大連理工大學網(wǎng)絡教育學院畢業(yè)論文（設計）模板--混凝土結構耐久性淺談

1、大連理工大學網(wǎng)絡教育學院畢業(yè)論文（設計）模板 網(wǎng)絡教育學院本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設 計） 題 目： 混凝土結構耐久性淺談 學習中心：福建中國海峽人才市場奧鵬學習中心24 層 次： ?？破瘘c本科 專 業(yè)： 土木工程 年 級： 2010年春季 學 號： 101019303002 學 生： 楊鈺濱 指導教師： 趙麗妍 完成日期： 2013年8月26日 iii混凝土結構耐久性淺談內容摘要混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。影響結構耐久性的因素很多，砼質量及其保護層是內在因素；環(huán)境與載荷作用則是外在因素，不同的原因會造成不同的后果。首先討

2、論了混凝土耐久性的概念，接著分析了混凝土凍融破壞、滲透破壞、堿骨料反應、碳化、鋼筋銹蝕、侵蝕性腐蝕的原因及影響因素，及提高混凝土耐久性的措施，最后進行總結展望。關鍵詞：混凝土；混凝土耐久性；混凝土凍融；混凝土材料目 錄內容摘要i引 言11 緒論21.1 混凝土耐久性問題的提出21.2 混凝土耐久性的概念22 混凝土結構耐久性問題的分析32.1 混凝土凍融破壞32.1.1 破壞機理32.1.2 影響因素42.2 混凝土滲透破壞42.2.1 破壞原因42.2.2 影響因素52.3 堿骨料反應52.3.1 破壞原因52.3.2 影響因素62.4 混凝土的碳化62.4.1 破壞原因62.4.2 影響因

3、素72.5 鋼筋銹蝕72.5.1 破壞原因72.5.2 影響因素82.6 化學侵蝕82.6.1 產生原因82.6.2 影響因素93 提高混凝土耐久性的措施104 案例分析115 結論與展望12參考文獻13附 錄14引 言 長期以來，混凝土作為土建工程中用途最廣，用量最大的建筑材料，人們一直以為其耐久性能非常強，直到20世紀70年代末期，發(fā)達國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎設施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早損壞。美國許多城市的混凝土基礎設施工程和港口工程建成后20-30年，甚至在更短的時期內就出現(xiàn)劣化。我國的基礎設施建設工程規(guī)模宏大，投入資金每年高達20000億元人民幣以上。而建設部的一項調查表明，國內大

4、多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25-30年后即需大修，處于嚴酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15-20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對較好，一般可維持50 年以上，但室外的陽臺、雨罩等露天構件的使用壽命通常僅有30-40年。橋梁、港口等基礎設施工程的耐久性問題更為嚴重，許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。海港碼頭一般使用10年左右就因混凝土順筋開裂和剝落，需要大修。所需的維修費或比重建費用更為巨大。有專家估計，我國“大干”基礎設施工程建設的高潮還可延續(xù)20年，由于忽視耐久性問題，迎接我們的還會有“大修”20 年的高潮，這個高潮可能不用很久就將到來，其耗費將倍增于當初這些工程施工建設時的投資。因此

5、，提高混凝土耐久性，延長工程使用壽命，盡量減少維修重建費用是建筑行業(yè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵。而如何提高混凝土耐久性則成為關鍵中的關鍵。1 緒論1.1 混凝土耐久性問題的提出一般混凝土建筑物的使用壽命要求在50年以上，很多國家對橋梁、水電站大壩、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆等重要結構的混凝土耐久性要求在100年以上。氣候條件適中的陸上建筑物，應要求混凝土在200年內安全使用。我國gb 500102002混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定，混凝土的耐久性設計應按照環(huán)境類別和設計使用年限進行，分為50年和100年2個耐久性預期目標，對于重大、重要工程應按照100年壽命來設計混凝土。近幾年來，我國已有不少工

6、程的混凝土設計壽命達到100年，這些工程大都結合環(huán)境條件和特點，采取專門有效的措施，以充分保證混凝土工程的耐久性設計要求。比較著名的百年工程有三峽大壩、東海大橋、南京地鐵1號線、崇明越江通道北港橋梁、重慶朝天門大橋空心橋墩、杭州灣大橋等。但是近幾十年以來，混凝土構筑物因材質劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國內外也是屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢。國際上混凝土的大量使用始于20世紀30年代，到五六十年代達到高峰。許多發(fā)達國家每年用于建筑維修的費用都超過新建的費用。過去，除了大型水利工程外，我國混凝土工程的耐久性問題長期不受重視，混凝土結構沒有達到預期的使用壽命，受環(huán)境作用過早破壞的實例很多，由此造成

