混凝土耐久性

1、混凝土耐久性混凝土耐久性耐久性概念耐久性概念研究的必要性研究的必要性耐久性現(xiàn)狀耐久性現(xiàn)狀研究內(nèi)容研究內(nèi)容提高耐久性的措施提高耐久性的措施結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用因素的作用下，在設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)大量資金加固處理，期內(nèi)，不需要花費(fèi)大量資金加固處理，保持其安全、使用功能和外觀要求的能保持其安全、使用功能和外觀要求的能力力世界性課題，土木工程領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)世界性課題，土木工程領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)研究的必要性研究的必要性土建基礎(chǔ)設(shè)施工程主要用混凝土建造土建基礎(chǔ)設(shè)施工程主要用混凝土建造基本建設(shè)三個(gè)階段：基本建設(shè)三個(gè)階

2、段：第一階段大規(guī)模新建階段第一階段大規(guī)模新建階段第二階段大規(guī)模新建與維修改造并重第二階段大規(guī)模新建與維修改造并重第三階段維修改造階段第三階段維修改造階段發(fā)達(dá)國家進(jìn)入第三階段發(fā)達(dá)國家進(jìn)入第三階段統(tǒng)計(jì)表明，目前我國處于第二階段。混凝土結(jié)統(tǒng)計(jì)表明，目前我國處于第二階段?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性不足的問題，要比安全性不足更為嚴(yán)構(gòu)耐久性不足的問題，要比安全性不足更為嚴(yán)重，更迫切需要解決重，更迫切需要解決耐久性研究對新建結(jié)構(gòu)及維修改造都極為重要耐久性研究對新建結(jié)構(gòu)及維修改造都極為重要美國美國1998年美國土木工程學(xué)會年美國土木工程學(xué)會報(bào)告：報(bào)告：美國現(xiàn)有美國現(xiàn)有29%以上的橋梁和以上的橋梁和1/3以上的道路老化，

3、有以上的道路老化，有2100個(gè)個(gè)水壩不安全，估計(jì)需有水壩不安全，估計(jì)需有1.3萬億美元改善其安全萬億美元改善其安全狀態(tài)。狀態(tài)。到到20世紀(jì)末美國共有橋梁約世紀(jì)末美國共有橋梁約100萬座，超過萬座，超過1/4有缺陷。有缺陷。美國每年用于基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的費(fèi)用約為這些基美國每年用于基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的費(fèi)用約為這些基礎(chǔ)設(shè)施總資產(chǎn)的礎(chǔ)設(shè)施總資產(chǎn)的10%。 英國，據(jù)統(tǒng)計(jì)有英國，據(jù)統(tǒng)計(jì)有1/3的橋梁需要修復(fù)的橋梁需要修復(fù)；1996年英年英國的損失也超過了國的損失也超過了6億英鎊。億英鎊。加拿大，為修復(fù)其劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程加拿大，為修復(fù)其劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計(jì)需耗費(fèi)估計(jì)需耗費(fèi)5000億美元。億美元。日

4、本日本, , 每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用達(dá)每年用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用達(dá)400億日億日元。元。我國耐久性現(xiàn)狀我國耐久性現(xiàn)狀我國現(xiàn)在面臨的耐久我國現(xiàn)在面臨的耐久性問題是發(fā)達(dá)國家早性問題是發(fā)達(dá)國家早在二、三十年以前曾在二、三十年以前曾經(jīng)遇到過的經(jīng)遇到過的寧波北侖港碼頭混凝寧波北侖港碼頭混凝土梁土梁 建成后建成后11年年就出現(xiàn)大規(guī)模開裂現(xiàn)就出現(xiàn)大規(guī)模開裂現(xiàn)象。象。 圖圖1 寧波北侖港碼頭混凝土梁寧波北侖港碼頭混凝土梁-建成后建成后11年年圖圖2國內(nèi)外耐久性病害的工程圖片國內(nèi)外耐久性病害的工程圖片混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究四層次混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究四層次環(huán)境層次環(huán)境層次大氣環(huán)境海洋環(huán)境土壤環(huán)境工業(yè)環(huán)境材料層次

