1、混凝土耐久性DURABILITY of CONCRETEDURABILITY of CONCRETE概 念混凝土耐久性 混凝土材料在長期使用過程中，抵抗因服役環境外部因素和材料內部原因造成的侵蝕和破壞，而保持其原有性能不變的能力。混凝土構筑物的服役壽命 混凝土構筑物受到其服役環境因素的侵蝕和破壞，導致其使用性能下降到最低設計值時，所經歷的時間(年)。混凝土耐久性的重要性保證混凝土構筑物運行的安全性延長混凝土構筑物的服役壽命節約混凝土構筑物維護成本節約自然資源，減少消耗改善人類居住的環境條件鋼筋混凝土橋梁的侵蝕損毀拆除前的西直門橋一座橋何以只有二十年壽命？冰島一港口混凝土路面受鹽凍剝落混凝土路面

2、受鹽凍剝落堿骨料反應引起混凝土的自由變形產生網狀裂縫Map Cracking堿骨料反應引起混凝土的自由變形產生網狀裂縫堿骨料反應引起的錯位硫酸鹽侵蝕引起的大壩破壞混凝土性能劣化的模式組成改變體積膨脹、裂縫表面開裂表面剝落溶蝕磨損結構酥松承載力下降彈性模量降低質量損失體積增長導致混凝土性能劣化的因素外部環境因素： 水、風化、凍融、化學腐蝕、磨損、氣體等； 材料內部原因： 堿骨料反應、體積變化、吸水性、滲透性等。 混凝土內部可蒸發水的可逆性和隨之引起或產生的有害作用是導致混凝土劣化的重要原因。混凝土耐久性的內容抗滲性 抗凍性 耐腐蝕性 抗碳化性 堿骨料反應 耐火性耐磨性與抗沖刷性混凝土的劣化分為兩

3、大類：u 第一類，由水、空氣和其它侵蝕性介質滲透進入混凝土的速率所決定。 化學的：鋼筋銹蝕、堿-骨料反應、硫酸鹽、海水和酸的侵蝕、碳化； 物理的：凍融、鹽結晶、火災等。u 第二類，是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機理。一、混凝土的抗滲性 Permeability of ConcretePermeability of Concrete定義：混凝土抵抗壓力水(油、液體)滲透的能力，稱為抗滲性。評價指標：抗滲標號P以28d齡期的混凝土標準試件，按標準方法進行抗滲試驗，以6個試件中4個試件未出現滲水時的最大水壓確定，計算式如下： P = 10H 1 式中：P抗滲標號； H6個試件，3個試件出現滲水時

4、的水壓力(MPa)。 水的滲透與混凝土的劣化：v對許多建筑材料來說，水是它們生產過程的重要原料之一，同時也是它們破壞過程的主要介質。v水也是多數結構混凝土出現耐久性問題的核心。不僅物理劣化過程與水有關；同時作為傳輸侵蝕性離子的介質，水又是其化學劣化過程的一個根源。v混凝土的抗滲性是反映混凝土耐久性的一個重要指標為什么混凝土會滲水 混凝土內部存在孔隙通道是其滲水的根本原因！ 孔隙通道包括：混凝土中可蒸發水蒸發后留下的孔道；拌合物泌水時在骨料和鋼筋下方形成的水囊與水膜；混凝土各種原因引起的體積變形所產生的收縮裂縫；混凝土在荷載作用下的變形 1、高孔隙率、低滲透性4、多孔、高滲透性3、多孔、低滲透性

5、2、低孔隙率、高滲透性孔隙率、孔隙特征與滲透性的關系混凝土抗滲性的影響因素混凝土的配合比水灰比膠凝材料(水泥礦物外加劑)用量澆注成型工藝混凝土的攪拌混凝土的震搗養護條件濕度溫度齡期工程實踐證明： 采用適宜的原材料及良好的生產、澆筑與養護操作，當水泥用量為300350Kg/m3、水灰比0.450.55，制備出28d抗壓強度為3540MPa的混凝土，在大多數環境條件下可以呈現足夠低的滲透性和良好的耐久性能。 二、混凝土抗凍性Frost Resistance of Concrete三問？混凝土抗凍性的含義是什么？混凝土凍融破壞機理和劣化模式有哪些？如何改善混凝土抗凍性？什么是混凝土的抗凍性 定義：在

6、吸水飽和狀態下，混凝土能夠經受多次凍融循環而不破壞，也不顯著降低其強度的性能，稱為混凝土的抗凍性。凍 害什么引起凍害?混凝土內部孔中的水結冰水結冰使體積膨脹9%。凍害破壞影響到水泥石和骨料凍害破壞的外觀模式剝落 龜裂、分層構筑物的什么位置最易受損?北方氣候混凝土路面、橋面板、擋土墻混凝土的凍融破壞原因與模式 原因：混凝土中大毛細孔里的水結冰時，體積大約要膨脹9 %如果體內沒有足夠的空間容納，就會產生可能引起開裂的壓力作用于孔縫的壁上，導致孔縫擴展和連接反復的凍融循環使危害擴大和積累，孔縫不斷增多，并擴展和連通，造成強度下降破壞模式：表面出現缺棱、掉角、脫皮等現象質量損失強度、彈性模量下降凍害造

