土建學院防災科學與安全技術研究所 李耀莊 2656625，,結構損傷鑒定與診斷,第三章 鋼混凝土結構損傷機理,主要內容 3.1 混凝土中鋼筋的銹蝕； 3.2 混凝土的碳化； 3.3 混凝土的腐蝕； 3.4 混凝土的凍融破壞；,3.1 混凝土中鋼筋的銹蝕,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,（1）鋼筋電化學腐蝕機理,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,（1）鋼筋電化學腐蝕機理,普通硅酸鹽水泥密實未碳化混凝土的PH值為13，無CI-存在，形成鈍化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止鋼筋銹蝕。如鈍化膜破壞(在PH11.5將不能穩定存在)，在有水和氧氣存在時，產生腐蝕電池反應,陽極,陰極,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,紅鐵銹,進一步氧化形成疏松易剝落的沉積物鐵銹Fe2O3.Fe3O4.H2O,鐵銹體積比鐵增加24倍，將保護層脹開造成鋼筋外露。,褐銹,（1）鋼筋電化學腐蝕機理,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,腐蝕電池存在是腐蝕發生的必要條件，而腐蝕發展動力和速度與電極之間的電流速度有關。,陽極控制：砼高堿度在鋼筋表面形成鈍化膜阻止鐵離子化 陰極控制：氧氣不足或缺乏可阻止陰極反應 電阻控制：干燥環境、砼密實，存在涂覆層，電阻大,（2）鋼筋電化學腐蝕的動力和速度,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,（3）影響鋼筋電化學腐蝕的主要因素外在因素,3.1.1 鋼筋電化學銹蝕,（3）影響鋼筋電化學腐蝕的主要因素內在因素,知識點：氯離子銹蝕機理,混凝土,鋼筋,陽極表面,陰極表面,氯離子易滲入鈍化膜，形成易溶綠銹，綠銹向砼孔隙液中遷徙，分解為褐銹，褐銹沉積于陽極區，同時釋放氯離子和氫離子，回到陽極區，使陽極區附近孔隙液局部酸化，帶出更多鐵離子。氯離子不構成最終銹蝕產物，也不消耗，但促進銹蝕，起到催化作用。,綠銹,褐銹,3.1.2 鋼筋的化學銹蝕,鋼筋與酸、堿、鹽等發生化學反應，形成銹蝕,鋼筋在稀堿溶液中形成鈍化膜，在高堿和高溫下則產生堿裂或堿脆化的溶解腐蝕,3.1.3 鋼筋的應力銹蝕,鋼筋的應力腐蝕是電化學腐蝕和高應力復合作用結果。當鋼筋中存在較高拉應力時電化學方面比低應力時活躍得多。如果因氯離子侵蝕形成蝕坑，則會形成明顯應力集中。對于低韌性高強度鋼筋而言，應力集中很難通過塑性變形消除，從而形成微裂縫，可能突然斷裂而發生脆性破壞。沒有任何征兆，一般發生在預應力混凝土構件中，破壞后果很嚴重。,鋼筋銹蝕將引起混凝土與鋼筋粘結性能的退化,3.2 混凝土的碳化,砼結構周圍介質存在酸性物質，滲入混凝土內與水泥石中的堿性物質發生反應的過程叫做中性化。混凝土碳化是中性化最常見的形式，是CO2與混凝土中堿性物質相互作用的一種復雜物理化學過程。混凝土碳化將導致混凝土堿度降低，破壞鋼筋鈍化膜，同時加劇砼混凝土的收縮，導致收縮裂縫產生和加大。,3.2.1 混凝土碳化機理,混凝土碳化的化學反應(空氣中CO2含量低，碳化過程緩慢),混凝土碳化速度取決于 化學反應速度(取決于CO2含量和可碳化物的含量) CO2向砼擴散速度(取決于CO2和酸性物質濃度、孔隙結構) Ca(OH)2擴散速度(取決于混凝土含水率和Ca(OH)2濃度),上述三個過程均與砼含水量、周圍介質相對濕度、溫度有關,3.2.2 混凝土碳化深度公式,混凝土碳化后體積增加17%，混凝土中孔隙率和透氣性降低，表面硬度增加。由于混凝土碳化降低混凝土堿度，特別是混凝土保護層堿度，減弱對內部鋼筋的保護作用，最終導致鋼筋銹蝕。混凝土碳化是導致混凝土耐久性降低的主要原因。