7、的經濟損失也很大。由于許多工程設計只滿足荷載要求，而沒有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土構筑物存在耐久性隱患。我國在50年代興建的水電站大壩有很多已經成為“病壩”，我國的混凝土工程量在改革開放30多年來突飛猛進，可以預見，耐久性不佳的混凝土工程的劣化問題將會日趨嚴重。因此，混凝土耐久性問題越來越受到人們的重視。1.2 混凝土耐久性的概念混凝土結構的耐久性是指混凝土結構在設計確定的環(huán)境作用和維修、使用條件下，結構構件在規(guī)定的期限內保持其適用性和安全性的能力。混凝土耐久性主要包括以下幾方面：一是抗?jié)B性。即指混凝土抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能?？?jié)B性對混凝土的耐久性起著重要的作用，因為抗

8、滲性控制著水分滲入的速率，這些水可能含有侵蝕性的化合物，同時控制混凝土受熱或受冷時水的移動。二是抗凍性?；炷恋目箖鲂允侵富炷猎陲査疇顟B(tài)下，經受多次抵抗凍融循環(huán)作用，能保持強度和外觀性的能力。在寒冷地區(qū)，尤其是在接觸水又受凍的環(huán)境下的混凝土，要求具有較高的抗凍性能。三是抗侵蝕性。混凝土暴露在有化學物質的環(huán)境和介質中，有可能遭受化學侵蝕而破壞。一般的化學侵蝕有水泥漿體組分的浸出、硫酸鹽侵蝕、氯化物侵蝕、碳化等。四是堿集料反應。某些含有活性組分的骨料與水泥水化析出的koh和naoh 相互作用，對混凝土產生破壞性膨脹，是影響混凝土耐久性最主要的因素之一。2 混凝土結構耐久性問題的分析混凝土耐久性問

9、題，是指結構在所使用的環(huán)境下，由于內部原因或外部原因引起結構的長期演變，最終使混凝土喪失使用能力。即所為的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗凍失效，堿-集料反應失效，化學腐蝕失效，鋼筋銹蝕造成結構破壞等。下面作具體分析。2.1 混凝土凍融破壞混凝土凍融破壞是指混凝土在飽水或潮濕的狀態(tài)下，由于環(huán)境中溫度的正負變化，導致混凝土內部松弛產生疲勞應力，反復的凍融循環(huán)造成混凝土由表及里逐漸剝蝕的破壞現(xiàn)象?；炷涟l(fā)生凍融破壞后，破壞作用不斷積累，裂縫不斷擴大和深入，由外向里，直至混凝土破壞，而其現(xiàn)象就是從表層開始向內逐層剝落。當經過反復多次的凍融循環(huán)以后，損傷逐步積累不斷擴大，發(fā)展成互相連通的裂縫，使

10、混凝土的強度逐步降低，最終嚴重影響了結構的長期使用。2.1.1 破壞機理混凝土凍害機理的研究始于20世紀30年代，有靜水壓假說、滲透壓假說等。但由于混凝土結構凍害的復雜性，至今尚無公認的、完全反映混凝土凍害機理的理論。直至現(xiàn)在，被廣大科研學者接受的最有價值的解釋是靜水壓假說和滲透壓假說的結合，這種結合奠定了混凝土抗凍性研究的理論基礎。(1) 靜水壓假說：硬化混凝土的孔隙有凝膠孔、毛細孔、空氣泡等。各種孔隙之間的孔徑差異很大。水轉變?yōu)楸鶗r體積膨脹9，在冰凍過程中，混凝土孔隙中的部分孔溶液冰凍膨脹，迫使未結冰的孔溶液從結冰區(qū)向外遷移。孔溶液在可滲透的水泥漿體結構中移動，必須克服粘滯阻力，因而產生靜

