混凝土結(jié)構(gòu)及材料安全與耐久性2018

1、混凝土結(jié)構(gòu)及材料安全與耐久性中鐵建股份公司總工程師培訓(xùn)班西南交通大學(xué)二0一八年五月1、混凝土結(jié)構(gòu)安全性 混凝土結(jié)構(gòu)安全性的定義 混凝土結(jié)構(gòu)的安全性是指在正常施工和正常使用下混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件承受可能出現(xiàn)的各種外界作用、并能防止破壞、倒塌、保護(hù)人員和設(shè)備安全的能力，包括偶然突發(fā)事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍然保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。概述第一種情況：正常第二種情況：偶然突發(fā)保證安全性能穩(wěn)定混凝土結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)原則顯然，荷載的標(biāo)準(zhǔn)值和荷載與材料強(qiáng)度的安全系數(shù)規(guī)定得越高，就表示結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)越高，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)就越安全?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性是建筑工程質(zhì)量的重要保證，是命根結(jié)構(gòu)需要承受的負(fù)荷以及結(jié)構(gòu)的材料性能

2、、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工質(zhì)量等均存在著許多不確定性結(jié)構(gòu)必須承受的負(fù)荷設(shè)計(jì)值應(yīng)該是荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以大于1的荷載安全系數(shù)的放大值因同時在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件所具有的承載能力時應(yīng)該將材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值除以大于1的材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)的縮小值規(guī)范規(guī)定做預(yù)為什么要做安全性設(shè)計(jì)-要有安全依據(jù)，心中有底兩個富余量：1、構(gòu)件承受荷載能力富余量；2、材料性能的富余量2、混凝土耐久性概念及結(jié)構(gòu)服役壽命混凝土耐久性 混凝土材料在長期使用過程中，抵抗因服役環(huán)境外部因素和材料內(nèi)部原因造成的侵蝕和破壞，而保持其原有性能不變的能力?；炷翗?gòu)筑物的服役壽命 混凝土構(gòu)筑物受到其服役環(huán)境因素的侵蝕和破壞，導(dǎo)致其使用性能下降到最低設(shè)計(jì)值時，所經(jīng)歷的時

3、間(年)?；炷聊途眯缘闹匾?保證運(yùn)行安全長期使用性能不變環(huán)境嚴(yán)酷經(jīng)歷時間性能失限各種環(huán)境保證混凝土構(gòu)筑物運(yùn)行的安全性延長混凝土構(gòu)筑物的服役壽命節(jié)約混凝土構(gòu)筑物維護(hù)成本節(jié)約自然資源，減少消耗改善人類居住的環(huán)境條件延長服役壽命節(jié)約維護(hù)成本減少資源消耗改善居住環(huán)境時髦的話:保證美好生活的長久性橋梁病害鋼筋混凝土的侵蝕損毀大量的混凝土耐久性問題開裂剝落碎掉鋼筋銹蝕冰島一港口混凝土路面受鹽凍剝落大量的混凝土耐久性問題剝落坑洼硫酸鹽侵蝕引起的大壩破壞堿骨料反應(yīng)引起的錯位堿骨料反應(yīng)引起混凝土的自由變形產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫大量的混凝土耐久性問題錯位破碎脫落裂縫裂縫3、混凝土性能劣化的模式性能劣化模式組成改變體積膨

4、脹結(jié)構(gòu)酥松強(qiáng)度下降彈模降低開裂剝落質(zhì)量損失溶蝕磨損環(huán)境因素水風(fēng)化凍融化學(xué)腐蝕磨損氣體4、導(dǎo)致混凝土性能劣化的因素內(nèi)部原因化學(xué)反應(yīng)體積變化吸水吸濕滲透滲流5、混凝土耐久性的內(nèi)容兩大類內(nèi)容第一類：由水、空氣和其它侵蝕性介質(zhì)滲透進(jìn)入混凝土的速率所決定第二類：是磨耗、沖磨與空蝕，涉及一些另外的機(jī)理。 化學(xué)的：鋼筋銹蝕、堿-骨料 反應(yīng)、硫酸鹽、海水和酸的 侵蝕、碳化； 物理的：凍融、鹽結(jié)晶、火 災(zāi)等。主要涉及工作抗?jié)B性、抗凍性 耐腐蝕性、抗碳化性 抑制堿骨料反應(yīng) 耐火性、耐磨性與抗沖刷性對配筋混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別及作用等級環(huán)境類別環(huán)境作用等級環(huán) 境 條 件結(jié)構(gòu)構(gòu)件示例一般環(huán)境-A室內(nèi)干燥環(huán)境常年干燥、低

