混凝土结构的耐久性

德国标准
双电极法 两电极相距20cm，电位梯度为150～200 时，低电位处腐蚀
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3、混凝土裂缝
物理的
可收缩骨料、干缩、龟裂
硬
化学的
钢筋锈蚀、碱骨料反应、碳化
化
后
温度的
冻融、季节温度、早期热收缩
裂 缝 类 型
硬 化 前
结构的
偶然荷载、徐变、设计荷载
早期冻结破坏
塑性的
塑性收缩、塑性层缩
建筑的位移 模板位移、地基位移
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2、钢筋锈蚀 腐蚀诱因——混凝土中性化、游离氯离子聚集 电化学腐蚀——阳极反应＋阴极反应 应力腐蚀——腐蚀与拉应力作用下钢筋产生晶粒间或跨晶
粒断裂现象
氢脆腐蚀——由于H2S与铁作用或杂散电流阴极腐蚀产生 氢原子或氢气的腐蚀现象
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影响因素： H2O、O2、温度、氯离子浓度、pH值、裂缝
钢筋锈蚀对结构物的影响 对配筋混凝土影响巨大，强度降低、脆性增大、延性变差，导致承载
(白云石)
R2CO3+Ca(OH)2-----2ROH+CaCO3
膨胀来源：包裹在白云石晶体内的黏土吸水膨胀
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碱—硅酸盐反应 碱与某些沉状硅酸盐骨料反应，使沉状硅酸盐层间距增大，
骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。
因发生反应机理与碱－硅酸反应不同，而被新命名。
唐明述观点：大部分（页腊石、蛇纹石、云母、高岭石、 蛭石等）具有层状结构的硅酸盐矿物都不具有碱活性，个别能 产生膨胀反应的层状硅酸盐中均含有微晶石英和玉髓，其膨胀 反应实质是碱－硅酸反应
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1、混凝土的碳化 影响因素：H2O、CO2(完全饱和，完全干燥)
CO2扩散进入孔隙 与Ca(OH)2反应生成CaCO3 同时也在CSH（水化硅酸钙）固液界面上发生
混凝土内碱度由pH≥12.6降低pH≤9
钢筋脱钝
.
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材料因素：水灰比、水泥品种与用量、骨料品种与粒径（骨料底部、交界面）、
年的50%甚至更多。1950年开始，混凝土的施
工工艺发生了重大变化。预拌混凝土、泵送混
凝土浇筑以及插入式振动棒振捣技术的发展，
对混凝土的工作性要求越来越高。
wenku.baidu.com
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4
1970年以后
外加剂技术促进了加筋混凝土技术发展对强度的 要求，混凝土强度从之前普遍的30MPa猛增到60MPa， 并越来越多的使用50MPa以上的混凝土。提高混凝土 强度的办法除采用高标号水泥外（意味着更高的细度、 更多的C3S和C3A含量），更多的是增加单方水泥用量， 降低水灰比及单方加水量。随后的观察发现，这样的 技术措施带来的负面影响是混凝土结构物的开裂增加。 强度的提高虽然使混凝土的徐变减小，但脆性和早期 可见裂缝与其它异常开裂现象使结构物在腐蚀和锈蚀
. 早强、无收缩、微膨胀…
2
1930年以前
早期的波特兰水泥通过人配料，严格控制 化学成分和烧结温度，Wanger细度为 1100cm2/g左右。1944年，美国公共道路管理 局对加州等4个州的桥梁进行了检测，涉及检 测的共约200座桥梁的实际使用时间跨度为3～ 30年。检测发现，67%在1930年以前建造的 桥梁检查时完好，而1930年后建造的仅27%尚 完好。
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塑性收缩 ——毛细管张力引起 ——龟裂
塑性沉缩 ——颗粒下沉、水挤压排出、体积缩小 ——受钢筋和模板阻碍部位出现裂缝，水平缝较多
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荷载引起的开裂 ——弯曲 ——剪切 ——拉伸
变形引起的开裂 ——温度 ，通常为龟裂，受约束时表现为分割裂缝 ——收缩 ，通常表现为龟裂，局部可逆 ——基础或模板沉降
施工/操作技术
孔的性质和分布 迁移机理
混凝土劣化
钢筋劣化
物理
化学和生物
锈蚀
养护/湿、热
抵抗力 安全 .
