混凝土的耐久性(下)

混凝土的耐久性(下)2堿骨料反應(yīng)堿骨料反應(yīng)(AAR)類型堿硅酸反應(yīng)ASR(Aggregate-SilicaReaction)堿硅酸鹽反應(yīng)ASR

(實(shí)質(zhì)是ASR)(Aggregate-SilicateReaction)堿碳酸鹽反應(yīng)ACR(Aggregate-CarbonateReaction)特定類型白云石灰?guī)r(由均勻分布白云石微晶、大量小方解石粒和填隙粘土構(gòu)成)，與孔溶液堿發(fā)生去白云化反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹和導(dǎo)致混凝土開裂。CaMg(CO3)2+2NaOH

Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3

+2Ca(OH)2

2NaOH+CaCO3(堿可再生)ACR較罕見，與ASR的區(qū)別在于以前沒有發(fā)現(xiàn)凝膠，認(rèn)為是粘土吸水膨脹。但現(xiàn)代技術(shù)掃描電鏡(SEM)和電子探針顯微分析(EPMA)揭示：工程和試驗(yàn)室混凝土發(fā)生ACR的骨料中均有ASR凝膠，去白云化開放的空間出現(xiàn)ASR是導(dǎo)致膨脹的基本原因，故ACR也應(yīng)歸入ASR。4硬化混凝土中，水泥石孔溶液中的堿金屬離子(Na+,K+)與骨料活性SiO2反應(yīng)，生成堿—硅凝膠。凝膠可能產(chǎn)生吸水膨脹。內(nèi)部膨脹最終可能導(dǎo)致混凝土開裂。堿硅酸反應(yīng)ASRASR活性骨料較常見，一般含有下列礦物：應(yīng)變石英、微晶石英、麟石英蛋白石、玉髓、燧石火山玻璃體、一些合成玻璃5混凝土中的堿當(dāng)量氧化鈉Na2Oe=Na2O(%)+(62.0/94.2)K2O(%)=Na2O(%)+0.658K2O(%)

低堿水泥：Na2Oe

≤

0.6%粉煤灰堿以1/6、磨細(xì)礦渣堿以1/2計(jì)入總堿量水溶性?

>3kg/m36堿—硅凝膠的吸水膨脹性78堿骨料反應(yīng)破壞的特征(1)膨脹變形、素混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)地圖裂縫或有凝膠析出9堿骨料反應(yīng)破壞的特征(2)受鋼筋的約束，裂縫呈順筋方向10堿骨料反應(yīng)破壞的特征(3)預(yù)應(yīng)力梁11堿骨料反應(yīng)破壞的特征(4)潮濕或接觸水部位先產(chǎn)生ASR裂縫12AAR與其它破壞因素的復(fù)合作用ASR+鋼筋銹蝕ASR+DEFASR+凍融循環(huán)13AAR+凍融？干濕循環(huán)+凍融？14預(yù)防AAR的方法使用非活性骨料，特別是不使用ACR活性骨料使用低堿水泥，限制混凝土單方含堿量(<3.0kg/m3)使用混合水泥或用一定比例的活性摻和料替代水泥保持混凝土環(huán)境濕度一直低于80%15混凝土耐久性破壞原因分析16案例：DEF或ASR分析(1)美國(guó)南部某高架路建于1980s，墩柱早期劣化需要分析確定原因和責(zé)任建成約15年后的狀態(tài)(接近10年時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫)混凝土：高早強(qiáng)水泥用量約450kg/m3部分混凝土使用粉煤灰混凝土骨料可能有堿活性墩柱最小方向尺寸約2m，預(yù)計(jì)早期溫升超過75oC17案例：DEF或ASR分析(2)區(qū)分DEF與ASR試驗(yàn)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)芯樣浸泡在熱堿溶液(促進(jìn)ASR)，檢驗(yàn)是否有殘余ASR膨脹；常溫飽和石灰水(有助于K+、Na+流失抑制ASR)，檢驗(yàn)潛在DEF膨脹。試驗(yàn)方法驗(yàn)證混凝土使用活性NR和非活性RS骨料高早強(qiáng)、高堿水泥(1.25%Na2Oe)加入NaOH使含堿量5.25kg/m3Na2Oe水泥用量420kg/m3試驗(yàn)方法Φ150x300mm試件初始分別23oC養(yǎng)護(hù)和最高95oC熱養(yǎng)護(hù)38oC密封容器水上養(yǎng)護(hù)150天，均出現(xiàn)膨脹裂縫取Φ50mm芯樣，安裝不銹鋼測(cè)頭，分別浸泡在23oC石灰水和80oC