7、成D-型裂縫路面受鹽凍剝落鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞鐵路橋梁的凍害剝落破壞提高混凝土抗凍性的方法水泥石抗凍性：低水灰比保證混凝土良好的養護引氣劑骨料的抗凍性選用抗凍骨料混凝土中孔隙尺寸和水的存在引入的氣孔: 攪拌中引入的孔隙孔徑為10mm-1cm; 通常是空的。外加劑引入的氣孔孔徑為0.1-0.2 mm; 一般是干燥的。毛細孔：由可蒸發水揮發留下的孔徑為0.01-5mm; 含水; 水的冰點為-1C -8C ，取決于孔隙水中離子濃度。凝膠孔： C-S-H凝膠內部的孔，其孔徑為 1-10nm; 含有化學結合水; 由于化學鍵而抗凍，典型冰點為-78C不是混凝土中的孔都對凍害有利。引

8、入的氣孔作用機理水壓很高，可使毛細孔間的水泥石破壞；引入的氣孔可以釋放水壓，避免高壓水的產生；大量的空氣泡減小了水釋放的平均距離；引起的氣孔有利于混凝土抗凍害性能的改善摻引氣劑前摻引氣劑后可提高抗凍性三、混凝土硫酸鹽侵蝕Sulfate Attack on Concrete1、混凝土的硫酸鹽侵蝕什么導致混凝土硫酸鹽侵蝕： 硫酸根離子與混凝土中水泥水化物之間的化學反應，形成有害化合物，而導致混凝土組成和結構的破壞、強度下降、表面剝離等。硫酸根離子的來源：海水有機物環境(垃圾、生活污水)工業廢料土壤和地下水水泥熟料2、混凝土硫酸鹽侵蝕的劣化模式劣化模式 體積膨脹 開裂 (從構件的邊緣和角上開始) 表

9、面剝落、質量損失 強度下降 外觀劣化發白最易發生的部位大壩橋墩地下基礎水工設施受硫酸鹽侵蝕的混凝土或砂漿試件外觀劣化(1)鈣礬石型侵蝕機理外部硫酸根離子滲入水泥石中；與單硫型硫鋁酸鈣、氫氧化鈣、水反應形成鈣礬石： C C4 4AHAH1818+2CH+3SO+2CH+3SO4 42 2+12H = C+12H = C6 6A A3 3H H3232 3C 3C3 3A A3CH+3SO3CH+3SO4 42 2+29H+29H C C6 6A A3 3H H3232鈣礬石體積膨脹產生拉應力拉應力導致混凝土內部開裂破壞鈣礬石形成(2)石膏型侵蝕機理化學反應： 硫酸根離子滲入混凝土中的水泥石內；與

10、氫氧化鈣CH反應，形成二水石膏： CH + + H = CH2石膏的形成導致強度降低，接著膨脹、開裂，將水泥石轉變為糊狀、無膠結力的物質。硫酸鹽溶液中陽離子(Na+ 、Mg2+ )的不同，可能將C-S-H凝膠轉變為石膏。硫酸鈉侵蝕:Na2SO4+CH+2H = CaSO4.2H2O+2NaOH硫酸鎂侵蝕：MgSO4+CH+2H = CaSO4.2H20+Mg(OH)23MgSO4+3C-S-H+18H = 3(CaSO4).2H2O +3Mg(OH)2 +2SiO2.H2O(3)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕硫酸根離子SO42侵入硬化混凝土中，在碳酸鹽或CO32或CO2的存在下，與C-S-H凝膠反應就

11、形成碳硫硅鈣石 ：3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O 碳硫硅鈣石是一種糊狀、松軟、毫無膠凝能力的物質,因而能使水泥石變成糊狀、無粘結力的物體，嚴重破壞混凝土的結構，降低混凝土的強度。同時也會伴有膨脹性破壞，但膨脹性破壞不是碳硫硅鈣石導致的典型破壞。 碳硫硅鈣石的形成反應機理圖碳化層，pH7-8反應區水泥水化物硫酸鹽溶液碳硫硅鈣石4、如何阻止混凝土的硫酸鹽侵蝕提高混凝土的質量和抗滲性(減水劑)限制水泥中 C3A 礦物含量5中低熱水泥抗硫酸鹽水泥 摻加火山灰質礦物外加劑15% 偏高嶺土35% 磨細礦渣6% 硅灰 20%

12、低鈣粉煤灰表面涂層保護四、混凝土的酸腐蝕 由于混凝土中硬化水泥漿體呈高堿性，沒有任何硅酸鹽水泥混凝土可以耐酸腐蝕。但如果注意降低滲透性并且養護良好，也能夠生產出在弱酸環境中足夠耐久的混凝土。酸腐蝕機理：加速溶蝕 Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2H2OC-S-H 分解成硅凝膠： 3Cao2SiO23H2O + 6H+ 3Ca2+ 2(SiO23nH2O) +6H2O破壞模式：表面溶蝕為主五、堿骨料反應 Alkali-Aggregate Reaction (AAR)什么是堿骨料反應？堿骨料反應的破壞形式和機理有哪些？如何抑制混凝土中的堿骨料反應什么是堿骨料反應？ 最常見、最重要的反應是

