混凝土的耐久性全解

第三节:化学侵蚀
2.硫酸盐侵蚀
化学侵蚀最广泛和 最普通的形式是硫 酸盐的侵蚀。
图为被硫酸盐腐蚀土壤破坏的混泥土柱
第三节:化学侵蚀
硫酸盐侵蚀的机理
硫酸盐侵蚀引起的危害性包括混凝土的整体开裂和膨胀以及 水泥浆体的软化和分解。 水泥中的C3A含量过高将使混凝土遭受硫酸盐腐蚀，其主要原 因是单硫型铝酸盐形成钙矾石。
混凝土的耐久性
目 录
混 凝 土 的 渗 透 性
化 学 迁 移
化 学 侵 蚀
物 理 侵 蚀
概述
混凝土的耐久性的含义： 抵抗因服役环境外部因素和材料内部原因造成 的侵蚀和破坏，而保持其原有性能不变的能力。 混凝土的三个主要成分：集料、浆体和加筋材 料，其中任一组分的有害性质都会使混凝土损 坏，同时也可由于化学的或物理的因素而损坏。
不同硫酸盐的影响
硫酸镁腐蚀性较强，因为由于存在镁离子，有可能增加额外的腐 蚀反应，从而使C-S-H和硫铝酸钙分解： （3） C4 ASH12 3M S (aq) 4C SH2 3MH AH3 （4） 所形成的硅胶，如反应式（3）所示，可以与MH缓慢反应形成无 胶凝性的硅酸镁晶体。当MgSO4 浓度很高时，硫铝酸盐腐蚀完全被镁 盐腐蚀所取代。
第三节:化学侵蚀
4.盐类的结晶
当混凝土与含有大量溶质的 水想接触时，就会发生结晶腐蚀。 这些盐类渗入混凝土，并且由于 经过蒸发、浓缩而在孔内结晶， 如此反复或连续蒸发，将引起盐 的沉积而造成开裂点。
第三节:化学侵蚀
限制盐结晶问题可采取的措施： （1）使用低水灰比—低渗透性混凝土限制水分的渗透； （2）密封混凝土； （3）在结构件制造一层障碍层以防止毛细管效应发生。
第一节：混凝土的渗透性
经过养护后的浆体渗透系数是非常 小的，即使总孔隙率高时，其渗透系数 与低孔隙率的岩石同级。因此可总结为 水并不能顺利通过细小的胶孔，其渗透 性受互相连通的毛细孔网络所控制。如 继续水化，则由于C-S-H凝胶的形成而 堵塞了互相连通的孔，使毛细管网络变 得愈加扭曲，并伴有Kp不断减小。达到 出现完全不连通毛细孔所需要的养护时 间是W/C的函数。
第三节:化学侵蚀
6.金属的腐蚀
钢筋发生腐蚀时，铁锈产生的膨胀反应会导致锈蚀钢筋上部 的混凝土产生开裂和剥落。
第三节:化学侵蚀
防腐措施： （1）Biblioteka Baidu低混凝土渗透性； （2）在混凝土上涂保护层； （3）钢筋上涂保护层； （4）遏制电化学过程。
第四节:物理侵蚀
1.冻融
＊ 混凝土发生冻融破坏的条件
混凝土处于饱水状态 混凝土受冻融交替作用
反应式（3）和（4）由于氢氧化镁的不溶性而继续进行。MH的沉淀也增 加了石膏腐蚀的速率：
C3S2 H3 3M S (aq) 3C SH2 3MH 2SHx
CH M S (aq) C SH2 MH
（5）
第三节:化学侵蚀
硫酸盐腐蚀的三个过程：
1、硫酸盐离子扩散进入混凝土孔中，扩散由渗透系数Kp和硫酸 根离子的扩散系数Kd所控制。 2、在其开始阶段，石膏腐蚀实际上是有利的，因为石膏比氢氧 化钙更容易溶解，溶解—结晶反应将允许石膏首先结晶而不产 生膨胀。 3、因硫酸盐腐蚀引起内部开裂，顾混凝土有效的Kp将增加，从 而更进一步加速硫酸盐的腐蚀。
第三节:化学侵蚀
硫酸盐腐蚀的控制
防止硫酸盐侵蚀需同时具备优质的混凝土和低C3A含量的水泥。 选择胶凝材料时，其条件必须满足： （1）在混凝土早期C3A全部转化为钙矾石，以防止发生
C3 A S H12 2C S H 2 16H C 6 A S 3 H 32
2 4



（2）CH转化为C-S-H凝胶以防止发生 CH SO (aq) C S H 2 2OH (aq) 和 CH M S (aq) C SH2 MH （3）使用火山灰或者高炉矿渣。

第三节:化学侵蚀
3.酸和碱的腐蚀
水化水泥浆体是一种碱性材料，因此一般不会遭受各类碱性 材料特定的腐蚀。而对于酸性溶液情况就完全不同，酸很容易侵 蚀碱性材料。 氢离子将加速氢氧化钙的渗滤：
