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混凝土耐久性及提升对策王玲东北地区综合管廊技术论坛会议2016年1月23日1混凝土的耐久性问题二耐久性及其影响因素三4提升混凝土耐久性的技术措施一提纲23一.混凝土的耐久性问题长期以来，人们认为：混凝土是一种耐久性良好的材料。部分已有近200年历史，仍然完好。一.混凝土的耐久性问题大量的混凝土结构物没有达到预期的使用年限，受环境作用而过早破坏。大型工程日益增多（大跨度桥梁、超高层建筑、大型水工结构物等），所以人们对结构耐久性的期待日益提高：百年寿命，历久弥坚。人类开发领域不断扩大：地下、海洋、高空环境建筑越来越多，结构物使用的环境很苛刻，客观上要求混凝土有优异的耐久性。混凝土耐久性成了被关注的问题•混凝土结构设计：不仅要考虑荷载，也要考虑环境的影响。•耐久性：混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力。•耐久性是指一定的混凝土结构在规定或预期的服务寿命期内，保持设计所需要功能的性能。Neville混凝土的耐久性混凝土的耐久性可表现为由于内部和外部因素引起的各种损坏。这些因素包括：★物理作用：高温、低温或温度变化引起的热膨胀损坏与冻融循环。★化学作用：各种离子侵蚀、碱集料反应★机械力作用：冲击、磨蚀、冲蚀、气蚀一.混凝土的耐久性问题•混凝土：多组分、多相、多尺度•演化与劣化：环境和荷载的作用下，混凝土中水泥水化产物、孔隙和空隙都在发生着持续变化。•品质劣化四大原因：依次是钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应。8一.混凝土的耐久性问题•回顾二十世纪的混凝土工程实践，Mehta教授认为：近一百年的混凝土在品质上不是很成功，存在着较严重的耐久性问题。•展望未来，混凝土必须解决好耐久性这一重大课题。一.混凝土的耐久性问题10二.耐久性及影响因素抗渗性抗冻性抗侵蚀性中性化碱骨料反应1.抗渗性•混凝土抵抗水、油等压力液体渗透作用的能力。对混凝土的耐久性起重要的作用。•抗渗性用抗渗等级表示：P4、P6、P8、P10、P12共5个等级，分别能抵抗0.6、0.8、1.0、1.2、1.4MPa的水压力而不渗水。•抗渗性的重要性：混凝土品质劣化的原因均与水相关，没有水的直接作用或作为侵蚀性杂质进入混凝土的载体，混凝土病害就不会发生。•增大混凝土的密实度、改变混凝土中的孔隙结构，减小连通孔隙。•具体途径：1）降低水灰比（水胶比）；2）选择好的骨料级配；3）充分振捣和养护；4）掺用引气剂和优质粉煤灰掺合料。提高抗渗性的措施2.抗冻性•混凝土的抗冻性：指混凝土含水时抵抗冻融循环作用而不破坏的能力。•决定抗冻性的重要因素：混凝土的密实度、孔隙构造和数量，以及孔隙的充水程度以及从附近自由表面或出口可释放压力的能力。提高抗冻性的措施•密实的混凝土和具有封闭孔隙的混凝土抗冻性较高。•提高混凝土抗冻性的最有效办法是采用加入引气剂、减水剂和防冻剂的混凝土或密实混凝土。14•慢冻法：（D50、D100）采用100×100×100mm立方体试块，28d龄期试块，饱和吸水后承受反复冻融循环（-20℃冻4h、20℃融4h)。以抗压强度下降不超过25%，质量损失不超过5%时所承受的最大冻融循环次数表示。•快冻法：（F100、F150）采用100×100×400mm棱柱体试件，28天龄期试件，饱和吸水后承受反复冻融循环(-18℃、5℃)，一个循环在2-4h内完成。以相对动弹性模量值不小于60%，而且质量损失率不超过5%时所承受的最大循环次数表示。抗冻性的表征二.混凝土耐久性及影响因素大坝坝面高架桥二.