11、水壓，形成破壞應力。靜水壓假說能解釋成熟混凝土冰凍破壞的許多表現(xiàn)，它在引氣混凝土方面的應用也較成功。但從水壓力本質來理解它的作用應是瞬時性的，隨著時間進展危險理應逐漸消失才對。然而試驗說明：混凝土冰凍破壞有時隨時間而日益劇烈、嚴重。在水泥漿冰凍時，水分的運動大多不像通常設想那樣，遠離冰凍地點而去，而恰恰是趨向冰凍地點；再次冰凍時的膨脹一般情形是隨冷卻速率增加而下降。這些都是靜水壓假說難以解釋的。(2) 滲透壓假說：滲透壓假說認為，由于混凝土孔溶液中含有鈉、鉀、鈣等鹽類，大孔中的部分溶液先結冰后，未凍溶液中鹽的濃度上升，與周圍較小孔隙中的溶液之間形成濃度差。這個濃度差的存在使小孔中溶液向已部分凍

12、結的大孔遷移。即使是濃度為0的孔溶液，由于冰的飽和蒸汽壓低于同溫下水的飽和蒸汽壓，小孔中的溶液也要向已部分凍結的大孔溶液中遷移?？梢姖B透壓是孔溶液的鹽濃度差和冰水飽和蒸汽壓差共同形成的。2.1.2 影響因素對于影響混凝土凍融破壞的主要因素總結起來大致有以下四個方面：（1）水灰比：水灰比越大，使凝土孔隙率越大，導致混凝土的吸水率增大，最終導致混凝土結構凍融破壞嚴重；（2）孔結構和孔隙特征：連通毛細孔易吸水飽和，使混凝土凍害嚴重；若為封閉孔，則不易吸水，凍害就??；（3）飽水度：若混凝土的孔隙非完全吸水飽和，冰凍過程產生的壓力促使水分向孔隙處遷移，從而降低冰凍膨脹應力，對混凝土破壞作用就??；（4）混

13、凝土自身強度：在相同的冰凍破壞應力作用下，混凝土強度越低，凍害程度就越高。2.2 混凝土滲透破壞混凝土結構的滲透破壞是指氣體、液體或者離子等有害介質在混凝土中滲透、擴散或遷移，最終導致混凝土結構受到破壞?；炷两Y構發(fā)生滲透破壞后，有害介質首先破壞結構表層混凝土，導致混凝土中發(fā)生鋼筋銹蝕、堿骨料反應等變化，而這些變化多數(shù)伴隨著體積的膨脹，膨脹產生的應力又使得混凝土進一步開裂，從而進一步加大混凝土的滲透性，使得有害介質的入侵更加迅速，導致混凝土結構循環(huán)往復產生更大范圍的破壞。因此混凝土的滲透性給有害介質提供了入侵的通道，而有害介質與混凝土發(fā)生的破壞性反應則增大了混凝土的滲透性，兩者相互促進，最終嚴

14、重影響混凝土結構的耐久性。2.2.1 破壞原因混凝土具有多種粒徑的孔隙，連通的孔隙會成為氣體、液體或有害介質進入混凝土的通道，導致混凝土破壞?；炷恋臐B透機理是水與混凝土表面接觸時，壓力差和毛細孔壓力不斷促使水分向混凝土內部遷移。隨著水分遷移的深入，水與毛細孔壁摩擦阻力增大，滲水速度隨滲透深度的增加成比例下降。當水達到混凝土相反的一側時，毛細孔壓力就會改變方向，阻礙水分的滲出。若壓力差大于孔壁摩擦阻力和毛細阻力，則水將從混凝土相反的一側滴出；若壓力差小于摩擦阻力和毛細孔阻力，則水的遷移為毛細孔遷移，此時的遷移速度取決于混凝土背水面水分的蒸發(fā)速度。2.2.2 影響因素影響混凝土滲透性的因素主要有

15、水灰比、骨料最大粒徑、混凝土養(yǎng)護方法、水泥品種、外加劑等因素。具體影響情況為：（1）混凝土的水灰比會影響混凝土孔隙的大小和數(shù)量，進而直接影響混凝土結構的密實性。水灰比越小，混凝土越密實，其抗?jié)B性越好，反之亦然。（2）由于骨料和水泥漿的界面處易產生裂隙和較大骨料下方易形成孔穴，因此在水灰比相同時，混凝土骨料的最大粒徑越大，其抗?jié)B性能越差；（3）蒸汽養(yǎng)護的混凝土，其抗?jié)B性較潮濕養(yǎng)護的混凝土要差。在干燥條件下，混凝土早期失水過多，容易形成收縮裂縫，因而降低混凝土的抗?jié)B性。而在潮濕環(huán)境中或水中硬化的混凝土，不但總孔隙率降低，而且孔徑也較小。這就增加了混凝土密實性，提高了混凝土的抗?jié)B性；（4）水泥的品種