Ca(OH ) 2 2H Ca 2 2H 2O
(6)
如果浓度高时，C-S-H也可受侵蚀而形成硅胶与氢离子伴生的 阴离子，其本质可能会进一步加重侵蚀现象。
2 4
（2）
此反应又称为石膏腐蚀，因为它伴随固体体积产生约120%的 膨胀。对于较高的硫酸盐浓度，在10年甚至更长的时间内，石膏 腐蚀与式（1）所表达的钙矾石结晶腐蚀相比仍处于次要地位。然 而，长期暴露在硫酸盐环境中，即使硅酸盐水泥中铝酸盐浓度较 低，石膏腐蚀也将称为破坏的主要原因。
第三节:化学侵蚀
＊ 冻融侵蚀产生的破坏作用 冻胀开裂 表面剥蚀 ＊ 抵抗冻融破坏，必须同时具有适当含气量的浆体和耐久的集料
第四节:物理侵蚀
水泥浆体的冰冻
当水饱和混凝土冷却至0℃以下时，水泥浆体中大部分的水不 会立即结冰。浆体内的孔径分布范围很大，可由热力学证明毛细 管孔中的水不会冰冻，一直要到温度低于0℃的一定数值才会冻冰， 所降低的数值视孔径而定。如果毛细孔水中有碱存在。则冰点温 度下降。有时虽然温度降至冰点，混凝土中相当一部分水不是结 冰而形成过冷水，因为初始结冰需要晶柱。晶核将在混凝土外部 或混凝土内较大空隙中形成，并随温度的下降而渗入水泥浆体内 部。结晶体并不能容易的渗入细小的毛细孔，只有当温度降到零 度以下才能做到。最后水分被造成浆体内部毛细孔和微孔表面的 C-S-H表面所吸附，它们永远不会结冰，虽然水可以移至毛细管内， 并可在其中结冰。
第三节:化学侵蚀
盐霜的产生表明在混凝土内部发生了明显的渗 滤，严重的渗滤导致孔隙率增加，从而降低混凝土 的强度和增加了受侵蚀性化合物作用的弱点。氢氧 化钙是水化产物，它最易从混凝土中渗出；C-S-H凝 胶本来是不分解的，只有长期处于严重渗滤条件下 才会分解。因此，氢氧化钙含量多的水泥浆体，更 易于渗滤和起霜，在不利条件下损坏的可能性更大。 渗出速率取决于渗透水中含有各种溶解盐的总量。
第四节:物理侵蚀
渗透压假说 大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓 度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。 浓度差使小孔中的溶液向大孔迁移。
第四节:物理侵蚀
2.盐剥落
剥落的机理
混凝土表面附加的自由水可以促进表面处微观或宏观冰 晶体的生长。当盐分进入碱性的孔溶液中 将增加渗透压效 应。当盐的浓度较低时，盐剥蚀随浓度的提高而严重，但是 在高浓度时将减弱。
第一节：混凝土的渗透性
达西定律
反映水流通过水泥浆体的流速规律
h p x
表达式：v K
v —— h —— x —— Kp ——
水的速度 龙头（水压力） 试件的厚度； 渗透系数
第一节：混凝土的渗透性
水泥浆的Kp不是常数，此值决定与W/C比和水泥浆的龄期
密实的充分水化的水泥浆体
水泥浆体的泥龄对渗透系数的影响（W/C=0.51)
C3 A S H12 2C S H 2 16H C 6 A S 3 H 32

（1）
此反应伴有固体体积增加55%，引起浆体内部体积膨胀，并同 时产生内应力，最后导致开裂。体积膨胀也可由微晶状态的钙矾石 吸水引起。
第三节:化学侵蚀
硫酸盐腐蚀开始是硫酸根离子和氢氧化钙反应：
CH SO (aq) C S H 2 2OH (aq)
概述
化学侵蚀： 渗滤和盐霜，硫酸盐腐蚀，碱--集料反应， 酸类和碱类，金属的腐蚀； 物理腐蚀包括： 冻融，干湿，温度变化，磨损和磨耗。
破坏的钢筋混凝土结构
第一节：混凝土的渗透性
＊ 对耐久性影响最大的单一参数是水灰比W/C （或水胶比W/cm）。 ＊ 如果W/C比减小，则浆体的孔隙率减少，混 凝土变得不透水。 ＊ W/C比的变化对渗透性的影响主要受制于毛 细孔的孔隙率，而不是凝胶孔的孔隙率。
第三节:化学侵蚀
