【正文】 2021 年 春 季 學(xué) 號(hào)： 202103544628 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2021 年 12 月 30日 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談 I 內(nèi)容摘要 混凝土由于其具有經(jīng)濟(jì)、耐久、節(jié)能等眾多優(yōu)點(diǎn) ,而成為重要的建筑材料 ,其應(yīng)用范圍十分廣泛。作為目前世界最大宗的人造建筑材料 ,其在給人類帶來(lái)巨大文明進(jìn)步的同時(shí) ,也面臨由此造成的嚴(yán)峻的資源、能源和環(huán)境問(wèn)題。因此 ,提高混凝土的耐久性是實(shí)現(xiàn)混凝土環(huán)保化、節(jié)約化的積極有效措施。最后介紹了 目前世界上 提高混凝土的耐久性的 研究結(jié)果以及目前國(guó)際上對(duì) 混凝土的耐久性設(shè)計(jì)要求 。 混凝土結(jié)構(gòu)以其整體性好、耐久性好、可塑性強(qiáng)、維修費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)廣泛使用于整個(gè) 20 世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)混凝土的耐久性問(wèn)題則是在 60 至 70 年代。我國(guó)七十年代后期建造的混凝土橋梁亦發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象。 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性概括起來(lái)是指混凝土抵抗周圍不利因素長(zhǎng)期作用的性能。從短期效果而言，這些問(wèn)題影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用功能；從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，則為降低結(jié)構(gòu)安全度，成為發(fā)生事故的隱患，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。 針對(duì)這一問(wèn)題，各國(guó)均提出各種解決方法，其中我國(guó) 中國(guó)工程院院士吳中偉教授提出 GHPC（綠色高性能混凝土）的概念在該技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诒容^先進(jìn)的觀念 。延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命是擺在我們面前的一個(gè)很重要的課題和任務(wù)。混凝土的耐久性是使用期限內(nèi)結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力，關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的使用壽命，隨著結(jié)構(gòu)物老化和環(huán)境污染加重，混凝土耐久性問(wèn)題已引起了各主管和廣大設(shè)計(jì)施工者們重視。混凝土耐久性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在各種環(huán)境條件作用下，不需要額外的費(fèi)用加固處理而保持其安全性、正常使用和可接受的外觀 能力 。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談 3 2 混凝土 結(jié)構(gòu) 耐久性問(wèn) 題的分析 如 上一章 所述，混凝土耐久性是指混凝土在實(shí)際使用過(guò)程中抵抗各種破壞因素作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力。 本章將從凍融破壞、滲透破壞、堿骨料反應(yīng)、 混凝土的 碳化、鋼筋銹蝕、 化學(xué)侵蝕 六個(gè)方面對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性失效的原因及影響因素進(jìn)行論述。 混凝土發(fā)生凍融破壞 后，破壞作用不斷積累，裂縫不斷擴(kuò)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(kāi)始向內(nèi)逐層剝落。 破壞 機(jī)理 混凝土凍害機(jī)理的研究始于 20 世紀(jì) 30 年代，有靜水壓假說(shuō)、滲透壓假說(shuō) 等。直至現(xiàn)在，被廣大科 研學(xué)者接受的最有價(jià)值的解釋是靜水壓假說(shuō)和滲透壓假說(shuō)的結(jié)合，這種結(jié)合奠定了混凝土抗凍性研究的理論基礎(chǔ)。各種孔隙之間的孔徑差異很大?？兹芤涸诳蓾B透的水泥漿體結(jié)構(gòu)中移動(dòng)，必須克服粘滯阻力，因而產(chǎn)生靜水壓，形成破壞應(yīng)力。但從水壓力本質(zhì)來(lái)理解它的作用應(yīng)是瞬時(shí)性的， 隨著時(shí)間進(jìn)展危險(xiǎn)理應(yīng)逐漸消失才對(duì)。在水泥漿冰凍時(shí)，水分的運(yùn)動(dòng)大多不像通常設(shè)想那樣，遠(yuǎn)離冰凍地點(diǎn)而去，而恰恰是趨向冰凍地點(diǎn)；再次冰凍時(shí)的膨脹一般情形是隨冷卻速率增加而下降。