混凝土碳化導致孔隙部分被堵塞，此外隨著齡期增加，混凝土水化作用不斷增強，砼孔隙率降低，混凝土碳化速度降低。,3.2.3 混凝土碳化影響因素,水泥品種（普通水泥比礦渣水泥和火山灰水泥等好）,混凝土碳化影響因素,水泥用量（大好改善和易性、提高密實性、增加堿性）,粉煤灰（小好與Ca(OH)2結合，降低堿度）,水灰比（小好降低孔隙率和滲透性、增加密實性）,集料品種影響(普通集料如火成巖等和人造集料如粉煤灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好),養護方法影響(標養和蒸養比普通養護差）,3.2.4 混凝土碳化深度合格性指標,目前無統一標準，普遍觀點：混凝土碳化深度到達保護層厚度定為安全使用期，即在正常大氣條件下，50年內混凝土碳化深度不允許超過混凝土保護層厚度。,3.2.5 混凝土碳化深度計算,普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法（GBJ8385），首次提出混凝土在CO2體積分數為20、標準養護28天時快速碳化的多系數方程如下：,（1）水泥用量影響系數,水泥用量影響系數,輕集料混凝土,普通混凝土,每立方米混凝土的水泥用量（kg）,與水泥用量成反比，水泥用量越大，則 越小，混凝土的抗裂性能越好。水泥用量的增加可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實性，增加混凝土的堿性儲備量，使其抗碳化性能得以增強。,（2）水水灰比影響系數,水灰比影響系數,輕集料混凝土,普通混凝土,水灰比對混凝土碳化影響呈明顯的線性關系。水灰比越大，則 水灰比影響系數越大，混凝土內部孔隙率越大，密實性越差，滲透性越差，碳化速度越快。為了配制抗碳化性能較好的混凝土，應盡可能降低混凝土的水灰比。,（3）粉煤灰取代影響系數,粉煤灰影響系數,輕集料混凝土,普通混凝土,粉煤灰等量取代水泥的質量分數（），例如取代水泥的質量分數為10，則F=10。,粉煤灰具有一定的活性，摻用一定的粉煤灰，可節約水泥、降低大體積砼水化熱、改善泵送砼性能。但它和水泥水化后的氫氧化鈣相結合，使水泥堿度降低，從而削弱混凝土的抗碳化性能。在一般工藝條件下，其最大取代量不宜超過水泥質量的20，否則 增加太快。,（4）水泥品種影響系數,水泥品種影響系數,普通硅酸鹽水泥配制的砼比混合材含量較高的同標號礦渣水泥和火山灰是你配制的同有較好的抗碳化性能。水泥中活性混合材含量越高，越易與水泥水化產物氫氧化鈣反應，降低堿度，影響碳化性能。為提高抗碳化性能，應選用不含混合材的硅酸鹽水泥或少含混合材的普通硅酸鹽水泥。,（5）集料品種影響系數,集料品種影響系數,普通集料結構致密，吸水率小。天然集料結構多孔，吸水率較大。人造輕集料孔隙率較小，且多為圓形封閉孔，吸水率較小。,注：影響系數為表中粗細集料的乘積,（6）養護方法影響系數,養護方法影響系數,標準養護：溫度203，相對濕度不小于90 蒸汽養護：靜庭4h，升溫3h，恒溫最高溫90，恒溫68h，降溫2h,碳化深度小結,公式建立在快速碳化的基礎上，按照我國標準，快速碳化試驗是在溫度203，CO2體積分數為203條件下進行的。快速碳化28天的碳化深度約相當于在正常大氣條件下（ CO2體積分數為0.03 ）條件下混凝土存放齡期為50年的自然碳化深度。通過 CO2體積分數對混凝土碳化深度的影響對比，可以用下式表示,碳化深度計算例題,某工業廠房已經投入使用12年，現場對其混凝土構件實測碳化深度為18.2mm。構件混凝土保護層厚度為25mm，如果以碳化深度達到保護層厚度為構件正常使用年數參考，試預估該廠房剩余使用年數。,3.2.6 碳化深度檢測方法,對舊混凝土結構進行檢測時常常需要實測混凝土碳化深度。 常用方法就是用質量分數為1的酚酞酒精試劑噴在混凝土新破損面上（鉆孔或鑿開混凝土形成測試面），已經碳化的混凝土不會變色，未碳化部分為紫紅色，用卡尺精確量測混凝土表面到變色分界處的深度，即為混凝土碳化深度。 