混凝土耐久性及影响因素•冬季气温0～5℃下浇注混凝土，拆模后出现严重冻害现象：混凝土表面酥松、剥落、裂缝遍布，强度严重不足。•原因：在低温环境，混凝土在硬化前受冻，水泥水化反应很弱，生成的水泥水化物少，强度低。此时水结冰冻胀，混凝土内部结构遭到破坏，因而使得强度严重不足。混凝土施工中受冻破坏防止混凝土早期受冻冬期浇筑的混凝土，应养护到具有抗冻能力的临界强度后，方可撤除养护措施。—用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土，应为设计要求的强度等级标准值的30%；—用矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土，应为设计要求的强度等级标准值的40%；—任何情况下混凝土受冻前的强度不得低于5MPa。•除冰盐造成的混凝土冻融剥蚀是最危险的融破坏形式。•在北方地区冬季大量使用除冰盐，除冰盐引发混凝土盐冻剥蚀而破坏。•高速公路两侧路缘石和排水槽等设施出现混凝土脱皮、开裂、剥蚀等现象。•引起路面和桥面破坏，渗入混凝土中的氯盐又导致严重的钢筋锈蚀，加速碱骨料反应。除冰盐对混凝土的盐冻破坏21渗透压增大导致混凝土孔隙饱和吸水度提高，结冰压增大；盐的结晶压力；盐的浓度梯度使受冻时因分层结冰产生应力差。破坏机理二.混凝土耐久性及影响因素破坏从表面开始，逐渐向内部发展，表面砂浆剥落，集料暴露；剥落层内部的混凝土保持坚硬完好；破坏非常快，少则一冬，多则数冬，可产生严重剥蚀破坏；剥蚀表面及裂纹内可见白色粉末NaCl晶体。破坏特征二.混凝土耐久性及影响因素混凝土必须引气，含气量应在5%以上；要使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；选择合适的掺合料；适当增加保护层厚度；降低混凝土水胶比，降低孔隙率，提高混凝土强度；尽量使用粒径比较小的粗骨料；避免使用吸水率大，4-5微米孔比较多的骨料。提高混凝土抗冻性措施3.抗侵蚀性抗侵蚀性：指混凝土在含有侵蚀性介质环境中遭受到化学侵蚀、物理作用不破坏的能力。混凝土的抗侵蚀性主要取决于水泥的品种、混凝土密实度与孔隙特征等。盐在混凝土孔隙中结晶导致的膨胀是导致混凝土开裂的重要原因之一。混凝土墩二.混凝土耐久性及影响因素4.混凝土的碳化（中性化）碳化：指环境中的CO2和水与混凝土中的Ca(OH)2反应，生成CaCO3和水，从而使混凝土的碱度降低（中性化）现象。pH=13减低到pH=8.5，接近中性。低强度混凝土，表面离析、漏浆、蜂窝、麻面、松散、含水泥量小的混凝土中碳化现象较为普遍。碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。混凝土碳化程度用碳化深度表示。粉煤灰砂浆加速碳化14d粉煤灰砂浆加速碳化28d二.混凝土耐久性及影响因素有利作用：碳化放出水分有助于水泥的进一步水化，减少水泥石内部的孔隙，提高混凝土抗压强度。不利作用：使钢筋失去碱性保护而锈蚀，碳化收缩会引起微细裂缝，使混凝土抗拉强度降低等。二.混凝土耐久性及影响因素碳化导致钢筋锈蚀情况钢筋表层保护膜破坏，在氧、水分存在时，钢筋表面发生电化学腐蚀，在阳极铁离子发生化学反应生成氧化亚铁、氢氧化铁等腐蚀物。钢筋锈蚀后，有效直径减小，直接危及到混凝土结构的安全性；钢筋锈蚀后，锈蚀生成物的体积膨胀，致使混凝土保护层顺筋开裂，混凝土品质迅速劣化。钢筋锈蚀及对混凝土的影响氯离子是一种极强的钢筋腐蚀因子，扩散能力很强，混凝土中含有1.2-2.5kg/m3氯离子时足以破坏钢筋钝化膜，腐蚀钢筋。氯离子呈游离状态时会破坏潮湿混凝土中钢筋的保护膜使钢筋产生锈蚀。