1MNaOH溶液測(cè)量長(zhǎng)度變化18案例：DEF或ASR分析(3)A墩柱骨料有堿活性(粗細(xì)骨料與B和D墩柱類似)，但含堿量低，實(shí)際上未發(fā)生ASR。DEF是唯一導(dǎo)致破壞原因。19案例：DEF或ASR分析(4)A墩柱B墩柱C墩柱D墩柱60μm100μm90μm300μmAFt在ASR反應(yīng)的骨料邊緣生成AFt背散射電子圖像粉煤灰AFtAFt僅DEFASR+DEFASR+DEF無ASR和DEF20裂縫對(duì)混凝土耐久性的影響21階段裂縫類型裂縫再分類裂縫出現(xiàn)時(shí)間非常早齡期或初齡期塑性沉降鋼筋上面

A10分鐘至3小時(shí)拱形

B截面厚度變化

C模板沉降塑性收縮隨機(jī)

E半小時(shí)至6小時(shí)鋼筋上面

F平行、對(duì)角

D早期混凝土硬化過程自生干燥(自生收縮)w/c<0.45硬化期間龜裂抹面后(過度抹面)1至7天，有時(shí)更遲模板覆蓋表面

J熱裂縫(溫度裂縫)表面裂縫

G1天至幾周貫穿裂縫

H結(jié)構(gòu)部分完成后干燥收縮單面干燥

I1月至幾個(gè)月外部約束

I最終的不均勻收縮熱裂縫(溫度裂縫)表面裂縫

G冷卻至長(zhǎng)期環(huán)境溫度貫穿裂縫

H預(yù)應(yīng)力混凝土錨固處裂縫施加預(yù)應(yīng)力后K混凝土結(jié)構(gòu)裂縫——早期(施工期)22階段裂縫類型裂縫再分類裂縫出現(xiàn)時(shí)間服役期荷載裂縫微裂縫受荷載作用時(shí)受拉裂縫彎曲裂縫剪切裂縫扭轉(zhuǎn)裂縫長(zhǎng)期荷載裂縫徐變完成后強(qiáng)制變形基礎(chǔ)沉降鋼筋銹蝕氯引發(fā)

L>1年碳化引發(fā)

L>5年硫酸鹽侵蝕>5年堿-骨料反應(yīng)堿-硅酸

M>5年堿-碳酸鹽M>5年凍融循環(huán)D型裂縫P過火裂縫混凝土結(jié)構(gòu)裂縫——后期(服役期)裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害影響外觀損害結(jié)構(gòu)功能：滲漏水、承載能力降低或失去整體性。降低結(jié)構(gòu)耐久性：成為腐蝕性介質(zhì)(Cl-、SO4=等)快速侵入混凝土的通道?；炷帘旧淼臐B透性滲透系數(shù)Sk=WD2/2TH(m/s)

