混凝土耐久性

干燥收缩也可能 产生类似的裂缝
水分进入，使裂缝边缘清晰
桥塔支柱 上的纵向 裂缝
梁上的纵向裂缝
§3.4 混凝土的体积稳定性
3.4.1 变形的类型

1. 荷载作用下
2. 非荷载作用下 3. 应力作用下
产生弹性与非弹性变形
产生收缩与膨胀变形 产生徐变
混凝土的收缩、膨胀与徐变变形
3.5.1 水与混凝土的劣化
对许多建筑材料来说，水是它们生 产过程的重要原料之一，同时也是它们 破坏过程的主要介质。水也是多数结构 混凝土出现耐久性问题的核心。不仅物 理劣化过程与水有关；同时作为传输侵 蚀性离子的介质，水又是其化学劣化过 程的一个根源。
1. 混凝土的渗透性
Permeability of Concrete
夹带泥砂的水流
大 坝
大 坝 溢 流 面 示 意 图
消能坎
320国道湖南段，1992~93年建成
拆 除 前 的 西 直 门 桥
一 座 桥 何 以 只 有 二 十 年 寿 命 ？
美国波士顿大学已建90年的车库
翻修后的该大学制造工程研究中心
翻修前后的外墙
连接夹
点焊 连接
钢混 墙体 导电棒
1）在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙； 2）用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋； 3）混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入； 4）对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢 筋处于阴极区。
混凝土受环境作用产生劣化的“整体性”模型
一个不透水，但存在非 连续微裂缝，且多孔的 钢筋混凝土结构 由于微裂缝和孔隙 连通起来，不透水性逐 渐丧失 A：以下原因使孔隙内静水 压增大、混凝土膨胀： 钢筋锈蚀、碱-骨料反应、 水结冰、硫酸盐侵蚀; B：混凝土强度与刚度降低 开裂、剥落与整体性丧失 环境作用（第一阶段） （无可见损伤） 1. 侵蚀作用 （冷热循环、干湿循环） 2. 荷载作用 （循环荷载、冲击荷载）
混凝土搅拌时加入的水份，一部分在 水化反应中消耗，另一部分会在体内自由 迁移，或在干燥条件下逐渐蒸发（包括所 有毛细孔水和一部分吸附水），但同时也 会在暴露于潮湿环境时吸收水份达到饱和, 由于可蒸发水的可逆性和随之引起产生膨 胀的反应是导致混凝土劣化的重要原因。
水化对水泥浆渗透性的影响
最初几周，硬化水泥浆体的渗透性下降数个量级
图3-34 在潮汐或浪溅区暴露时混凝土不同深度的氯离子浓度(a) (b)
a 暴露时间的影响（硅酸盐水泥，湿养护3d） b 粉煤灰掺量的影响（湿养护1d，28d后暴露2年）
粉煤灰减小氯离子扩散的作用
混凝土中钢材锈蚀的防护
下列几种新措施，可以在原材料选择、配合比 设计、保护层厚度与施工过程的基础上，进一步 改善对钢材腐蚀的防护作用：
3. 硫酸盐与海水的腐蚀 1 硫酸盐侵蚀引起混凝土劣化的机理， 是它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反 应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石。
C3A+ 3CŜ· 2+26H C3A· H32 H 3C·
4. 酸腐蚀
由于混凝土中硬化水泥浆体呈高 碱性，没有任何硅酸盐水泥混凝土可以 耐酸腐蚀。但如果注意降低渗透性并且 养护良好，也能够生产出在弱酸环境中 足够耐久的混凝土。
干燥收缩 / 自身收缩
均由水的迁移所引起。 当水灰比降低，干缩减小，自缩增大； 自缩均匀地发生，干缩由表及里； 干缩要减少蒸发，自缩要湿养护。
徐 变
1） 发生在应力方向，或增大应 变，或减小应力； 2）随荷载、温度、时间、干燥 程度而增大。
硬化水泥浆体微结构—性能关系
3) 耐久性 硬化的水泥浆体可象致密的 岩石一样不透水。同时，即使骨料非常致密， 混凝土的渗透性也要比水泥浆体低一个数量 级。这说明混凝土体的渗透性并不直接取决 硬化水泥浆体，更主要的影响来自过渡区。
3.5.2 混凝土的劣化
分为两大类：