刚度
表面条件
使用性能
外观
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混凝土结构耐久性的影响因素
1、设计因素：保护层厚度过小，沉降缝、伸缩缝设置不当，变截面出配 筋不当，基础强腐蚀，隔热层、分隔层、防滑层处理不当。
2、材料不合格：水泥碱含量、C3A含量、细度，骨料碱活性、骨料粒形、 级配，外加剂。
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碱—骨料发生的条件 （1）混凝土中的碱含量。
水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水或环境
（2）骨料的碱活性
与地域有关：美国、加拿大、英国、日本、新西兰、 南非等已建立了区域性的碱活性骨料分布图。
我国建立了京津塘地区碱活性骨料分布图。
（3）潮湿环境
高湿度环境，>80％
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关于碱含量的规定： 一般认为：高活性骨料——2.1kg/m3
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碱—碳酸盐反应 黏土质白云石质石灰石与碱发生的膨胀反应。美国在
1957年首次在加拿大发现，美国的多个地方存在。 白云石与石灰石含量大致相等，黏土含量约为5~20％，
白云石颗粒粒径约在50微米以下且被微晶方解石和黏土包围。 CaCO3MgCO3+2ROH-----Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3
振捣不密实 引入气孔
毛细孔
大孔 mm
毛细孔 μm
与耐久性有关
凝胶孔
微孔 nm
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.
19
毛细孔
毛细凝结（水充满） ——表面积/孔体积 .
蒸发
水迁移的速度 ——蒸发 ——毛细管作用 ——（水压力） 补给
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物理过程
混凝土 化学过程
生物过程
开裂、冻害、磨蚀 酸、硫酸盐、碱 地衣、苔藓等
钢 筋 锈蚀、应力腐蚀、氢脆
.
3
1930～1970年左右
水泥的粉磨技术在用户需求高早期强度的
环境下迅速发展，水泥的Wanger细度为
1100cm2/g上升为1800cm2/g（相当于勃氏
300m2/kg）。出于同样的目的，水泥的化学组
成也被迅速改变，水泥熟料中的早强组份C3S 含量由1930年前的不到30%很快发展到1970
1824年，英国人Aspdin J 取得了波特兰水泥的专利。
1886年，美国首先采用回 转窑煅烧熟料，使水泥进 入大规模工业化生产阶段。
1850年，法国人取得钢筋 混凝土专利权。
1928年，预应力混凝土技 术由法国人创造。
1
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r(m)
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10
中等活性骨料——3.0kg/m3
德国、英国、加拿大、日本规定碱含量限制为： 3.0kg/m3 新西兰：2.5kg/m3 南非：2.1kg/m3
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碱骨料反应的破坏特征：
时间:一般在混凝土浇筑后2、3年或者更长时间。 变形：整体位移或变形 裂缝：网状，顺筋或沿压应力方向 凝胶析出：透明或淡黄色凝胶（AAR） 部位：越潮湿越明显 内部：骨料周围有反应环，内部缝隙界面有凝胶
日本锈蚀诊断 单电极法 >-300，不腐蚀；局部<-300，局部腐蚀；
草案
全部<-300，全部腐蚀
印度标准
单电极法 >-300，95%腐蚀；-300～-450，50%腐 蚀；< -450，5%腐蚀
冶金部标准 单电极法 >-250，不腐蚀；-250～-400，可能腐蚀； < -400，腐蚀
冶金部标准 双电极法 两电极相距20cm，电位梯度为150～200 时，低电位处腐蚀
环境下的可预期寿命显著降低。
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二十世纪八十年代
高强混凝土（High Strength Concrete， 简称HSC）曾经是混凝土技术中比较热门的技 术领域，混凝土的抗压强度一度达到100MPa 以上，并有高达152MPa混凝土用于现浇工程。 但是二十世纪九十年代初期，HSC工作性差 （流动性、可泵性、均匀性等）、脆性（易于 开裂和突然破坏）、体积稳定性差（收缩、膨 胀）等一味追求强度所带来的负面问题逐渐被
力降低 钢筋锈蚀的检测方法：自然电位法（应用广泛）、交流阻抗谱法、线性极化 法、恒电位法、电化学噪声法、混凝土电阻法、谐波法
自然电位法测试（受影响因素多，比较粗糙） 单电极法：钢筋端头外露或建造时的预埋电极 双电极法：钢筋不外露的构件
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标准名称 测试方法
判别标准（mV）
ASTM C 876 单电极法 >-200，95%腐蚀；-200～-350，50%腐 蚀；< -350，5%腐蚀
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综上所述
1.高性能混凝土（High Performance Concrete， 缩写为HPC）是最近十多年才出现的新型高技 术混凝土。它以混凝土耐久性作为设计的主要 指标，保证混凝土有良好的工作性、适用性、 力学强度、体积稳定性和经济性，采用现代混
凝土技术制作的混凝土。
2高性能混凝土不仅是对传统混凝土的重大突
认识。于是，提出了HPC的概念。
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6