D－平均滲透高度(m)H－水壓力，以水柱高度表示(m)T－恒壓持續(xù)時(shí)間(s)W－混凝土吸水率，一般為0.03

水泥凈漿與巖石的滲透性巖石種類滲透性(m/s)同樣滲透性水泥漿體的水/灰比密實(shí)暗色巖2.47x10-140.38石英閃長(zhǎng)巖8.24x10-140.42大理石2.39x10-130.48大理石5.77x10-120.66花崗巖5.35x10-110.70砂巖1.23x10-100.71花崗巖1.56x10-100.71巖石與水泥漿體滲透性對(duì)比(Powers,1958)裂縫增大滲透性的作用(1)有機(jī)玻璃板塞子水硅橡膠密封試件(直徑100mm，厚度25或50mm)h移液管(10mlx1/10)排水塞子螺桿有機(jī)玻璃管不銹鋼管C.-M.Aldea,etal裂縫增大滲透性的作用(2)C.-M.Aldea,etal裂縫增大滲透性的作用(3)C.-M.Aldea,etalAdvancesinModelingConcreteServiceLife,Rilem,2010腐蝕性介質(zhì)通過裂縫侵入裂縫銹蝕隨時(shí)間內(nèi)移的失鈍Cl-等濃度線裂縫增大腐蝕性介質(zhì)侵入的作用(1)A.Djerbi,etal,2008裂縫增大腐蝕性介質(zhì)侵入的作用(2)A.Djerbi,etal,2008裂縫增大腐蝕性介質(zhì)侵入的作用(3)A.Djerbi,etal,2008A.Djerbi,etal,2008裂縫增大腐蝕性介質(zhì)侵入的作用(4)34C.Andrade,etal預(yù)開裂試件長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)開裂UHPC的長(zhǎng)期抗碳化試驗(yàn)裂縫的自愈合Self-HealingPhenomenainCement-BasedMaterials,Rilem,2013裂縫自愈合機(jī)理物理性原因膨脹繼續(xù)水化生成碳酸鈣從斷裂表面崩解水中攜帶的顆粒細(xì)顆?；瘜W(xué)性原因機(jī)械性原因37裂縫自愈或堵塞有大量未水化水泥顆粒，裂縫容易自愈。CaCO3或Ca(OH)2沉淀可能自然堵塞或封閉裂縫。H2O+CO2

H2CO3

H++HCO3-

2H++CO32-

Ca2++CO32-

CaCO3(pH溶液>8)Ca2++HCO3-

CaCO3+H+(7.5<pH溶液

<8)施工期間產(chǎn)生的裂縫常常能夠“自愈”依靠未水化水泥顆?？梢浴白杂钡牧芽p寬度小于0.21mm。(?)39UHPC微裂縫自愈(1)40UHPC微裂縫自愈(2)41UHPC微裂縫自愈(3)在結(jié)構(gòu)與環(huán)境荷載復(fù)合作用下的UHPC微裂縫自愈鋼筋增強(qiáng)UHPC梁(150x380x4900mm)

4點(diǎn)彎曲加載：預(yù)裂縫：加載使梁下部出現(xiàn)29條寬度0.002~0.009mm裂縫環(huán)境荷載：底面通過海綿接觸15%濃度NaCl溶液結(jié)構(gòu)荷載：循環(huán)彎曲加載(疲勞荷載)歷時(shí)半年，加載循環(huán)達(dá)50萬次：在結(jié)構(gòu)與環(huán)境荷載復(fù)合作用下，沿裂縫析出NaCl結(jié)晶，抗彎結(jié)構(gòu)響應(yīng)并沒有降低。然后，中心加載(3點(diǎn)彎曲)使梁彎曲破壞：靜態(tài)破壞不是沿原先的裂縫，而是出現(xiàn)與擴(kuò)展了一組新的裂縫。表明先前的微裂縫已經(jīng)愈合。