5、材料層次鋼筋銹蝕堿集料反應(yīng)水化產(chǎn)物化學(xué)侵蝕、碳化、火災(zāi)損壞、體積穩(wěn)定性孔結(jié)構(gòu)抗?jié)B性、氯離子滲透、抗凍性混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究四層次混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究四層次構(gòu)件層次構(gòu)件層次混凝土銹脹開裂模型粘結(jié)性能衰減模型構(gòu)件承載力變化模型結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)層次耐久性設(shè)計(jì)耐久性評估鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕鋼筋在混凝土的高堿性環(huán)境中，能在表面形成氧鋼筋在混凝土的高堿性環(huán)境中，能在表面形成氧化的鈍化膜，隔絕水分、氧氣與金屬的接觸，不化的鈍化膜，隔絕水分、氧氣與金屬的接觸，不會銹蝕。會銹蝕。 通過氯離子滲透和碳化作用使鈍化膜破壞，鋼筋通過氯離子滲透和碳化作用使鈍化膜破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕發(fā)生銹蝕。氯離子從混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋表面并累積

6、到臨氯離子從混凝土表面擴(kuò)散到鋼筋表面并累積到臨界濃度，鈍化膜破壞。界濃度，鈍化膜破壞。混凝土碳化發(fā)展到鋼筋表面位置，鈍化膜破壞?；炷撂蓟l(fā)展到鋼筋表面位置，鈍化膜破壞。氯鹽引起銹蝕遠(yuǎn)比碳化銹蝕嚴(yán)重。氯鹽引起銹蝕遠(yuǎn)比碳化銹蝕嚴(yán)重。鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕( (Cl-) )Cl-通過保護(hù)層滲透到鋼筋表面，破壞鈍化膜，使通過保護(hù)層滲透到鋼筋表面，破壞鈍化膜，使鋼筋由鈍化態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài)鋼筋由鈍化態(tài)轉(zhuǎn)為活化態(tài).圖圖3鈍化膜破壞示意圖鈍化膜破壞示意圖氯離子臨界濃度氯離子臨界濃度 使鋼筋脫鈍時(shí)的濃度，與混凝土密實(shí)性（水膠比）、使鋼筋脫鈍時(shí)的濃度，與混凝土密實(shí)性（水膠比）、混凝土濕度（飽水程度）等有關(guān)?；炷翝穸龋?/p>

7、水程度）等有關(guān)?；炷恋碾娮杌炷恋碾娮?與混凝土濕度、混凝土密實(shí)性等有關(guān)與混凝土濕度、混凝土密實(shí)性等有關(guān)。氧氣與水分的補(bǔ)充程度氧氣與水分的補(bǔ)充程度 與混凝土密實(shí)性、混凝土飽水程度有關(guān)。與混凝土密實(shí)性、混凝土飽水程度有關(guān)。影響鋼筋銹蝕的主要因影響鋼筋銹蝕的主要因素素表表1 相對濕度對相對濕度對鋼筋銹蝕速率的影響（微米鋼筋銹蝕速率的影響（微米/ /年）年）相對濕度相對濕度碳化引起銹蝕碳化引起銹蝕氯離子引起銹蝕氯離子引起銹蝕50097003680161901298955012299233基于材料劣化模型的計(jì)算方法基于材料劣化模型的計(jì)算方法RILEM-130 委員會報(bào)告委員會報(bào)告 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)

8、計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)1996DuraCrete 混凝土耐久性設(shè)計(jì)指南混凝土耐久性設(shè)計(jì)指南2000ACI Life-365 Computer Program 2000日本土木學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)示范書日本土木學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)示范書 2002迄今只有鋼筋的碳化銹蝕和氯離子銹蝕的劣化模型可迄今只有鋼筋的碳化銹蝕和氯離子銹蝕的劣化模型可勉強(qiáng)供工程應(yīng)用參考勉強(qiáng)供工程應(yīng)用參考混凝土的堿混凝土的堿骨料反應(yīng)骨料反應(yīng)自身化學(xué)腐蝕，混凝土使用了含有活性礦物成分的自身化學(xué)腐蝕，混凝土使用了含有活性礦物成分的砂石骨料，遇水后與混凝土中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，砂石骨料，遇水后與混凝土中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成某種膠凝體，體積膨脹，可使混凝土發(fā)生