5、濕度環(huán)境中的室內(nèi)構(gòu)件；所有表面均永久處于靜水下的構(gòu)件永久的靜水浸沒環(huán)境-B非干濕交替的室內(nèi)潮濕環(huán)境中、高濕度環(huán)境中的室內(nèi)構(gòu)件；不接觸或偶爾接觸雨水的室外構(gòu)件；長期與水或濕潤土體接觸的構(gòu)件非干濕交替的露天環(huán)境長期濕潤環(huán)境-C干濕交替環(huán)境與冷凝水、露水或與蒸汽頻繁接觸的室內(nèi)構(gòu)件；地下室頂板構(gòu)件；表面頻繁淋雨或頻繁與水接觸的室外構(gòu)件；處于水位變動區(qū)的構(gòu)件凍融環(huán)境-C微凍地區(qū)的無鹽環(huán)境混凝土高度飽水微凍地區(qū)的水位變動區(qū)構(gòu)件和頻繁受雨淋的構(gòu)件水平表面嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的無鹽環(huán)境混凝土中度飽水嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)受雨淋構(gòu)件的豎向表面-D嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的無鹽環(huán)境混凝土高度飽水嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的水位變動區(qū)構(gòu)件和頻繁受雨淋

6、的構(gòu)件水平表面微凍地區(qū)的有鹽環(huán)境混凝土高度飽水有氯鹽微凍地區(qū)的水位變動區(qū)構(gòu)件和頻繁受雨淋的構(gòu)件水平表面嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的有鹽環(huán)境混凝土高度飽水有氯鹽嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)受雨淋構(gòu)件的豎向表面-E嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的有鹽環(huán)境混凝土高度飽水有氯鹽嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的水位變動區(qū)構(gòu)件和頻繁受雨淋的構(gòu)件水平表面6、混凝土耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別環(huán)境作用等級環(huán) 境 條 件結(jié)構(gòu)構(gòu)件示例氯化物環(huán)境-C水下區(qū)和土中區(qū)；周邊永久浸沒于海水或埋于土中橋墩，基礎(chǔ)-D大氣區(qū)（輕度鹽霧）距平均水位15 m高度以上的海上大氣區(qū)；漲潮岸線以外100300 m內(nèi)的陸上室外環(huán)境橋墩，橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件；靠海的陸上建筑外墻及室外構(gòu)件-E大氣區(qū)（重度鹽霧）距

7、平均水位上方15 m高度以內(nèi)的海上大氣區(qū)；離漲潮岸線100 m以內(nèi)、低于水平面以上15 m的陸上室外環(huán)境橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件；靠海的陸上建筑外墻及室外構(gòu)件潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，非炎熱地區(qū)橋墩，碼頭-F潮汐區(qū)和浪濺區(qū)，非炎熱地區(qū)橋墩，碼頭除冰鹽氯化物環(huán)境-C受除冰鹽鹽霧輕度作用離開行車道10 m以外接觸鹽霧的構(gòu)件四周浸沒于含氯化物水中地下水中構(gòu)件接觸較低濃度氯離子水體，且有干濕交替處于水位變動區(qū)，或部分暴露于大氣、部分在地下水土中的構(gòu)件-D受除冰鹽水溶液輕度濺射作用橋梁護(hù)墻、立交橋橋墩接觸較高濃度氯離子水體，且有干濕交替海水游泳池壁；處于水位變動區(qū)，或部分暴露于大氣、部分在地下水土中的構(gòu)件-E直接接觸除冰

8、鹽溶液路面，橋面板，與含鹽滲漏水接觸的橋梁帽梁、墩柱頂面受除冰鹽水溶液重度濺射或重度鹽霧作用橋梁護(hù)欄、護(hù)墻，立交橋橋墩；車道兩側(cè)10 m以內(nèi)的構(gòu)件接觸高濃度氯離子水體，有干濕交替處于水位變動區(qū)，或部分暴露于大氣、部分在地下水土中的構(gòu)件化學(xué)腐蝕環(huán)境-C汽車或機(jī)車廢氣受廢氣直射的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，處于封閉空間內(nèi)受廢氣作用的車庫或隧道構(gòu)件-D酸雨（霧、露）pH值4.5遭酸雨頻繁作用的構(gòu)件-E酸雨pH值 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

