸盐侵蚀G:石膏E:钙矾石(3)碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀硫酸根离子SO42－侵入硬化混凝土中，在碳酸盐或CO32－或CO2的存在下，与C-S-H凝胶反应就形成碳硫硅钙石：3Ca2＋+SO42－+CO32－+C-S-H+12H2OCa3[Si(OH)6](CO3)(SO4)·12H2O碳硫硅钙石是一种糊状、松软、毫无胶凝能力的物质,因而能使水泥石变成糊状、无粘结力的物体，严重破坏混凝土的结构，降低混凝土的强度。同时也会伴有膨胀性破坏，但膨胀性破坏不是碳硫硅钙石导致的典型破坏。碳硫硅钙石的形成反应机理图碳化层，pH7-8反应区水泥水化物硫酸盐溶液碳硫硅钙石碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀最易发生的部位低温环境下的结构物潮湿环境下的结构物地下基础桥墩隧道(4)C-S-H分解型硫酸盐侵蚀当硫酸盐溶液或含硫酸盐的地下水、污水作用于混凝土，将导致混凝土表面水泥石中C-S-H凝胶分解成硅凝胶：2CaOSiO2·1.17H2O+SO42－2.83H2O2CaSO4·2H2O+SiO2·nH2O+OH－破坏C-S-H的胶凝结构，因而使水泥石丧失了粘结性，混凝土强度降低，表面软化4、如何阻止混凝土的硫酸盐侵蚀提高混凝土的质量和抗渗性(减水剂)限制水泥中C3A矿物含量＜5％中低热水泥抗硫酸盐水泥掺加火山灰质矿物外加剂15%偏高岭土35%磨细矿渣6%硅灰20%低钙粉煤灰表面涂层保护水泥中C3A含量与混凝土试件体积变化时间(年)膨胀率(％)混凝土膨胀率与水灰比的关系时间(年)膨胀率(％)粉煤灰对混凝土膨胀率的影响时间(年)膨胀率(％)2.盐结晶引起开裂混凝土因孔隙里盐发生结晶的物理作用，可能造成严重的损害，许多多孔材料都可能由于与其接触的饱和溶液析晶过程产生的压力引起开裂。盐结晶只能发生在一定温度下溶质的浓度超过饱和浓度的时候。过饱和度越大，结晶压越大。例如岩盐NaCl在过饱和度=2时，8C下产生的结晶压可达55.4MPa，足以让岩石或混凝土开裂四、混凝土的酸腐蚀由于混凝土中硬化水泥浆体呈高碱性，没有任何硅酸盐水泥混凝土可以耐酸腐蚀。但如果注意降低渗透性并且养护良好，也能够生产出在弱酸环境中足够耐久的混凝土。酸腐蚀机理：加速溶蚀Ca(OH)2+2H+→Ca2++2H2OC-S-H分解成硅凝胶：3Cao•2SiO2•3H2O+6H+→3Ca2＋+2(SiO2•3nH2O)+6H2O破坏