9、脹裂形成某種膠凝體，體積膨脹，可使混凝土發(fā)生脹裂破壞。破壞。堿堿骨料反應(yīng)條件：骨料反應(yīng)條件： 有潛在活性的骨料有潛在活性的骨料 有足夠的含堿量有足夠的含堿量 有足夠的水分有足夠的水分混凝土的凍融破壞混凝土的凍融破壞混凝土中的毛細(xì)孔隙水受凍后膨脹，會產(chǎn)生很大壓混凝土中的毛細(xì)孔隙水受凍后膨脹，會產(chǎn)生很大壓力，造成混凝土損傷、開裂并剝落力，造成混凝土損傷、開裂并剝落.反復(fù)凍融使毛細(xì)孔隙內(nèi)的飽水程度不斷累積，并達(dá)反復(fù)凍融使毛細(xì)孔隙內(nèi)的飽水程度不斷累積，并達(dá)到到“臨界飽和度臨界飽和度”，這時(shí)的混凝土就會很快凍壞，這時(shí)的混凝土就會很快凍壞.防止混凝土凍融破壞的最有效手段是加入化學(xué)引氣防止混凝土凍融破壞的最

10、有效手段是加入化學(xué)引氣劑劑.鹽凍情況下，鹽能促使混凝土飽水，還能使水泥漿鹽凍情況下，鹽能促使混凝土飽水，還能使水泥漿體在受凍時(shí)產(chǎn)生很高的滲透壓力和水壓力，使混凝體在受凍時(shí)產(chǎn)生很高的滲透壓力和水壓力，使混凝土面層起皮剝落或坑蝕土面層起皮剝落或坑蝕.混凝土的化學(xué)腐蝕混凝土的化學(xué)腐蝕硫酸鹽能與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣和水化鋁酸硫酸鹽能與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣和水化鋁酸三鈣起作用，分別生成硫酸鈣和鈣礬石，均造成體三鈣起作用，分別生成硫酸鈣和鈣礬石，均造成體積膨脹，使混凝土開裂破壞積膨脹，使混凝土開裂破壞.硫酸鹽在混凝土毛細(xì)孔隙水中的濃度不斷增加并過硫酸鹽在混凝土毛細(xì)孔隙水中的濃度不斷增加并過度飽和而

11、結(jié)晶時(shí)，還會產(chǎn)生非常大的壓力，使混凝度飽和而結(jié)晶時(shí)，還會產(chǎn)生非常大的壓力，使混凝土破壞土破壞. 硅酸鹽水泥混凝土的抗酸能力差，當(dāng)接觸的水呈酸硅酸鹽水泥混凝土的抗酸能力差，當(dāng)接觸的水呈酸性（性（pH值小于值小于6.5）時(shí)就會出現(xiàn)問題）時(shí)就會出現(xiàn)問題.混凝土和鋼筋的種種劣化過程，都需要有水的混凝土和鋼筋的種種劣化過程，都需要有水的參與或以水作為媒介參與或以水作為媒介.為阻止水、氧氣為阻止水、氧氣 、二氧化碳等氣體和鹽、酸等、二氧化碳等氣體和鹽、酸等有害分子或離子侵入混凝土內(nèi)部，最根本的措有害分子或離子侵入混凝土內(nèi)部，最根本的措施就是：施就是： 增加混凝土自身的密實(shí)性和抗裂性增加混凝土自身的密實(shí)性和

12、抗裂性 增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，延緩有害物質(zhì)增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，延緩有害物質(zhì)到達(dá)鋼筋位置的時(shí)間到達(dá)鋼筋位置的時(shí)間結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因工程設(shè)計(jì)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過低工程設(shè)計(jì)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過低 工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求缺乏正常檢測與維修缺乏正常檢測與維修構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全設(shè)置水準(zhǔn)過低構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全設(shè)置水準(zhǔn)過低 幾十年來，水泥性能、混凝土養(yǎng)護(hù)和環(huán)境條件的幾十年來，水泥性能、混凝土養(yǎng)護(hù)和環(huán)境條件的巨大改變巨大改變Tab.2 我國現(xiàn)行規(guī)范（我國現(xiàn)行規(guī)范（80年代頒布）與國年代頒布）與國外比較外比較日本規(guī)范規(guī)定的更高（最低相當(dāng)于日本規(guī)范規(guī)定的更高