16、、性質也影響混凝土的抗?jié)B性能。水泥的細度越大，水泥硬化體孔隙率越小，強度就越高，則其抗?jié)B性越好；（5）在混凝土中摻入某些外加劑，如減水劑等，可減小水灰比，改善混凝土的和易性，因而可改善混凝土的密實性，即提高了混凝土的抗?jié)B性能；2.3 堿骨料反應混凝土中的堿與混凝土中的活性骨料發(fā)生反應，生成膨脹性物質，導致混凝土發(fā)生膨脹破壞，稱為堿骨料反應。這種反應引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結構，使混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量等力學性能明顯下降，嚴重影響結構的安全使用性，而其反應一旦發(fā)生很難阻止，更不易修補和挽救，被稱為混凝土的“癌癥”。2.3.1 破壞原因堿骨料反應主要可分為堿與硅

17、酸、堿與碳酸鹽及堿與硅酸鹽三種反應。（1）堿-硅酸反應：是分布最廣、研究最多的堿骨料反應，該反應是指混凝土中的堿組分與骨料中的活性sio2之間發(fā)生的化學反應，其結果是導致骨料被侵蝕，生成堿-硅酸凝膠，并從周圍介質中吸收水分而膨脹，導致混凝土開裂。（2）堿-碳酸鹽反應：是指混凝土中的堿與碳酸鹽礦物產生化學反應引起混凝土的地圖狀開裂。堿-碳酸鹽反應是孔溶液中的堿與骨料中的白云石之間的反應。這一反應不是發(fā)生在骨料顆粒與水泥砂漿的表面，而是發(fā)生在骨料顆粒的內部，水鎂石mg（oh）2晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，引起混凝土的內部應力，導致混凝土開裂。（3）堿-硅酸鹽反應：是指混凝土中的堿與骨料中某些層狀

18、結構的硅酸鹽發(fā)生反應，使層狀硅酸鹽層間間距增大，骨料發(fā)生膨脹，致使混凝土膨脹開裂。2.3.2 影響因素從堿骨料反應發(fā)生的條件出發(fā)，分析該種破壞的影響因素主要是：（1）活性骨料：引起混凝土堿骨料反應的主要因素是混凝土中含有堿活性的骨料。因此在施工中盡量選擇無堿活性的骨料，在不得不采用具有堿活性的骨料時，應嚴格控制混凝土中總的堿量；（2）活性摻合料：摻用活性摻合料，如硅灰、礦渣、粉煤灰（高鈣高堿粉煤灰除外）等，對堿骨料反應有明顯的抑制效果?；钚該胶狭吓c混凝土結構中的堿起反應，反應產物均勻分散在混凝土中，而不是集中在骨料表面，不會發(fā)生有害的膨脹，從而降低了混凝土的含堿量，起到抑制堿骨料反應的作用；（

19、3）水分：堿骨料反應要有水分，如果沒有水分，反應就會大為減少乃至完全停止。因此，要防止外界水分滲入混凝土結構中以減輕堿骨料反應的危害。2.4 混凝土的碳化混凝土的碳化作用是指空氣中的二氧化碳氣體滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應生成碳酸鈣和水，使混凝土堿度降低的過程，這一過程又稱混凝土的中性化。2.4.1 破壞原因碳化的化學反應式為：ca（oh）2co2caco3h2o混凝土的碳化反應結果有兩個方面：一方面，反應生成碳酸鈣和其他固態(tài)物質會堵塞在混凝土孔隙中，使混凝土的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續(xù)co2的擴散，使混凝土密實度提高；另一方面，孔隙中的ca(oh)2濃度及ph值降低，導致

20、鋼筋脫鈍而銹蝕。2.4.2 影響因素影響混凝土碳化的因素有很多，但概括其主要因素有兩方面，一方面是材料因素，另一方面是環(huán)境條件因素。（1）材料方面：不同的水泥，其礦物組成、混合材量、外加劑、生料化學成分不同，直接影響水泥的活性和混凝土的堿度，對碳化速度有著重要的影響。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。不同的骨料品種和粒徑級配不同，其內部孔隙結構差別很大，直接影響混凝土的密實性。其材質致密堅實，級配好的骨料混凝土，其碳化的速度較慢。水灰比的角度，在水泥用量一定的條件下，增大水灰比，其混凝土的孔隙率增加，密實度降低，滲透性增大，空氣中的水分及有害物質較多的侵入混凝土內部，加快混凝土