13、堿硅反應(簡稱ASR)，它是骨料中所含的無定形硅與孔隙里含堿(鈉、鉀、鈣的氫氧化物)的溶液反應，生成易于吸水膨脹的堿-硅凝膠，當結構物暴露在潮濕環境中，混凝土體內相對濕度超過85%時，就會出現膨脹，直到引起混凝土開裂與破壞。掃描電鏡下的堿性反應凝膠堿硅反應 (ASR)“混凝土的癌癥”堿硅反應是下列物質間的反應 硅酸鹽水泥中的堿金屬離子 氫氧根離子 骨料中的硅成分ASR 膨脹機理當膨脹壓超過混凝土的抗拉強度時，混凝土將開裂。ASR劣化機理混凝土模型： 水泥石paste 活性硅骨料水泥石中的堿金屬離子與骨料中的活性硅反應在骨料表面形成堿硅凝膠ASR ASR 膨脹機理當裂縫到達混凝土構件表面，就產生

14、“龜裂” “map cracking” .ASR 破壞實例ASR破壞的鐵路軌枕ASR破壞的橋墩ASR破壞的防護板，并導致鋼筋銹蝕破壞ASR破壞的道路路面堿骨料反應影響因素水泥或混凝土的含堿量 ；活性氧化硅含量 ；骨料粒徑 ；水分來源 ；環境溫度。抑制ASR的措施限制堿含量低堿水泥限制其它來源：l鹽污染的骨料l防止海水滲入l化冰鹽溶液滲入混凝土中水泥用量限制活性骨料保持干燥抑制ASR的措施利用火山灰質礦物外加劑 25%低鈣粉煤灰 40-50%)的礦渣 7-15%硅灰 7-15%天然火山灰引氣劑 引入氣泡緩解膨脹壓力，減少有害膨脹結構設計限制水滲入(排水)避免化冰鹽的積累提高密實度表面質量抑制堿骨

15、料反應的措施選擇非活性骨料；選擇含堿量0.6的水泥；摻加活性混合材，如：硅灰、粉煤灰等；提高混凝土的密實性或阻止水分滲入。六、混凝土的抗碳化性 定義：碳化是指環境中的CO2與混凝土水泥石中的Ca(OH) 2作用生成碳酸鈣和水，從而降低混凝土中堿度的現象。危害：由于堿度的降低，混凝土中的鋼筋失去保護膜，引起鋼筋銹蝕；混凝土表面出現碳化收縮，導致微裂縫的產生，降低混凝土的強度和耐久性。影響因素：CO2濃度、相對濕度、混凝土的密實度、水泥品種和摻和料等。七、混凝土中鋼材的銹蝕由于混凝土內的強堿性使得鋼筋表面形成鈍化膜，從而鋼筋在混凝土中不會銹蝕。如果鋼筋表面鈍化膜被破壞，則鋼筋就會發生電化學腐蝕銹蝕

16、破壞混凝土中鋼筋銹蝕，引起體積膨脹27倍，導致混凝土保護層開裂破壞混凝土中鋼材的鈍化會由于下列原因被破壞：混凝土中的Ca(OH)2被空氣里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中和而失去堿性；道路除冰鹽或海水帶進來的氯離子的作用。 鋼筋銹蝕導致混凝土構件破壞的幾種形式鋼筋銹蝕導致混凝土構件破壞的幾種形式混凝土中鋼材的銹蝕Steel Corrosion in Concrete1)碳化引起的銹蝕條件：CO2 、水分(相對濕度5070%時最迅速)；2)氯化物引起的銹蝕條件：氯離子擴散、氧與水分；與保護層厚度、水灰比、水泥用量等有關。 下列幾種新措施，可以在原材料選擇、配合比設計、保護層厚度與施工過程的

17、基礎上，進一步改善對鋼材腐蝕的防護作用： 1)在新拌混凝土里摻用阻銹劑，如亞硝酸鈣； 2)用不銹鋼作為配筋，或環氧涂層鋼筋； 3)混凝土采用涂層保護，減少氯鹽與氧的侵入； 4)對鋼筋進行陰極保護，即外加電壓以保持鋼筋處于陰極區。 混凝土中鋼材銹蝕的防護措施提高混凝土耐久性的主要措施 混凝土的耐久性主要取決于組成材料的品質和混凝土本身的密實性及孔隙特征。因此，提高混凝土的耐久性應在這兩方面采取措施 1)根據工程所處環境及使用條件，合理選擇水泥品種；2)選用較小的水灰比，盡量減少拌和用水量，以減少多余水(23%的水泥質量以外的水)造成的各種孔隙和因泌水所形成的滲水通道；混凝土中應有足夠的水泥用量，以保護鋼筋不致生銹，且粘結牢固。3)摻用引氣劑或減水劑； 4)改善施工方法，提高施工質量。做到攪拌透澈、灌注均勻、振搗密實、加強養護。5)表面處理，提高混凝土表面層的密實度，