2 3CaO 2SiO2 3H 2O 6H 3Ca2 2(SiO2 nH2O) 6H 2O
H O
碳酸因能形成可溶性重碳酸钙故腐蚀性也较强：
Ca(OH )2 H 2CO3 Ca( HCO3 )2 H 2O
任何酸如能以类似方式形成可溶性钙盐，则侵蚀性强烈，而如 果酸能形成不溶性钙盐，则在酸侵蚀过程中，其沉淀物能保护混凝 土免受进一步破坏。
第三节:化学侵蚀
5.污水管的腐蚀
混凝土污水管处于非常严 重的腐蚀条件下，污水管不仅 可以被地下水中的物质（硫酸 盐或酸类）腐蚀，更易受污水 本身的腐蚀。
第三节:化学侵蚀
污水管表面的保护性处理:
（1）采用沥青、柏油和树脂作为涂层，以及使用铝酸钙水泥； （2）使用水玻璃（硅酸钠）、不溶性皂类、氯盐以及铁盐使混凝土表 面孔隙为不溶性盐沉淀物所填充或形成一个耐久的表面涂层； （3）用二氧化碳气体或四氟化硅蒸汽进行防护处理； （4）对于长期的保护，也有使用厚的衬套（聚氯乙烯薄片）或者涂层 （环氧树脂砂浆）； （5）最常用的的有效方法，还包括对污水管进行氯化处理以防止磺化 酸的形成，加入石灰提高PH值，清除管内的粘土和淤泥保持良好的通 风以提高水流速度等。
第四节:物理侵蚀
剥落的防护 混凝土适当引气、低水灰比、低渗透性 在去冰化学及使用前进行适当的湿养护，并 经一段时期干燥，
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W/C 0.40 0.45 0.50 0.60 0.70 >0.70 养护时间/d 3 7 28 180 365 不可能形成
第一节：混凝土的渗透性
掺入辅助胶凝材料，特别是硅灰，可以 显著降低渗透性——事实上这种下降比仅降 低水胶比W/C的效果更明显。硅灰的掺入同 时减小了孔隙率和孔的尺寸。
第二节:化学迁移
第三节:化学侵蚀
1.渗滤和盐霜
当水分能经材料渗出时，无论连续或间歇的， 或当暴露的表面受干湿交替作用时，混凝土的表面 几乎常常出现盐霜。盐霜由沉积的盐类所组成，这 些盐类可能是混凝土渗析出的盐经蒸发水分后的结 晶，或与大气中二氧化碳相互作用的结晶而生成。 典型的盐类为硫酸盐、钠、钾或钙的碳酸盐，其主 要组成是碳酸钙。
大部分混凝土都含有毛细孔水，化学迁移将由孔溶 液和化学物质的相互作用控制。酸将溶解水泥浆体的组 成和一些集料，从而提高了混凝土的渗透性和扩散系数。 一些有机物会形成钙皂，将减小渗透性，但大部分碳氢 化合物与混凝土不发生反应。一些无机盐，如氯化钠和 氯化钙将对混凝土产生像冻融破坏加剧的物理作用或者 与混凝土内部的钢筋反应，使钢筋锈蚀。其他物质，如 硫酸盐由于化学侵蚀使混凝土严重损伤。
第四节:物理侵蚀
不加保护的浆体内 伴随着冰冻会产生严重 的膨胀，导致内部产生 拉伸应力直至破坏。对 于引气浆体，在降温冰 冻时膨胀极小并有相当 程度的收缩
温度下降时，水泥浆体的体积变化
第四节:物理侵蚀
冻融侵蚀机理
静水压假说 当冰在毛细管中形成时所伴随的体积增加引起剩余水被 压缩。如果水能够从毛细管经过没有冰冻的孔扩散外逸至自 由空间，则可以消除这种压力。但假如水移动外逸至边缘的 距离太远，则毛细管有膨胀的趋势，同时周围的材料会受到 压力作用。叠加邻近毛细管的压力则最后将引起浆体超过抗 拉强度并发生破裂。如温度逐渐下降，较多的毛细管水要发 生冰冻，并增加水压力，因而增加了微裂缝和膨胀
第一节：混凝土的渗透性
水灰比对渗透性的影响图
当W/C比大于0.42 后，毛细孔的体积 将明显增加。
第一节：混凝土的渗透性
＊ 混凝土的渗透性对混凝土耐久性起着重要的作用， 因为渗透性控制着水分渗入的速率，这些水可能 含有侵蚀性的化合物，同时也控制混凝过程中受 热或冰冻时水的移动。 ＊ W/C比对混凝土耐久性起双重的作用，因为低W/C 比也能增加混凝土的强度，从而改善混凝土抵抗 因有害反应而产生内应力的破坏。