修復(fù)裂縫的新方法研究44微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積修復(fù)裂縫從自然界微生物成巖現(xiàn)象得到啟發(fā)，即通過某些種類微生物細(xì)胞內(nèi)部或外部形成一些低溶解度礦物填塞孔隙或縫隙。1995年美國(guó)Gullapudi等首次研究利用微生物修復(fù)混凝土裂縫；之后開展了較多相關(guān)研究。通過厭氧菌新陳代謝的酶化作用(生成尿素酶水解產(chǎn)生氨氣和CO2)，或者通過好氧菌新陳代謝的呼吸作用(產(chǎn)生CO2)，引起CaCO3晶體沉淀。H.M.Jonkers45微生物修復(fù)裂縫方法從外部修復(fù)裂縫：液體微生物(細(xì)菌)修復(fù)液注射或浸漬入裂縫細(xì)菌混凝土：多孔輕骨料攜帶微生物(細(xì)菌)使混凝土帶菌，氧氣進(jìn)入裂縫使細(xì)菌活化，開始自修復(fù)進(jìn)程。46混凝土裂縫的微生物自修復(fù)效果(1)錢春香等從高堿性鹽湖土壤中提取出嗜堿芽孢桿菌，通過多次耐堿性選育，成功培育出耐堿性較強(qiáng)且可以產(chǎn)生碳酸鈣晶體的改良嗜堿芽孢桿菌(好氧菌)。修復(fù)40d后，裂縫被微生物礦化形成碳酸鈣所填充，修復(fù)效果明顯，最大填充寬度超過1mm。微生物礦化形成的碳酸鈣在裂縫開口處最多，隨深度增加逐漸減少；深度超過10mm時(shí)沒有碳酸鈣形成。修復(fù)時(shí)間0

d修復(fù)時(shí)間5

d修復(fù)時(shí)間40

d47混凝土裂縫的微生物自修復(fù)效果(2)Wiktor

V,

etal,Fieldperformanceofbacteria-basedrepairsystem:pilotstudyinaparkinggarage/Case

Studies

in

Construction

Materials

(2015)細(xì)菌修復(fù)液A液：硅酸鈉(堿性緩沖劑)、葡萄糖酸鈉(細(xì)菌生長(zhǎng)的碳來源)和嗜堿細(xì)菌B液：硝酸鈣和嗜堿細(xì)菌方法：噴灑修復(fù)液至樓板混凝土浸漬飽和。效果評(píng)價(jià)：未經(jīng)修復(fù)裂縫滲水嚴(yán)重，修復(fù)后裂縫僅局部有少量滴水或完全無滲漏。48空心纖維修復(fù)裂縫49微膠囊修復(fù)裂縫50混凝土結(jié)構(gòu)工作壽命設(shè)計(jì)51A.0.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性極限狀態(tài)應(yīng)按正常使用下的適用性極限狀態(tài)考慮，且不應(yīng)損害到結(jié)構(gòu)的承載能力和可修復(fù)性要求。A.0.2混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)可分為以下三種：(1)鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；(2)鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；(3)混凝土表面發(fā)生輕微損傷的極限狀態(tài)。條文說明：這三種劣化程度都不會(huì)損害到結(jié)構(gòu)的承載能力，滿足A.0.1條的基本要求。A.0.3鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)應(yīng)為混凝土碳化發(fā)展到鋼筋表面，或氯離子侵入混凝土內(nèi)部并在鋼筋表面積累的濃度達(dá)到臨界濃度。對(duì)銹蝕敏感的預(yù)應(yīng)力鋼筋、冷加工鋼筋或直徑不大于6mm的普通熱軋鋼筋作為受力主筋時(shí)，應(yīng)以鋼筋開始發(fā)生銹蝕狀態(tài)作為極限狀態(tài)。條文說明：預(yù)應(yīng)力筋和冷加工鋼筋的延性差，破壞呈脆性，而且一旦開始銹蝕，發(fā)展速度較快。所以宜偏于安全考慮，以鋼筋開始發(fā)生銹蝕作為耐久性極限狀態(tài)。A.0.4鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)應(yīng)為鋼筋銹蝕發(fā)展導(dǎo)致混凝土構(gòu)件表面開始出現(xiàn)順筋裂縫，或鋼筋截面的徑向銹蝕深度達(dá)到0.1mm。普通熱軋鋼筋（直徑小于或等于6mm的細(xì)鋼筋除外）可按發(fā)生適量銹蝕狀態(tài)作為極限狀態(tài)。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性極限狀態(tài)(GB/T50768附錄A)52確認(rèn)工程所處環(huán)境類別和作用等級(jí)確定工程設(shè)計(jì)使用年限(工作壽命)根據(jù)使用年限和環(huán)境特點(diǎn)選擇鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按耐久性要求設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)和維修提出建議，并預(yù)留條件會(huì)同施工方（含混凝土供應(yīng)方）制定《混凝土耐久性技術(shù)要求》和對(duì)施工質(zhì)量驗(yàn)收要求混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的內(nèi)容53環(huán)境類別與作用等級(jí)、結(jié)構(gòu)工作壽命最低強(qiáng)度等級(jí)與最大水膠比膠凝材料構(gòu)成，最小和最大用量骨料最大公稱粒徑氯離子含量與堿含量限值新拌混凝土的工作性要求新拌混凝土入模溫度限值硬化后指定齡期應(yīng)達(dá)到的相關(guān)耐久性參數(shù)或指標(biāo)，如抗凍性、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等早期裂縫控制要求，裂縫寬度限值混凝土技術(shù)要求的基本內(nèi)容54混凝土絕熱溫升或膠凝材料水化放熱過程特殊的骨料類型混凝土強(qiáng)度發(fā)展，緩凝或早強(qiáng)要求混凝土含氣量范圍，引氣質(zhì)量要求混凝土耐磨性混凝土劈拉或彎拉強(qiáng)度，混凝土彈性模量抗裂性要求特殊的增強(qiáng)材料(纖維、不銹或不易銹蝕鋼筋)混凝土表面防護(hù)，等混凝土技術(shù)要求的可選要求55混凝土結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)工作壽命