9、.H2OXRD分析證明：上圖，未受侵蝕的水泥石的XRD圖譜；中圖，表明石膏型硫酸鹽侵蝕，在水泥石中形成大量石膏；下圖，表明鈣礬石和石膏混合型硫酸鹽侵蝕G: 石膏E: 鈣礬石碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕碳硫硅鈣石的形成硫酸根離子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(yīng)就形成碳硫硅鈣石 3Ca2+ SO42+ CO32+ C-S-H+12H2O Ca3Si(OH)6(CO3) (SO4)12H2O 碳硫硅鈣石的破壞碳硫硅鈣石是一種糊狀、松軟、毫無膠凝能力的物質(zhì),因而能使水泥石變成糊狀、無粘結(jié)力的物體，嚴(yán)重破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，降低混凝土的強(qiáng)度。同時也會伴有膨脹性破壞

10、，但膨脹性破壞不是碳硫硅鈣石導(dǎo)致的典型破壞。腐蝕最易發(fā)生部位 低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物 地下基礎(chǔ) 潮濕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物 橋墩隧道碳硫硅鈣石4、如何阻止混凝土的硫酸鹽侵蝕提高混凝土的質(zhì)量和抗?jié)B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 加火山灰質(zhì)摻合料15% 偏高嶺土35% 磨細(xì)礦渣6% 硅灰 20% 低鈣粉煤灰表面涂層保護(hù)水泥中C3A含量與混凝土試件硫酸鹽侵蝕體積變化時 間(年)膨脹率()混凝土硫酸鹽侵蝕膨脹率與水灰比的關(guān)系時間(年)膨脹率()粉煤灰對混凝土硫酸鹽侵蝕膨脹率的影響時間(年)膨脹率()四、堿骨料反應(yīng)1、什么是堿-骨料反應(yīng)？堿硅反應(yīng)是下列物質(zhì)間反應(yīng)硅酸鹽水泥中的 堿金

11、屬離子氫氧根離子骨料中的硅成分堿骨料反應(yīng)破壞形式膨脹與開裂損失強(qiáng)度粘性堿-硅物質(zhì) 的溢出 或滲出發(fā)生的部位：濕環(huán)境 (大壩, 橋墩, 海堤)暴露環(huán)境 (道路, 建筑外部)掃描電鏡下的堿性反應(yīng)凝膠2、堿-硅酸反應(yīng)(ASR) 膨脹機(jī)理反應(yīng)速度取決于：骨料中硅的活性水泥中堿含量 (wt% Na2O 等價(jià).)堿硅凝膠(AS)是膨脹的主體吸附腫脹理論：骨料周圍形成的堿硅凝膠的吸水腫脹和混凝土孔中水的遷移受阻，因而產(chǎn)生膨脹壓。滲透壓理論 ： 骨料周圍形成的AS 凝膠是一個半透膜，它只允許一個方向流動：堿金屬離子和OH離子擴(kuò)散進(jìn)入骨料表面，但硅離子不能從骨料表面滲出，產(chǎn)生滲透壓。氫氧根離子破壞了骨料中的硅氧

12、結(jié)構(gòu)硅形成堿硅凝膠(AS gel)堿硅凝膠與水接觸產(chǎn)生腫脹混凝土模型： 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(yīng)在骨料表面形成堿硅凝膠當(dāng)膨脹壓超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土將開裂。常見的堿骨料反應(yīng)最簡單的破壞形式表述當(dāng)裂縫到達(dá)混凝土構(gòu)件表面，就產(chǎn)生“龜裂”骨料界面過渡區(qū)未受損的混凝土 ASR損壞的混凝土堿硅凝膠(AR Gel)2、ASR 破壞實(shí)例破壞的鐵路軌枕破壞的橋墩破壞的防護(hù)板，并導(dǎo)致鋼筋銹蝕破壞杭州清泰門立交橋3、堿骨料反應(yīng)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(huán)境溫度?；炷林械膲A含量與其膨脹的關(guān)系如果堿含量低于0.6%,

13、膨脹不會發(fā)生水泥中堿含量對ASR引起的破壞的影響相對濕度低于80，膨脹很小4、抑制ASR的措施總體來說抑制堿骨料反應(yīng)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(shí)性或阻止水分滲入（1）限制堿含量：低堿水泥、限制其它來源（鹽污染 的骨料、防止海水滲入、化冰鹽溶液滲入）、混 凝土中水泥用量（2）限制活性骨料（3）保持干燥（4）利用火山灰質(zhì)礦物：25%低鈣粉煤灰、 40-50%)的 礦渣、 7-15%硅灰、 7-15%天然火山灰（5）引氣劑：引入氣泡緩解膨脹壓力，減少有害膨脹（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：限制水滲入(排水)、避免化冰鹽積累、 提高密實(shí)度、表面質(zhì)量