氯离子象催化剂一样,既促进钢筋锈蚀又不消耗自己,氯离子强化离子电路,加速电化学腐蚀过程。氯离子对钢筋锈蚀的影响35海砂沿海建筑除冰盐公路路面岛礁建设海水海工工程盐雾珠海横琴大桥美国旧金山，金门大桥某立交桥混凝土桥梁氯离子侵蚀最广泛、最严重36氯离子传输机理•渗透•毛细吸收•扩散•电迁移二.混凝土耐久性及影响因素南方某海港码头二.混凝土耐久性及影响因素主要考虑钢筋锈蚀。设计中定义的极限状态：——在氯盐环境中，氯离子扩散达到钢筋表面——在一般环境中碳化达到钢筋表面耐久性极限二.混凝土耐久性及影响因素外加剂5.碱骨料反应(活性SiO2)骨料碱(NaOH、KOH)水泥无限吸水膨胀Na2O·SiO2·nH2O碱-硅酸凝胶K2O·SiO2·nH2OH2O混凝土中碱—集料反应一旦发生，不易修复，损失大。二.混凝土耐久性及影响因素二.混凝土耐久性及影响因素避免使用碱活性骨料。限制混凝土中碱总含量，一般≤3kg/m3。掺用矿物细粉掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣，但要足量。保证混凝土在使用期一直处于干燥状态，注意隔绝水的侵入。预防措施47三.提升耐久性的技术措施1.减少拌和水及胶凝材料浆体的用量•仅控制水胶比，不能解决混凝土中因浆体过多而引起收缩和水化热增加的负面影响。•如果控制拌和水用量，同时控制浆体用量（浆骨比），有利于抑制混凝土的早期水化温升，降低混凝土的渗透性，并减少收缩量。•胶材体系中，降低水泥用量，增大矿物掺合料用量，可以提高混凝土结构的化学稳定性和抵抗化学侵蚀的能力，降低内部缺陷，提高密实性。实现减少拌和水与水泥浆量的途径有：1)选用良好级配和粒形的粗骨料。低水胶比混凝土的胶凝材料用量一直偏高，甚至＞550kg/m3，主要原因是骨料级配以及粒形不好。2)添加减水剂。3)添加低需水量比的矿物掺合料。强化骨料与水泥浆界面界面是提高耐久性的重要措施。主要措施：1)降低水胶比；2)降低水泥用量，增加矿物掺合料。有效降低界面水胶比，提高密实性，减少氢氧化钙富集现象。2.增强界面的粘结性3.合理选择水泥品种选用低水化热和含碱量偏低的水泥，尽可能避免使用早强水泥和高C3A含量的水泥。51降低拌和水量，而增加粉体材料的用量。填加优质矿物细粉掺合料使得孔隙变细且减少，降低电通量和氯离子扩散系数。4.降低毛细孔渗透性5.掺用引气剂掺用引气剂，引入微小封闭气泡，不仅可以有效提高混凝土抗渗性、抗冻性，而且可以明显提高混凝土抗化学侵蚀能力。这些微小气泡可以缓解部分内部应力，抑制裂纹生成和扩展。53碳化和氯盐是钢筋腐蚀的主要原因,应注意：1)控制混凝土组成材料中的氯离子含量。2)降低氯离子渗透量。3)提高混凝土密实度，降低混凝土碳化速度，这样可防止碳化引起的钢筋腐蚀的同时，控制含氯盐混凝土碳化时氯离子向钢筋表面富集加速钢筋腐蚀。6.防止钢筋锈蚀7.加强混凝土生产控制,避免开裂在混凝土施工中，应当均匀搅拌、灌注和振捣密实,加强养护。混凝土在非荷载作用下的变形有化学收缩变形、塑性收缩、自收缩、干缩变形、温度变形。在荷载作用下的变形有在短期荷载作用下的变形（弹塑性变形）和在长期荷载作用下的变形（徐变）。5556耐久性研究的趋势与方向（1）由理想的扩散向考虑多因素修正的扩散发展•扩散系数时变性，浓度变化，温度，湿度，氯离子结合等（2）由饱和状态下的传输向非饱和状态下的传输发展•孔隙溶液渗流，干湿循环，扩散和对流耦合传输（3）由完好混凝土向受损混凝土中的氯离子传输发展•荷载和裂纹，冻融循环等（4）由确定性评估向以概率和可靠度为基础的动态评估发展•参数的随机分布，模糊不确定性分析（5）多因素协同作用下混凝土耐久性评估和寿命预测57王玲18500079006wangling@cbmamail.com.cn