第一类，由水、空气和其它侵蚀性介质 渗透进入混凝土的速率所决定。 包括化学的：钢筋锈蚀、碱-骨料反应、 硫酸盐、海水和酸的侵蚀；物理的：冻融、 盐结晶、火灾等。 第二类，是磨耗、冲磨与空蚀，涉及一 些另外的机理。
1. 表面损耗造成的劣化
包括磨耗、冲磨和空蚀三种作用。 磨耗指摩擦引起的损耗，主要为路面和工 业地坪由于车辆行驶造成； 冲磨发生于水工结构，例如隧道衬砌、溢 流面以及给排水管道等，当水夹带砂土颗粒流 过混凝土表面，与其碰撞、滑动或滚动引起的 损耗； 水工混凝土还受到另一种破坏作用，称为 空蚀（也称气蚀）。水流夹带气泡在流向突然 变化时形成高负压导致爆裂，使表面产生空穴 的现象。
2. 2. 盐结晶引起开裂
• 混凝土因孔隙里盐发生结晶的物理作用， 可能造成严重的损害，许多多孔材料都可能 由于与其接触的饱和溶液析晶过程产生的压 力引起开裂。盐结晶只能发生在一定温度下 溶质的浓度超过饱和浓度的时候。过饱和度 越大，结晶压越大。例如岩盐NaCl在过饱和 度=2时，8℃下产生的结晶压可达55.4MPa， 足以让岩石或混凝土开裂
§3.5 混凝土耐久性
DURABILITY of CONCRETE
混凝土耐久性
第一次危机：四十年代，美国大量路 面受冻融循环侵蚀很快发生剥落； 第二次危机：八十年代，美国等国家 大量混凝土桥面板、路面、停车场和 港口设施受侵蚀破坏。
问题
一条新修好的水泥混凝土路面， 其使用寿命长短主要取决哪些因素？
环境作用（第二阶段） （损伤的开始与扩展） 水的渗入 O2、CO2渗入 酸性离子（Cl- 、 SO4-)渗入
3.5.4 混凝土耐久性设计
对各种处于侵蚀性环境中工作的结 构物，不仅需要考虑强度，还需要从耐 久性角度来选择原材料，进行混凝土配 合比设计和决定钢筋混凝土保护层最小 厚度等。
联盟桥
海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范
3.4.3
温度收缩与热膨胀
3.4.4
3.4.5 3.4.6
干燥收缩与徐变
自身收缩 碳化收缩
温度收缩 / 干燥收缩
大体积混凝土 / 大比面积混凝土 由于近些年来各种基础设施向大型 化、高强度、快速施工发展，混凝土浇 注后产生的温升大、温峰高、强度发展 快、弹性模量上升迅速、延伸性减小， 因此而引起结构物开裂的现象明显加剧， 受到普遍的关注。
混凝土结构防腐蚀耐久性设计，必须针 对结构预定功能和所处环境条件，选择合适 的结构形式、合理的构造、抗腐蚀性与抗渗 性良好的优质混凝土。
对暴露环境严酷或对耐久性有更高要求 的重要工程，宜配以其他防腐蚀措施，如采 用高性能混凝土、混凝土表面涂层保护、环 氧涂层钢筋、混凝土中掺阻锈剂等。
图5 一种钢筋混凝土结构的耐久性的整体论方法
5.碱-骨料反应 Alkali-Aggregate Reaction(AAR)
最常见、最重要的反应是碱—硅反应 （简称ASR），它是骨料中所含的无定形硅 与孔隙里含碱（钠、钾、钙的氢氧化物） 的溶液反应，生成易于吸水膨胀的碱-硅凝 胶，当结构物暴露在潮湿环境中，混凝土 体内相对湿度超过85%时，就会出现膨胀， 直到引起混凝土开裂与破坏。
图3-24 硬化水泥浆体渗透性与水灰比的关系（%水化度）
渗透性—水灰比关系存在临界区域
渗透性与耐久性
采用适宜的原材料及良好的生产、 浇筑与养护操作，当水泥用量为300～ 350Kg/m3、水灰比0.45～0.55，制备出 28d抗压强度为35～40MPa的混凝土， 在大多数环境条件下可以呈现足够低的 渗透性和良好的耐久性能。
引气与抗冻融循环性能的关系示意图
7. 抗火性
随着温度升高，发生以下三种变化：
1 ）升温时混凝土内的水分逐渐蒸发，接着结 合比较牢固的水分也逐步逸出； 2 ）由于硬化水泥浆体和骨料热膨胀系数的差 异，产生温度应力并导致过渡区开裂，这是 500℃以上时强度迅速丧失的主要原因。石灰 石和轻骨料混凝土抗火性能较优异。
高温蒸汽养护
预制预应力结构 中应力过大
石膏-玷污 骨料
暴露于水中 微裂缝
从整体 方法论 看待DEF 的发生
雨水 延迟生成钙矾石
相对湿度大
桥隧工程混凝土劣化反应的鉴定
法国路桥试验中心
扫描电镜下的碱性反应凝胶
钙矾石沉积在骨料颗粒表面
降解反应 使结构物 表面呈现 网状与陶 面裂缝； 缝长可达 10~50mm、 深几厘米；