加拿大聯(lián)盟大橋ConfederationBridge,Canada長(zhǎng)度12.9km，跨越諾森伯蘭海峽，建于1993～1997加拿大聯(lián)盟大橋ConfederationBridge,Canada橋梁壽命：

決定于鋼筋銹蝕開始時(shí)間與擴(kuò)展期長(zhǎng)短銹蝕開始于：在鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到水泥含量的0.4% 或1.6kg/m3預(yù)期壽命：HPC氯離子滲透系數(shù)4.8x10-13m2/s(比普通混凝土低10~30倍)，鋼筋保護(hù)層厚度75mm鋼筋鈍化層破壞開始于60年后HPC電阻率470~530ohm-m(比普通混凝土的50ohm-m約高10倍)鋼筋鈍化層開始破壞到混凝土開始剝落的周期，從3年提高到30年未考慮滲透系數(shù)隨齡期的降低混凝土要求與配合比加拿大聯(lián)盟大橋ConfederationBridge,Canada氯離子在混凝土中擴(kuò)散的速率保護(hù)層厚度x與鋼筋失鈍所需時(shí)間t的關(guān)系：t=kx2，即保護(hù)層厚度增加一倍，失鈍時(shí)間推遲約4倍。保護(hù)層混凝土擴(kuò)散系數(shù)D與鋼筋失鈍所需時(shí)間t成反比：t=k/D，即擴(kuò)散系數(shù)減小10倍，失鈍時(shí)間推遲約10倍。臨界濃度Ccrit：水泥重量的0.4~1.0%或混凝土重量的0.06~0.18%，決定于環(huán)境溫度、供氧量、混凝土與鋼筋界面顯微結(jié)構(gòu)等因素影響。60氯離子臨界濃度(Ccrit)61結(jié)構(gòu)可靠度Z定義為極限狀態(tài)的函數(shù)：Z=R–F

結(jié)構(gòu)工作壽命與失效概率的定義

62參考：趙筠，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作壽命設(shè)計(jì)——針對(duì)氯鹽污染環(huán)境，混凝土，2004年第1期Cl-侵入轉(zhuǎn)化為環(huán)境荷載Z=R–LZ—可靠度R—環(huán)境抗力(混凝土保護(hù)層厚度XR)L—環(huán)境荷載(臨界濃度的深度XL)β—可靠度指數(shù)Pf=Φ(-β)失效概率XL與XR為正態(tài)分布63計(jì)算分析示例氯負(fù)荷