混凝土的耐久性

第20章耐久性

20.1砼結(jié)構(gòu)的耐久性的特點(diǎn)

20.2若干耐久性問(wèn)題

20.3

結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估

20.1結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題及特點(diǎn)1.1工程中的問(wèn)題：砼的主要原材料使其比木、鋼結(jié)構(gòu)更為耐久；工程中也發(fā)現(xiàn)個(gè)別結(jié)構(gòu)，未達(dá)預(yù)期使用期限前，因各種原因出現(xiàn)不同程度的損傷和局部破裂現(xiàn)象。如開(kāi)裂、掉皮，棱角破損，強(qiáng)度下降，鋼筋保護(hù)層剝落、裸露和銹蝕，構(gòu)件彎曲下垂等，妨礙結(jié)構(gòu)的繼續(xù)使用，甚至造成承載力損失，威脅安全。如沿海地區(qū)結(jié)構(gòu)受氯鹽侵；冬季撒放除冰鹽而腐蝕公路和橋梁中的鋼筋；砼遭受反復(fù)凍融作用而脹裂。以上都屬于砼結(jié)構(gòu)耐久性裂化和失效。概念

耐久性：在結(jié)構(gòu)及其各組成部分，在所處的自然環(huán)境和使用條件等因素的長(zhǎng)期作用下，抵抗材料性能劣化、仍能維持結(jié)構(gòu)的安全和適用功能的能力。

使用壽命：結(jié)構(gòu)在正常使用條件下，不須重大維修而仍能維持安全和適用功能所延續(xù)的時(shí)間，可作為表達(dá)結(jié)構(gòu)耐久性的數(shù)量指標(biāo)。

1.2耐久性失效的特點(diǎn)本質(zhì)上并非外力所致⑴外界介質(zhì)或材料內(nèi)部對(duì)混凝土的物理和化學(xué)作用的結(jié)果（CO2

、CL離子、堿質(zhì)等）⑵耐久性失效是個(gè)緩慢積累的過(guò)程

⑶引起失效的諸因素相互關(guān)聯(lián)，相互影響⑷耐久性首先受控于正常使用極限狀態(tài)，而非承載能力極限狀態(tài)。1.3混凝土的孔結(jié)構(gòu)

耐久性失效的嚴(yán)重性在很大程度取決于混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔性和滲透性。

砼內(nèi)部空隙是其施工配置和水泥水化凝固過(guò)程的必然產(chǎn)物，因其產(chǎn)生原因和條件不同，孔隙尺寸、數(shù)量、分布和孔型（封閉或開(kāi)放式）的區(qū)別，對(duì)砼的滲透性有很大影響?？椎姆N類：

1.凝膠孔2.毛細(xì)孔3.非毛細(xì)孔

影響孔結(jié)構(gòu)和孔隙率的因素：

1.水灰比：越大，孔直徑明顯增大，總孔隙率就越大

2.水泥品種和細(xì)度：水泥中粗顆粒多，凝膠孔、毛細(xì)孔的尺寸和體積率都增大。

3.骨料品種：天然巖石粗骨料，內(nèi)部孔隙率小，封閉；天然和人工輕骨料，本身孔隙率大，多開(kāi)放孔型。4.配制質(zhì)量：攪拌、運(yùn)輸、澆筑、振搗操作不善，易產(chǎn)生大孔洞和缺陷

5.養(yǎng)護(hù)條件：及時(shí)充分，利于水泥水化，減小毛細(xì)孔孔徑和總孔隙率。加熱養(yǎng)護(hù)，溫濕度都影響毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，梯度大而引起內(nèi)部裂縫，增大孔隙率。20.2若干耐久性問(wèn)題2.1滲透1.滲透：當(dāng)混凝土與周?chē)橘|(zhì)存在壓力差時(shí)，高壓一方的氣體或液體將向低壓方遷移的現(xiàn)象。

滲透性的強(qiáng)弱取決于混凝土結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率2.抗?jié)B性：混凝土抵抗氣體或液體滲透的能力。

混凝土的抗水性：試件在單位時(shí)間、單位水頭（cm）作用下、通過(guò)單位截面積F（cm2）、滲透過(guò)L（cm）厚度的滲水量Q（cm3/s）。用滲透系數(shù)k（cm/s）作為定量指標(biāo)。不易滲水的密實(shí)砼：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件施加水壓，按規(guī)定速度（0.1MPa/8h）緩慢增壓，當(dāng)一組試件6個(gè)中的3個(gè)在背水面出現(xiàn)水珠或濕點(diǎn)，記下水壓H（MPa）?？?jié)B標(biāo)號(hào)計(jì)算式：S=10H-1

2.2凍融1.混凝土環(huán)境溫度的周期性降低和升高，使內(nèi)部水凍成冰，冰融成水，反復(fù)循環(huán)。2.凍融循環(huán)--損傷積累--裂縫擴(kuò)張、延伸甚至貫通—破裂由表及里--混凝土強(qiáng)度降低3.混凝土抵抗凍融破損的能力稱為抗凍性。砼的抗凍標(biāo)號(hào)：用28天齡期的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行慢凍法，在每次凍融循環(huán)后測(cè)定其重量和抗壓強(qiáng)度。同時(shí)達(dá)到重量損失5%和強(qiáng)度損失25%的最大凍融循環(huán)次數(shù)。如D25,D100。

4.抗凍性主要取決于內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和孔隙率，含水飽和程度，受凍齡期等。提高抗凍性方法:

降低水灰比，摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和硅粉，合理配比材料，改進(jìn)施工操作和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，提高砼密實(shí)性，減少孔隙率。還有：a最簡(jiǎn)單有效法：拌合砼時(shí)摻加引氣劑，在其內(nèi)部形成大量分布均勻、但互不連通的封閉形微氣孔，如圖20-2，可吸收毛細(xì)水結(jié)冰時(shí)膨脹作用，減輕對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度。b冬季施工，添加防凍劑、早強(qiáng)劑，或升溫養(yǎng)護(hù)，防止早期受凍，促進(jìn)凝固硬化過(guò)程。2.3堿-骨料反應(yīng)：定義：混凝土骨料中的某些活性礦物與混凝土孔隙中的堿性溶液（KOH、NaOH）之間發(fā)生反應(yīng)，體積膨脹，在混凝土中產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和強(qiáng)度降低。堿-骨料反應(yīng)的必要條件：砼中含堿，骨料有活性和孔隙有水，且各自達(dá)一定指標(biāo)混凝土中總含堿量主要取決于水泥品種所決定的Na2O當(dāng)量和水泥用量（kg/m3）。堿-骨料反應(yīng)的可能和嚴(yán)重性——宏觀地用單位體積的含堿量（kg/m3）表示。防止和減輕混凝土的堿-骨料反應(yīng)最有效措施：控制（減少水泥中的含堿量）2.4碳化1.中性化：結(jié)構(gòu)周界的環(huán)境介質(zhì)中所含酸性物質(zhì)（CO2SO2、HCL等）與砼表面接觸，通過(guò)各種孔隙滲透至內(nèi)部，與水泥石的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稱為混凝土中性化。最普遍發(fā)生的形式：空氣中砼的碳化有利：碳化后部分凝膠孔和毛細(xì)孔被碳化物堵塞，密實(shí)性和抗壓強(qiáng)度提高不利：碳化降低堿度，一旦碳化層深及鋼筋表面，鈍化膜被破壞而生銹。碳化的砼加劇了收縮變形，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)、粘結(jié)力下降，甚至保護(hù)層剝落混凝土表面至碳化層的最大厚度稱為碳化深度D（mm）碳化深度快速試驗(yàn)方法：用高濃度CO2測(cè)定砼的碳化深度C—CO2濃度（%）t—碳化齡期

—碳化速度系數(shù)，反映砼抗碳化能力減輕和延緩混凝土的碳化進(jìn)度，提高耐久性的措施：

2.5化學(xué)腐蝕過(guò)程：侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部→物理或化學(xué)作用→混凝土腐蝕、脹裂和剝落、鋼筋銹蝕、→結(jié)構(gòu)失效。混凝土腐蝕的原因和機(jī)理由于侵蝕介質(zhì)和環(huán)境條件分：①溶蝕型腐蝕②結(jié)晶膨脹型腐蝕措施：

1選址，控制侵蝕性介質(zhì)2設(shè)計(jì)、材料和施工3.采用抗腐蝕性較強(qiáng)的水泥品種4較低的水灰比，保證水泥用量，添加活性摻和料，提高砼密實(shí)性和抗?jié)B性5增大保護(hù)層厚度6對(duì)結(jié)構(gòu)砼表面涂料或浸漬處理，防止侵蝕性水滲入和減少砼的溶蝕流失2.6鋼筋銹蝕

當(dāng)裂縫、腐蝕和碳化深入到鋼筋所在位置，很容易招致鋼筋銹蝕，鋼筋直徑和面積小，銹蝕后強(qiáng)度顯著降低，使結(jié)構(gòu)承載力嚴(yán)重折減而出現(xiàn)安全問(wèn)題。防止和延緩鋼筋銹蝕措施：A從環(huán)境方面著手B從材料的選用、制作和構(gòu)造設(shè)計(jì)方面著手

上面分別介紹了砼結(jié)構(gòu)耐久性劣化和失效的各種現(xiàn)象和主要原因，以及其機(jī)理、影響因素和改進(jìn)措施。

由于各類耐久性劣化之間相互聯(lián)系，多數(shù)都與砼內(nèi)部的孔隙率和孔結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，因而許多改進(jìn)措施是一致和互利的。如精心施工，即攪拌均勻，運(yùn)輸和澆注防止離析，振搗密實(shí)，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，特別是早期齡期養(yǎng)護(hù)，減小孔隙率。同時(shí)，有的措施具有兩面性，即對(duì)某些耐久性的劣化現(xiàn)象有利，對(duì)另一些現(xiàn)象反而有害。如：水泥中的含堿量適當(dāng)，可增大pH值，有利于鋼筋防銹，而含堿量過(guò)高，易產(chǎn)生不利的堿-骨料反應(yīng)。

故對(duì)于提高混凝土耐久性所采取的措施，應(yīng)做全面深入的分析評(píng)估，不能顧此失彼。

20.3結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估

3.1耐久性設(shè)計(jì)

根據(jù)環(huán)境類別和設(shè)計(jì)使用年限，針對(duì)影響耐久性的因素提出相應(yīng)的對(duì)策。措施1.環(huán)境2.材料3.設(shè)計(jì)4.施工

3.2已有結(jié)構(gòu)的耐久性檢測(cè)和評(píng)估

已建成混凝土結(jié)構(gòu)，在各種環(huán)境因素和周?chē)橘|(zhì)的不利作用下，耐