對于整個構件或結構應在有代表性的地方布置測區，每一個測區應測三個點，以其平均值作為該測區的代表值。,3.2.7 碳化處理方法,（1）碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結構安全構件應拆除重建； （2）對碳化深度較小并小于鋼筋保護層厚度，碳化層比較堅硬的，可用優質涂料封閉； （3）對碳化深度大于鋼筋保護層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的，應鑿除碳化層，粉刷高強砂漿或澆筑高強混凝土； （4）對鋼筋銹蝕嚴重的，應在修補前除銹，并根據銹蝕情況和結構需要加補鋼筋，防碳化后的結果，要達到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進入混凝土內侵蝕，使其內部和鋼筋一直處在高堿性環境中。,3.3 混凝土的腐蝕,3.3.1 混凝土化學腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕 在化工建筑中最常見，污水處理、化纖、制鹽、制皂等建筑混凝土構件常因硫酸鹽腐蝕破壞。常見的有硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸鉀、硫酸鈣等，基本都溶于水，其與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發生化學反應，生成石膏和硫鋁酸鈣，產生體積膨脹，導致混凝土破壞。硫酸鹽侵蝕混凝土，表面發白，損害從棱角處開始，裂縫展開并剝落，混凝土形成一種易碎的松散狀態（橋梁上也比較常見）。,3.3.1 混凝土化學腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕 硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸氨等，有兩個反應過程：,石膏腐蝕過程,硫鋁酸鹽腐蝕過程,單硫型鋁酸鹽,水化硅酸鈣,鈣礬石,伴隨體積的明顯膨脹，導致混凝土開裂！,防止方法：用瀝青、橡膠、瀝青漆等處理混凝土表面，形成耐蝕的保護層。,3.3.1 混凝土化學腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕影響因素,3.3.2 混凝土酸侵蝕,硫酸、鹽酸、硝酸、醋酸、甲酸、乳酸、磷酸等,影響因素：混凝土本身的特性，包括混凝土的滲透性、孔隙率、裂縫狀況等，以及混凝土結構所處的酸環境，包括酸的種類、濃度和狀態等。防止方法：用瀝青、橡膠、瀝青漆等處理混凝土表面，形成耐蝕的保護層。,3.3.3 堿骨料反應,水泥和混凝土的有關添加劑中堿性氧化物質（K2O和Na2O）與混凝土骨料中的活性物質（活性氧化硅）在常溫常壓下緩慢反應形成堿硅膠后，吸水膨脹導致混凝土破壞的現象。生成物體積膨脹（34倍）。堿骨料反應速度較慢，破壞現象多年才能發現。,堿骨料反應的必要條件是水泥中堿量較高（混凝土總堿量達到3kg/m3）； 骨料中存在活性硅（活性、粒徑、數量）； 堿骨料反應的充分條件是存在水分；,3.3.3 堿骨料反應,堿骨料反應的特點,混凝土表面產生雜亂的網狀裂縫，或在骨料周圍出現反應環； 在破壞區的試樣中可測定堿硅酸鹽凝膠； 在構件裂縫中，可以發現堿硅酸鹽凝膠失水硬化形成的白色粉狀物；,3.3.4 海水侵蝕,海水中含有大量可溶性鹽類 NaCI2，MgCl2，CaSO4，MgSO4等,構筑物與海水不直接接觸部位(潮濕空氣中氯鹽侵蝕) 海水浪濺區(干濕循環作用，鹽類膨脹銹蝕) 潮汛漲落區(最嚴重，海水沖蝕、干濕循環、凍融循環) 長期在海水中部位,3.3.5 混凝土腐蝕防治措施,選用合適的水泥品種 提高混凝土的密實性和抗滲性 增加混凝土保護層厚度 摻用火山灰質的活性摻合料 對混凝土表面進行處理 使用超耐久性混凝土,