13、（最低相當(dāng)于C35，100年壽命為年壽命為C45 ） 配筋混凝土配筋混凝土我國我國 美國美國 英國英國最低強(qiáng)度等級最低強(qiáng)度等級C15C25C30（C25）碳化銹蝕露天雨淋碳化銹蝕露天雨淋環(huán)境下保護(hù)層厚度環(huán)境下保護(hù)層厚度板板2cm梁梁3cm3.8cm（d16）C35, 3.5cm干濕交替下干濕交替下C40，4cm嚴(yán)重凍融嚴(yán)重凍融僅水工規(guī)范僅水工規(guī)范 要求要求要求引氣要求引氣要求引氣要求引氣工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求工程施工進(jìn)度的不適當(dāng)追求養(yǎng)護(hù)不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年養(yǎng)護(hù)不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年限成倍縮少限成倍縮少 1天養(yǎng)護(hù)與天養(yǎng)護(hù)與7天養(yǎng)護(hù)，

14、可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來的天養(yǎng)護(hù)，可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來的1/4搶工省略必要檢驗(yàn)工序，使鋼筋位置出現(xiàn)偏差搶工省略必要檢驗(yàn)工序，使鋼筋位置出現(xiàn)偏差 鋼筋的保護(hù)層厚度如在施工中縮減一半，出現(xiàn)銹蝕年限將縮減鋼筋的保護(hù)層厚度如在施工中縮減一半，出現(xiàn)銹蝕年限將縮減為原來的為原來的1/4 保護(hù)層厚度的保護(hù)層厚度的510mm施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發(fā)施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發(fā)生成倍差別生成倍差別結(jié)構(gòu)各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，其質(zhì)結(jié)構(gòu)各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，其質(zhì)量在快速施工中最不易保證。量在快速施工中最不易保證。 圖圖4 養(yǎng)護(hù)條件對不

15、同水灰比混凝土養(yǎng)護(hù)條件對不同水灰比混凝土空氣滲透性的影響空氣滲透性的影響 提高混凝土耐久性的措施提高混凝土耐久性的措施基礎(chǔ)防護(hù)基礎(chǔ)防護(hù)增大密實(shí)度增大密實(shí)度加大保護(hù)層厚度加大保護(hù)層厚度使用外加劑使用外加劑 使用礦物摻合料使用礦物摻合料 附加措施附加措施鋼筋涂層防護(hù)鋼筋涂層防護(hù)耐蝕鋼筋耐蝕鋼筋電化學(xué)保護(hù)法電化學(xué)保護(hù)法犧牲陽極犧牲陽極外加電流保護(hù)法外加電流保護(hù)法 混凝土表層涂層防護(hù)混凝土表層涂層防護(hù)鋼筋表面涂層與耐腐蝕鋼筋鋼筋表面涂層與耐腐蝕鋼筋環(huán)氧樹脂涂層鋼筋環(huán)氧樹脂涂層鋼筋最廣泛的工程應(yīng)用最廣泛的工程應(yīng)用防鋼筋銹蝕的有效措施之一防鋼筋銹蝕的有效措施之一耐蝕鋼筋耐蝕鋼筋日本日本-合金鋼鋼筋合金鋼鋼筋美國，加拿大與歐洲美國，加拿大與歐洲-不銹鋼鋼筋不銹鋼鋼筋造價(jià)相對較高造價(jià)相對較高近年來發(fā)展的新興材料纖維塑料筋等惰性材料近年來發(fā)展的新興材料纖維塑料筋等惰性材料品種：碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維品種：碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維優(yōu)良特性優(yōu)良特性 ：耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高、無磁性：耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高、無磁性表表3 國際