建筑结构检测鉴定与加固第二章建筑结构损伤机理与危害讲课文档

1 582C 1.107 2 253C 0.954
C －每立方米混凝土的水泥用量（kg）
1
与水泥用量成反比，水泥用量越大，则
越小，混凝土的
1
抗裂性能越好。水泥用量的增加可以改善混凝土的和易性，提
高混凝土的密实性，增加混凝土的碱性储备量，使其抗碳化性
能得以增强。
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（2）水水灰比影响系数
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我国作为拥有混凝土结构最多的国家，近年来关于混凝土碳 化深度预测模型的研究也很多，理论模型与经验模型两类：碳 化深度与碳化时间的平方根成正比。
虽然这些模型对预测混凝土碳化深度有借鉴作用，但由 于一般大气环境下，影响混凝土碳化深度的因素很多，随机 性也很大。这些模型都不能反映实际工程中各种影响因素具 有时变性的特点。
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（2）钢筋电化学腐蚀的动力和速度
腐蚀电池存在是腐蚀发生的必要条件，而腐蚀发展动力和速度与电
极之间的电流速度有关。
腐蚀电流
阳极电位－阴极电位 阳极与阴极的电阻
阳极控制：砼高碱度在钢筋表面形成钝化膜阻止铁离子化
阴极控制：氧气不足或缺乏可阻止阴极反应
电阻控制：干燥环境、砼密实，存在涂覆层，电阻大
– 1998年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费,一年要2500亿美元, 其中桥梁修复费为1550亿美元(是这些桥初建费用的4倍);还有报 道说,到本世纪末,美国要花4000亿美元用于修复和重建钢筋腐 蚀破坏的工程。
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混凝土中钢筋的锈蚀
混
电化学腐蚀
凝
土
中
钢
化学腐蚀
筋
锈
蚀
种 类
应力腐蚀
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钢筋锈蚀将引起混凝土与钢筋粘结性能的退化
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钢筋的锈蚀
✓ 由于混凝土内的强碱性使得钢筋表面形成钝化膜，从而钢筋 在混凝土中不会锈蚀。
✓ 如果钢筋表面钝化膜被破坏，则钢筋就会发生电化学腐 蚀——锈蚀破坏
✓ 混凝土中钢筋锈蚀，引起体积膨胀2～7倍，导致混凝土保护层
开裂破坏
✓ 混凝土中钢材的钝化会由于下列原因被破坏：
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（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素－外在因素
外在因素
周围介质腐蚀性 周期冷热交替作用
冻融循环作用 干湿交替作用 海水海盐渗透作用
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（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素－内在因素
PH值影响(PH>10慢，PH<4快)
内在 因素
氯离子含量 (超过一定含量在不均匀砼中容易形成坑蚀)
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（3）粉煤灰取代影响系数
粉煤灰影响系数 3
轻集料混凝土 3 1.0060.17F 普通混凝土 3 0.9680.32F
F －粉煤灰等量取代水泥的质量分数（％），例如取代水泥的质
量分数为10％，则F=10。
粉煤灰具有一定的活性，掺用一定的粉煤灰，可节约水泥、降 低大体积砼水化热、改善泵送砼性能。但它和水泥水化后的氢 氧化钙相结合，使水泥碱度降低，从而削弱混凝土的抗碳化性 能。在一般工艺条件下，其最大取代量不宜超过水泥质量的20
反应
阳极 F eF2 e2e
阴极
12O2H2O2e2OH
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（1）钢筋电化学腐蚀机理
F2 e 2 O H FO e2H 褐锈 4 F O e 2 O H 2 2 H 2 O 4 F O e 3 红H 铁锈
进一步氧化形成疏松易剥落的沉积物铁锈Fe2O3.Fe3O4.H2O,铁锈体 积比铁增加2－4倍，将保护层胀开造成钢筋外露。
因 素
集料品种影响(普通集料如火成岩等和人造集料如粉煤 灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好)
养护方法影响(标养和蒸养比普通养护差）
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➢ 混凝土碳化深度合格性指标
目前无统一标准，普遍观点：混凝土碳化深度到达保护层厚度定为安全使用期，即
在正常大气条件下，50年内混凝土碳化深度不允许超过混凝土保护层厚度。
近孔隙液局部酸化，带出更多铁离子。氯离子不构成最终锈蚀产物，也不消
耗，但促进锈蚀，起到催化作用。
F 2 e 2 C 4 IH 2 O F2 e 4 H C 2 O绿I锈