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談 4 (2) 滲透壓假說(shuō) ： 滲透壓假說(shuō)認(rèn)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(jié)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。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(jié)的大孔溶液中遷移。 影響因素 對(duì)于 影響混凝土 凍融破壞 的主要因素 總結(jié)起來(lái)大致 有 以下四個(gè)方面 ： （ 1） 水灰比 ： 水灰比 越 大， 使凝土 孔隙率 越 大，導(dǎo)致 混凝土的 吸水率增大，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu) 凍融 破壞嚴(yán)重 ； （ 2） 孔結(jié)構(gòu)和 孔隙特征 ： 連通毛細(xì)孔易吸水飽和， 使混凝土 凍害嚴(yán)重 ； 若為封閉孔，則不易吸水，凍害就小 ； （ 3） 飽水度 ： 若混凝土的孔隙非完全吸水飽和，冰凍過(guò)程產(chǎn)生的壓力促使水分向孔隙處遷移，從而 降低冰凍膨脹應(yīng)力，對(duì)混凝土破壞作用就小 ； （ 4） 混凝土自身強(qiáng)度 ： 在相同的冰凍破壞應(yīng)力作用下，混凝土強(qiáng)度越 低 ，凍害程度就越 高 。 混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生滲透破壞后，有害介質(zhì)首先破壞結(jié)構(gòu)表層混凝土，導(dǎo)致混凝土中發(fā)生鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)等變化，而這些變化多數(shù)伴隨著體積的膨脹，膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力又使得混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂，從而進(jìn)一步加大混凝土的滲透性，使得有害介質(zhì)的入侵更加迅速，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)循環(huán)往復(fù) 產(chǎn)生更大范圍的破壞。 破壞原因 混凝土具有多種粒徑的孔隙， 連通的孔隙會(huì)成 為氣體、液體或有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土的通道，導(dǎo)致混凝土破壞。隨著水分遷移的深入 ， 水與毛細(xì)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。若壓力差大于孔壁摩擦阻力和毛細(xì)阻力 ， 則水將從混凝土相反的一側(cè)滴出 ； 若壓力差小于摩擦阻力和毛細(xì)孔阻力 ， 則水的遷移為毛細(xì)孔遷移 ， 此時(shí)的遷移速度取決于混凝土背水面水分的蒸發(fā)速度。具體影響情況為： （ 1）混凝土的水灰比會(huì)影響混凝土孔隙的大小和數(shù)量，進(jìn)而直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。 （ 2） 由于骨料和水泥漿的界面處易產(chǎn)生裂隙和較大骨料下 方易形成孔穴，因此在水灰比相同時(shí)，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(hù)的混凝土，其抗?jié)B性較潮濕養(yǎng)護(hù)的混凝土要差。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。水泥的細(xì)度越大，水泥硬化體孔隙率越小，強(qiáng)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(shí)性，即提高了混凝土的抗?jié)B性能； 堿骨料反應(yīng) 混凝土中的堿與 混凝土中的活性骨料發(fā)生反應(yīng)，生成膨脹性物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹破壞，稱為堿骨料反應(yīng)。 破壞原因 堿骨料反應(yīng)主要可分為堿與硅酸、堿與碳酸鹽及堿與硅酸鹽三種反應(yīng) 。 （ 2）堿 碳酸鹽反應(yīng)：是指混凝土中的堿與碳酸鹽礦物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)引起混凝土的地圖狀開(kāi)裂。這一反應(yīng)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(nèi)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(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。 影響因素 從堿骨料反應(yīng)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(yīng)的主要因素是混凝土中含有堿活性的骨料?