2. 离子在混凝土中的扩散
Diffusion of Ion in Concrete
离子的扩散行为虽与水在混凝土 中的传输不同，但它要以水为载体。 离子(或原子、分子）在浓度梯度作用 下运动，即扩散过程，传输速率由费 克（Fick)定律求得。
防 波 堤
3. 混凝土的吸水性
硬化水泥浆体或混凝土因毛细 作用(而不是压力梯度)吸收或吸附 水份于其孔隙里的性质，称为吸水 性。试验表明：吸水性大小主要反 映混凝土靠近表层的抗渗性。
从整体 方法论 看待DEF 的发生
雨水 延迟生成钙矾石
相对湿度大
海水
钢筋
电沉积
外设电极
混凝土表面
埋设钢筋
浸泡溶液 裂缝
金属钛网
恒电势
4 Week
20 Week
冰岛一港口
冻害造成D-型裂缝
路 面 受 盐 冻 剥 落
加 引 气 剂 后 改 善
加
高水灰比
大渗透性
低水灰比
小渗透性
碱 骨 料 反 应 引 起 的 错 位
—
硫 酸 盐 侵 蚀
延迟生成钙矾石 (Delayed Ettringite Formation--DEF) 引起混凝土劣化
温度与干燥收缩
高硫熟料 后期硫酸 盐释放
高温蒸汽养护
预制预应力结构 中应力过大
石膏-玷污 骨料
暴露于水中 微裂缝
2）道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。
钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式
混凝土中钢材的锈蚀
Steel Corrosion in Concrete
1）碳化引起的锈蚀 条件：CO2 、水分（相对湿度50~70%时最迅速）； 2）氯化物引起的锈蚀
条件：氯离子扩散、氧与水分；与保护层厚度、 水灰比、水泥用量等有关。
混凝土中钢材的锈蚀
产生开裂的时间分两个阶段:
1 ）脱钝介质 (酸性氧化物或氯化物) 到达 钢材表面并开始锈蚀的时间T0； 2）锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的 时间T1。
T0：开始锈蚀;
T1：混凝土开裂；
电沉积
T0
T1
混凝土中钢材的锈蚀
氯化物对结构物暴露于潮汐区与浪 溅区混凝土的作用，在很大程度上取决 暴露时间、条件和混凝土性能。保护层 的厚度和性质对尽可能地延长t0很关键， 低水灰比、水泥用量适当与足够地养护 对增大t0、降低吸收与扩散系数有关。
3）硬化水泥浆体的水化产物到接近1000℃的 时候分解完毕，强度完全丧失。
问题：
1. 与普通强度混凝土相比，高强混凝土 抗火性较差还是较好？为什么？ 2. 为什么用石灰石作为骨料的混凝土抗 火性能较好？
3.5.3
混凝土中钢材的锈蚀
混凝土中钢材的钝化会由于下列原因被破坏：
1 ）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；
图3-26 典型的碱-骨料反应开裂形式
常见的碱—骨料反应破坏形式
碱—骨料反应影响因素
1）水泥或混凝土的含碱量 ； 2）活性氧化硅含量 ； 3）骨料粒径 ； 4）水分来源 ； 5）环境温度 。
混 凝 土 含 碱 量 的 阈 值
6.
冻害
混凝土中大毛细孔里的水结冰时， 体积大约要膨胀9 %，如果体内没有足 够的空间容纳，就会产生可能引起开 裂的压力。反复的冻融循环使危害扩 大和积累，产生开裂与剥落。
阳极 网带
阳极 网带
竖向和横 向钢筋
钛阳极用塑料夹和钢筋搭接
加拿大联盟桥 (12.9km、100年设计寿命）
CONFEDERATION BRIDGE
CONFEDERATION BRIDGE
CONFEDERATION BRIDGE IN CANADA
温度与干燥收缩
高硫熟料 后期硫酸 盐释放
钢筋混凝土结构耐久性的整体论观
思考题
1. 试分析实验室抗渗透性试验结果良好的 混凝土，浇注的水池却很快漏水可能的原因？
2. 防波堤处于水位变化区（潮差区与浪溅 区）的混凝土暴露环境严酷，可以采用哪些措 施改善其耐久性？
扫描电镜下的碱性反应凝胶
Map Cracking
碱—骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