F 2 4 H e 2 O C 4 F O 第十页，2 共8I 5 e 页。2 C H 2 H I 2 H 2 O 褐锈
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（5）集料品种影响系数
集料品种影响系数 5
集料 品种
粗骨料 天然 人造 轻集料 轻集料
轻集
1.00
0.60
料砼
普通砼
－
－
注：影响系数为表中粗细集料的乘积
细骨料
普通 集料
普通砂
破碎 轻砂
珍珠岩 砂
－
1.00
1.40
2.00
0.56
1.00
－
－
普通集料结构致密，吸水率小。天然集料结构多孔，吸水率较大。人造轻集料孔隙率 较小，且多为圆形封闭孔，吸水率较小。
➢ 混凝土中的Ca(OH)2被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧化物中 和而失去碱性；
➢ 道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。
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钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式
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某立交桥栏杆破损、露筋
某立交墩柱钢筋锈蚀情况
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混凝土的碳化
砼结构周围介质存在酸性物质，渗入混凝土内与水泥石中的 碱性物质发生反应的过程叫做中性化。混凝土碳化是中性化 最常见的形式，是CO2与混凝土中碱性物质相互作用的一种 复杂物理化学过程。混凝土碳化将导致混凝土碱度降低， 破坏钢筋钝化膜，同时加剧砼混凝土的收缩，导致收缩裂 缝产生和加大。
级别
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
使用条件
允许碳化深度(mm) 轻集料混凝土 普通混凝土
正常湿度，室内
40
35
正常湿度，室外
35
30
潮湿，室外
30
25
水位变化
25
20
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➢ 混凝土碳化深度计算
《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ83－85），首次提出 混凝土在CO2体积分数为20％、标准养护28天时快速碳化的多系数方程如下 ：
D 123456Kt
1 －水泥用量影响系数
4 －水泥品种影响系数
2 －水灰比影响系数
5 －集料品种影响系数
3 －粉煤灰取代量影响系数
6 －养护方法影响系数
K －碳化速度系数，普通砼K=3.32，轻骨料砼K=4.18
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（1）水泥用量影响系数
水泥用量影响系数 1
轻集料混凝土 普通混凝土
➢ 钢筋的化学锈蚀
钢筋与酸、碱、盐等发生化学反应，形成锈蚀
2Fe6HN3 OF2eO32N2O43H2O 2Fe6HC IFeC 33IH2 2Fe3H2SO 4F2e(SO 4)33H2
钢筋在稀碱溶液中形成钝化膜，在高碱和高温下则产生碱裂 或碱脆化的溶解腐蚀
2 F 4 N e a 4 H 2 O O N 2 H F a 4 e 6 H 2 O
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➢ 钢筋的应力腐蚀
钢筋的应力腐蚀是电化学腐蚀和高应力复合作用结果。当钢 筋中存在较高拉应力时电化学方面比低应力时活跃得多。如 果因氯离子侵蚀形成蚀坑，则会形成明显应力集中。对于低 韧性高强度钢筋而言，应力集中很难通过塑性变形消除，从 而形成微裂缝，可能突然断裂而发生脆性破坏。没有任何征 兆，一般发生在预应力混凝土构件中，破坏后果很严重。
水灰比影响系数 2
轻集料混凝土 普通混凝土
2
0.017
2.06
W C
2
4.15 W C
1.03
水灰比对混凝土碳化影响呈明显的线性关系。水灰比越大，则 水灰比影 响系数越大，混凝土内部孔隙率越大，密实性越差，渗透性越差，碳化速 度越快。为了配制抗碳化性能较好的混凝土，应尽可能降低混凝土的水灰 比。
20±3℃，CO2体积分数为20±3％条件下进行的。快速碳化28天的碳化深度约 相当于在正常大气条件下（ CO2体积分数为0.03％ ）条件下混凝土存放龄期为 50年的自然碳化深度。通过 CO2体积分数对混凝土碳化深度的影响对比， 可以用下式表示
D 1 C 1t1
D2
C 2t2
C 1 , C 2 －不同环境条件下CO2相对体积分数 D 1 , D 2 －不同碳化深度（mm） t 1 , t 2 －碳化龄期（天或年）
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（6）养护方法影响系数
养护方法影响系数 6
集料品种 轻集料砼
普通砼
标准养护方法 1 1
蒸汽养护方法 1.50 1.80
标准养护：温度20±3℃，相对湿度不小于90％ 蒸汽养护：静庭4h，升温3h，恒温最高温90℃，恒温6－8h，降温2h