21、的碳化。（2）環(huán)境條件：溫度對混凝土碳化表現(xiàn)在當溫度下降較大時，混凝土表面收縮產生拉力，一旦超過混凝土的抗拉強度，使得混凝土表面開裂，為二氧化碳和水分滲入創(chuàng)造條件，加速混凝土碳化；另外，溫度高時，二氧化碳在空氣中的擴散系數(shù)較大，為其余氫氧化鈣反應提供了有利條件，陽光的照射加速了其反應的碳化速度。另外，影響混凝土碳化程度的因素還有養(yǎng)護方法和齡期，混凝土強度，相對濕度，co2濃度等等。2.5 鋼筋銹蝕混凝土中水泥水化后，會生成堿性的氫氧化鈣，導致混凝土孔隙中的水分有很高的堿性，在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，因此在正常情況下鋼筋不會銹蝕；但鈍化膜一旦破壞，在有足夠水和氧氣條件下會產生電化腐蝕。混凝

22、土中鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產物，同時向周圍混凝土孔隙中擴散?；炷林械匿摻钿P蝕后，一方面會使鋼筋有效截面減小，另一方面，銹蝕產物體積膨脹使混凝土保護層脹裂甚至脫落，鋼筋混凝土之間的粘結作用下降。2.5.1 破壞原因混凝土中鋼筋銹蝕的實質是電化學腐蝕。主要表現(xiàn)為鋼筋在外部介質作用下發(fā)生電化學反應，逐步生成氫氧化鐵（即鐵銹）等，鐵銹的體積會比原金屬增大24倍，產生膨脹壓力，造成混凝土順筋裂縫，從而成為腐蝕介質滲入鋼筋的通道，加快結構的損壞。2.5.2 影響因素鋼筋銹蝕的開始是從鋼筋周圍的鈍化膜破壞開始的，因此影響混凝土結構鋼筋銹蝕的因素主要有：（1）混凝土液相ph值：鋼筋銹

23、蝕速度與混凝土液相ph值有密切關系。當ph值大于10時，鋼筋銹蝕速度很??；而當ph值小于4時，鋼筋銹蝕速度急劇增加。（2）混凝土密實度和保護層厚度：混凝土越密實，破壞性介質越不容易進入混凝土腐蝕鋼筋；保護層厚度對鋼筋銹蝕的影響呈線性關系，因此世界各國規(guī)范對保護層厚度都作了規(guī)定。（3）水泥品種和摻合料：粉煤灰等礦物摻合料能降低混凝土的堿性，從而影響鋼筋銹蝕破壞。2.6 化學侵蝕一些侵蝕性介質，比如酸、堿、硫酸鹽、壓力動水等，侵入混凝土，可能會造成混凝土的化學腐蝕?；瘜W腐蝕主要有三類，分別為溶出性侵蝕、溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕。2.6.1 產生原因（1）溶出性侵蝕：對于一些密實性較差、滲透性較大的混

24、凝土，在一定壓力的流動水中，水化產物ca（oh）2會不斷溶出并流失。ca（oh）2的溶出使水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣失去穩(wěn)定性而水解、溶出，這些水化產物的溶出使混凝土的強度不斷降低。（2）溶解性侵蝕：溶解性侵蝕分為酸侵蝕和堿侵蝕兩類。當環(huán)境水的ph值小于6.5時，會對混凝土造成酸侵蝕；由于水泥的水化會生成堿性物質，因此混凝土中呈堿性，當堿在一定的濃度（15%以下）、溫度（低于50）時，堿對混凝土的侵蝕作用很小，但是對于高濃度的堿溶液或者熔融狀堿會對混凝土產生侵蝕作用。（3）膨脹性侵蝕：硫酸鹽與混凝土的水化產物發(fā)生化學反應，對混凝土產生膨脹破壞作用，是典型的膨脹性侵蝕。2.6.2 影響因素結構的密實程度和孔隙特征對混凝土化學侵蝕會有所影響；結構密實和孔隙封閉的混凝土，環(huán)境水不易侵入，故其抗侵蝕性較強。第三章開始另起一頁。閱后刪除此文本框3 提高混凝土耐久性的措施（可以從混凝土材料、結構設計、工程施工等方面出發(fā)，提出提高混凝土耐久性的措施。也可以從第二章中所提到的各耐久性失效現(xiàn)象出發(fā)，提出避免或補救相關