；钚該胶狭吓c混凝土 結(jié)構(gòu) 中的堿起反應(yīng)， 反應(yīng)產(chǎn)物均勻分散在混凝土中，而不是集中在骨料表面，不會(huì)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(yīng)的作用 ； （ 3） 水分 ： 堿骨料反應(yīng)要有水分，如果沒(méi)有水分，反應(yīng)就會(huì)大為減少乃至完全停止。 混凝土的碳化 混凝土的碳化作用是 指空氣中的二氧化碳?xì)怏w滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣和水，使混凝土堿度降低的過(guò)程，這一過(guò)程又稱混凝土的中性化。 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。一般而言，水泥中熟料越多，則混凝土的碳化速度越慢。其材質(zhì)致密堅(jiān)實(shí)，級(jí)配好的骨料混凝土，其碳化的速度較慢。 （ 2） 環(huán)境條件： 溫度對(duì)混凝土碳化表現(xiàn)在當(dāng)溫度下降較大時(shí)，混凝土表面收縮產(chǎn)生拉力，一旦超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，使得混凝土表面開(kāi)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(shí)，二氧化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)較大，為其余氫氧化鈣反應(yīng)提供了有利條件，陽(yáng)光的照射加速了其反應(yīng)的碳化速度。 鋼筋銹蝕 混凝土中水泥水化后， 會(huì)生成堿性的氫氧化鈣，導(dǎo)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(huì)銹蝕；但鈍化膜一旦破壞，在有足夠水和氧氣條件下會(huì)產(chǎn)生電化腐蝕。混凝土中的鋼筋銹蝕后，一方面會(huì)使鋼筋有效截面減小，另一方面，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，鋼筋混凝土之間的粘結(jié)作用下降。 主要 表現(xiàn)為鋼筋在外部介質(zhì)作用下發(fā)生電化 學(xué) 反應(yīng)，逐步生成氫氧化鐵 （ 即鐵銹 ） 等， 鐵銹的體積會(huì)比原金屬增大2~4 倍，產(chǎn)生膨脹壓力， 造成混凝土順筋裂縫，從而成為腐蝕介質(zhì)滲入鋼筋的通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談 8 道，加快結(jié)構(gòu)的損壞。當(dāng) pH值大于 10 時(shí)，鋼筋銹蝕速度很?。欢?dāng) pH 值小于 4 時(shí)，鋼筋銹蝕速度急劇增加。 （ 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 ?；瘜W(xué)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。 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(chǎn)物的溶出使混凝土的強(qiáng)度不斷降低。當(dāng)環(huán)境水的 PH 值小于 時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土造成酸侵蝕；由于水泥的水化會(huì)生成堿性物質(zhì)，因此混凝土中呈堿性，當(dāng)堿在一定的濃度（ 15%以下）、溫度（低于 50℃ ）時(shí)，堿對(duì)混凝土的侵蝕作用很小，但是對(duì)于高濃度的堿溶液或者熔融狀堿會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性淺談 9 影響因素 結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度和孔隙特征對(duì)混凝土 化學(xué)侵蝕會(huì)有所 影響 ； 結(jié)構(gòu)密實(shí)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(qiáng) 。 采用品質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度等級(jí)不低于 級(jí)的低堿硅酸鹽水泥或低堿普通硅酸鹽水泥 (摻合料僅為粉煤灰或磨細(xì)礦碴 )，禁止使用其它品種水泥。 選擇堿含量小，水化熱低，干縮性小，耐熱性，抗水性，抗腐蝕性，抗凍性能好的水泥，并結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇。粗骨料粒徑宜為 5～ 20mm，且分兩級(jí)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、計(jì)量， 5～ 10mm 顆粒質(zhì)量占 (40177。 5)%。 細(xì)骨料 細(xì)骨料應(yīng)選擇級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固的天然中粗砂 (不宜使用機(jī)制砂和山砂，嚴(yán)禁使用海砂 )，細(xì)度模數(shù) ～ 。 礦物摻合料 適當(dāng)摻用優(yōu)質(zhì) Ⅰ 級(jí)粉煤灰、磨細(xì)礦渣、微硅粉等礦物摻合料或復(fù)合礦物摻合料， Ⅰ 級(jí)粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉分別應(yīng)符合