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碳化深度小结
公式建立在快速碳化的基础上，按照我国标准，快速碳化试验是在温度
％，否则 增加太快 3。
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（4）水泥品种影响系数
水泥品种影响系数 4
425号普通硅酸 425号矿渣或火山灰
集料品种
325号矿渣水泥
盐水泥
水泥
轻集料砼
1
1.20
1.25
普通砼
1
1.35
1.50
普通硅酸盐水泥配制的砼比混合材含量较高的同标号矿渣水泥和火山灰是你配 制的同有较好的抗碳化性能。水泥中活性混合材含量越高，越易与水泥水化产 物氢氧化钙反应，降低碱度，影响碳化性能。为提高抗碳化性能，应选用不含 混合材的硅酸盐水泥或少含混合材的普通硅酸盐水泥。
➢ 钢筋电化学锈蚀
（1）钢筋电化学腐蚀机理
O 2 H2O O 2 O 2 O 2 O 2 O 2
混凝土
阳极表面
阴极表面
钢筋金相组织和表面不均存在电位差 水分和氧气进入混凝土形成碱性溶液
钢筋
阳极 F eF2 e2e
阴极
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（1）钢筋电化学腐蚀机理
普通硅酸盐水泥密实未碳化混凝土的PH值为13，无CI-存在，形成 钝化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止钢筋锈蚀。如钝化膜破坏( 在PH<11.5将不能稳定存在)，在有水和氧气存在时，产生腐蚀电池
化学反应速度(取决于CO2含量和可碳化物的含量) CO2向砼扩散速度(取决于CO2和酸性物质浓度、孔隙结构) Ca(OH)2扩散速度(取决于混凝土含水率和Ca(OH)2浓度) 上述三个过程均与砼含水量、周围介质相对湿度、温度有关
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➢ 混凝土碳化深度公式
混凝土碳化后体积增加17%，混凝土中孔隙率和透气性降低，表面硬度 增加。由于混凝土碳化降低混凝土碱度，特别是混凝土保护层碱度， 减弱对内部钢筋的保护作用，最终导致钢筋锈蚀。混凝土碳化是导致 混凝土耐久性降低的主要原因。混凝土碳化导致孔隙部分被堵塞，此 外随着龄期增加，混凝土水化作用不断增强，砼孔隙率降低，混凝土 碳化速度降低。
所以：碳化深度预测模型需要改进！如ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ贝叶斯理论等
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混凝土碳化深度预测方法
上图可见，贝叶斯更新能够提高碳化深度的预测精度！
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事实上，混凝土碳化在一定程度上对混凝土构件的强度提高 是有益的！但其受压应力-应变曲线上升和下降段变陡，混凝土 脆性变大。
在混凝土结构耐久性研究 中，一个极为关键的问题就 是混凝土碳化速度的准确评 定，不同的碳化深度预测模 型指导着不同国家的耐久 性设计规范。影响混凝土 碳化深度的因素很多，随 机性也很大！
砼密实度和保护层厚度
裂缝影响(>0.2mm影响大)
水泥品种及粉煤灰掺合料影响 (降低砼碱性)
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知识点：氯离子锈蚀机理
绿锈
混凝土 褐锈
阳极表面
阴极表面
钢筋
氯离子易渗入钝化膜，形成易溶绿锈，绿锈向砼孔隙液中迁徙，分解为褐锈
，褐锈沉积于阳极区，同时释放氯离子和氢离子，回到阳极区，使阳极区附
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➢ 混凝土碳化机理
混凝土碳化的化学反应(空气中CO2含量低，碳化过程缓慢)
C2O H2OH2C3O C(a O)H 2H2C3O Ca3 CH O2O 3Ca2O Si2O 3H2O3H2C3O 3Ca3 C2O Si2O 6H2O 2CaSOi2O 4H2O2H2C3O 2Ca3 CSOi2O 6H2O 混凝土碳化速度取决于
建筑结构检测鉴定与加固第二章建筑结构损伤机理与危害
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混凝土中的钢筋腐蚀 – 世界一些国家的腐蚀损失,平均可占国民经济总产值的2%～4%; 其中,被认为与钢筋腐蚀有关者可占40%（至今我国尚无确切统
计数据)。
– 美国1984年报道，仅就桥梁而言,57.5万座钢筋混凝土桥,一半 以上出现钢筋腐蚀破坏,40%承载力不足和必须修复与加固处 理,当年的修复费为54亿美元;
碳化速度系数
碳化深度(mm)
D Kc t
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砼龄期(d)
➢ 混凝土碳化影响因素
水泥品种（普通水泥比矿渣水泥和火山灰水泥等好）
混
水泥用量（大好－改善和易性、提高密实性、增加碱性）
凝
土 碳
粉煤灰（小好－与Ca(OH)2结合，降低碱度）
化
影
水灰比（小好－降低孔隙率和渗透性、增加密实性）
响