14、五、混凝土的抗碳化性 ：碳化是指環(huán)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(xiàn)象。 ：由于堿度的降低，混凝土中的鋼筋失 去保護(hù)膜，引起鋼筋銹蝕；混凝土表 面出現(xiàn)碳化收縮，導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生， 降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。 ：CO2濃度、相對濕度、混凝土的密實(shí) 度、水泥品種和摻和料等。影響危害定義六 、混凝土的 抗火性 隨著溫度升高，發(fā)生以下三種變化： 升溫時混凝土內(nèi)的水分逐漸蒸發(fā)，接著結(jié)合比較牢固的水分也逐步逸出； 由于硬化水泥漿體和骨料熱膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生溫度應(yīng)力并導(dǎo)致過渡區(qū)開裂，這是500以上時強(qiáng)度迅速喪失的主要原因。石灰石和輕骨料混凝土抗火

15、性能較優(yōu)異。 硬化水泥漿體的水化產(chǎn)物到接近1000的時候分解完畢，強(qiáng)度完全喪失。 混凝土強(qiáng)度隨溫度的變化七、混凝土中鋼材的銹蝕如果鋼筋表面鈍化膜被破壞，則鋼筋就會發(fā)生電化學(xué)腐蝕銹蝕破壞混凝土中鋼筋銹蝕，引起體積膨脹27倍，導(dǎo)致混凝土保護(hù)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(jìn)來的氯離子的作用。 1、鋼筋不會銹蝕原因 由于混凝土內(nèi)的強(qiáng)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。2、鋼筋產(chǎn)生銹蝕、危害及原因鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件破壞的幾種形式3、兩種引起鋼筋銹蝕原因分析1）

16、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(kuò)散、氧 與水分； 與保護(hù)層厚度、水灰比、水泥用量等有關(guān)。 4、混凝土中鋼材的銹蝕過程產(chǎn)生開裂的時間分兩個階段: 1) 脫鈍介質(zhì) (酸性氧化物或氯化物) 到達(dá)鋼材表面并開始銹 蝕的時間T0； 2) 銹蝕到達(dá)臨界水平，即混凝土出現(xiàn)開裂的時間T1。 5、兩個需要注意的情況 氯化物對結(jié)構(gòu)物暴露于潮汐區(qū)與浪濺區(qū)混凝土的作用， 在很大程度上取決暴露時間、條件和混凝土性能。 保護(hù)層的厚度和性質(zhì)對盡可能地延長t0很關(guān)鍵，低水灰 比、水泥用量適當(dāng)與足夠地養(yǎng)護(hù)對增大t0、降低吸收與 擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。 T0：開始

17、銹蝕; T1：混凝土開裂； T0 T1混凝土中鋼筋銹蝕引起的破壞發(fā)展圖T1混凝土中鋼材銹蝕的防護(hù)措施 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(huán)氧涂層鋼筋； 3) 混凝土采用涂層保護(hù)，減少氯鹽與氧的侵入； 4) 對鋼筋進(jìn)行陰極保護(hù)，即外加電壓以保 持鋼筋處于陰極區(qū)。 下列幾種新措施，可以在原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、保護(hù)層厚度與施工過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善對鋼材腐蝕的防護(hù)作用：粉煤灰減小混凝土的氯離子擴(kuò)散的作用八、混凝土劣化的“整體性”模型 一個不透水，但存在非連續(xù)微裂縫，且多孔的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境作用(第一階段)(無可見損傷)1. 侵蝕作用(冷熱循環(huán)、干濕循環(huán))2

18、. 荷載作用(循環(huán)荷載、沖擊荷載) 由于微裂縫和孔隙連通起來，不透水性逐漸喪失A：孔隙內(nèi)靜水壓增大、混 凝土膨脹，鋼筋銹蝕、 堿-骨料反應(yīng)、水結(jié)冰、 硫酸鹽侵蝕;B：混凝土強(qiáng)度與剛度降低環(huán)境作用(第二階段)(損傷的開始與擴(kuò)展)水的滲入O2、CO2滲入酸性離子(Cl- 、 SO4-)滲入開裂、剝落與整體性喪失九、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(zhì)和混凝土本身的密實(shí)性及孔隙特征。因此，提高混凝土的耐久性應(yīng)在這兩方面采取措施 1）根據(jù)工程所處環(huán)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(zhì) 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(yīng) 有足夠的水泥用量，以保護(hù)鋼筋不致生銹，且粘結(jié)牢固。3）摻用引氣劑或減水劑； 4）改善施工方法，提高施工質(zhì)量。做到攪拌透澈、灌注均勻、振搗密實(shí)、 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。5）表面處理，提高混凝土表面層的密實(shí)度，如采用真空抽水、二次振 搗，表面浸績處理等。 材料品質(zhì)密實(shí)性孔特征