1、美国国家标准与技术研究所（NIST）与美 国混凝土协会（ACI）于1990年5月召开的讨论 会上提出：高性能混凝土是具有某些性能要求 的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采 用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学 性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定 性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建 筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。
劣化的内在条件和机理
1. 气体、水以及含在水气中的有害物质在砼的孔隙和裂缝 中的迁移、结合和变化是砼劣化的基本条件, 其中水气的迁 移是首要条件。
2. 水气迁移的动力有:
浓度差引起扩散;
压力差引起渗透;
表面能引起毛细吸引。
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无粘结
水泥浆填满缝隙 (混凝土， 低坍落度)
接触粘结
间隔排列的颗粒 (混凝土， 高坍落度)
混凝土结构的耐久性
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混凝土分类 胶结材料
无机胶结料 水泥、水玻璃、碱矿渣… 有机胶结料 聚合物水泥、沥青、树脂…
骨料
普通、重、轻（砂轻、全轻）、大孔、全砂…
用途
水工、海工、道路、耐热、耐酸、防辐射…
施工工艺
配筋方式 性能
现浇类 普通、泵送、灌浆、真空吸水…
预制类 振压、挤压、离心…
无筋类 素…
有筋类 钢筋、纤维、预应力…
外加剂（降低用水量、引气剂切断毛细管的通道，降低CO2的扩散速度）、 养护方法和龄期、混凝土强度
环境条件：湿度、温度和CO2浓度
应力状态：压应力、拉应力
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碳化检测方法：X射线法（试验室精确测量，能测试部分碳化深度） 化学试剂法（1%酚酞酒精溶液） 已碳化区无色，未碳化区红色
碳化深度的预测模型
碳化对结构物的影响 ——素混凝土：基本无影响 ——钢筋混凝土：钢筋锈蚀 ——预应力混凝土：目前方案下基本无影响
破，而且在节能、节料、工程经济、劳动保护
以及环境等高面都具有重要意义，是一种环保
型、集约型的新型材料。
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决定结构的耐久性 ——环境影响＋结构反应
1）环境条件 2）建筑和结构设计 3）施工 4）检验和维修
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性能
开始 最低限
维修
使用寿命 .
时间 12
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混凝土结构耐久性
结构设计/形式和构造 材料/混凝土和钢筋
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碱—硅酸反应
骨料中的活性SiO2与碱发生的膨胀反应。是迄今为止分布 最广、研究最多的碱－骨料反应。
活性SiO2包括蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英和隐晶、 微晶或玻璃质石英。
在火成岩、变质岩和沉积岩中均有分布
常见在花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、石英岩、燧 石、硅藻土等
膨胀机制：
2ROH+nSiO2-----R2O·nSiO2·H2O 吸水肿胀理论和渗透压理论
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4、碱—骨料反应
混凝土中的碱与具有碱活性的骨料间发生的膨胀性反应 后果：混凝土体积膨胀和开裂，混凝土微结构被改变，强度和 弹性模量等力学性能降低——癌症 三种类型：
碱－硅酸反应（Alkali-Silica Reaction ） 碱－碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction ） 碱－硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction ）
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4、1992年日本的小泽一雅和冈村甫认为：高 性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、黏 聚性与可浇筑性）、低温升、低干缩率、高抗 渗性和足够的强度。
5、1992年日本Sarkar S L提出：高性能混凝土 具有较高的力学性能（如抗压、抗折、抗拉强 度）、高耐久性（如抗冻融循环、抗碳化和抗 化学侵蚀）、高抗渗性，属于水胶比很低的混 凝土家族。
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2、1990年美国Mehta PK认为：高性能混凝土 不仅要求高强度，还应具有高耐久性（抵抗化 学腐蚀）等其他重要性能，例如高体积稳定性 （高弹性模量、低干缩率、低徐变和低的温度 应变）、高抗渗性和高工作性。
3、1992年法国Malier YA认为：高性能混凝土 的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期 强度、工程经济性、高耐久性，特别适用于桥 梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混 凝土建筑结构。
3、施工质量低劣：水灰比过大，水泥用量大，拆模过早，浇筑不当，养 护不当，施工组织不当（冷缝），使用含氯早强剂，使用海水搅拌混凝 土等。
4、外界环境条件恶化：
气候条件异常:气候突变，干湿交替频繁；
自然环境恶化：工业排污、空气质量下降；
建筑物场地有害物侵入：地基土有侵蚀水，碳酸盐及碱溶液侵入等。
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