混凝土结构的耐久性

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混凝土结构的耐久性
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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混凝土结构的耐久性
荷载引起的开裂 ——弯曲 ——剪切 ——拉伸
性能
开始 最低限
维修
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使用寿命
时间
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混凝土结构的耐久性
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
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
பைடு நூலகம்养护/湿、热
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抵抗力 安全
刚度 使用性能
表面条件 外观
子将释放出一个分子的水，碳化后水化物质的干燥质 量要比未碳化水化物质干燥后的质量稍大一些 （3）密实度、抗渗性和强度增加：碳化产物填充孔隙， 但对于硫酸盐矿渣水泥（过硫酸盐水泥）和石灰矿渣 水泥，其硬化是以矿渣在碱性介质中的活化为条件的， 因此他们的强度应碳化而受到损失 （4）收缩：碳化可使水泥浆的极限干缩率增加1倍左右
混凝土结构的耐久性
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2020/11/26
混凝土结构的耐久性
混凝土分类 胶结材料 骨料 用途 施工工艺
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配筋方式 性能
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…
普通、重、轻（砂轻、全轻）、大孔、全砂…
水工、海工、道路、耐热、耐酸、防辐射…
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… 早强、无收缩、微膨胀…
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混凝土结构的耐久性
暴露时间，年
混凝土
强度 5
20MPa 0.5
40MPa
4
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碳化深度，mm
10
15
20
2
4
7
16
36
64
混凝土结构的耐久性
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
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混凝土结构的耐久性
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。
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混凝土结构的耐久性
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。
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混凝土结构的耐久性
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。
环境下的可预期寿命显著降低。
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混凝土结构的耐久性
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
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。
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混凝土结构的耐久性
r(m)
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10
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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
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混凝土结构的耐久性
影响混凝土碳化的因素
• 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）、
• 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
3、加大混凝土保护层厚度
4、镀锌钢筋、环氧涂层钢筋、阴极保护等
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混凝土结构的耐久性
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 建筑的位移
塑性收缩、塑性层缩 模板位移、地基位移
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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混凝土结构的耐久性
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。
混凝土结构的耐久性
水泥混凝土的发展
1、1850年钢筋混凝土技术 （1824年英国人获得水泥专利，1886
年美国人发明回转窑锻烧工艺） 2、1928年预应力混凝土技术 3、19世纪70年代外加剂技术
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混凝土结构的耐久性
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。
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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混凝土结构的耐久性
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)
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。
认识。于是，提出了HPC的概念。
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混凝土结构的耐久性
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。
2高性能混凝土不仅是对传统混凝土的重大突
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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混凝土结构的耐久性
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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混凝土结构的耐久性
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
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
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
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混凝土结构的耐久性
2、钢筋锈蚀 Fe——Fe2++2e
2H++2e——H2(反应在碱性环境中受到抑制,极化) O2+2H2O+4e——4OH-（反极化） Fe2++ 2OH- ——FeO ·xH2O(体积增加约3倍) 4Fe(OH)2+O2+2H2O——4Fe(OH)3 ·xH2O(体积增加约5倍) 氯盐影响：可溶的氯化铁生成，当氯离子与氢氧根离子浓度比 大于0.6时，即使pH高达11.5，钢筋的锈蚀也得不到保证。
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混凝土结构的耐久性
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。
混凝土结构的耐久性
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。
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。
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混凝土结构的耐久性
1、混凝土的碳化
影响因素：H2O、CO2 ——空气中CO2（浓度约0.03%）扩散进入孔隙与 溶解的Ca(OH)2反应生成CaCO3 (完全饱和，完全干燥)
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混凝土结构的耐久性
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Xc～c·t1/2
混凝土结构的耐久性
碳化效应：
（1）碱度降低 （2）质量增加：水泥浆碳化时，每吸收一个二氧化碳分
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混凝土结构的耐久性
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
坑蚀
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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混凝土结构的耐久性
影响因素： H2O、O2、温度、氯离子浓度、pH值、裂缝
双电极法
两电极相距20cm，电位梯度为150～200 双电极法 时，低电位处腐蚀
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混凝土结构的耐久性
防止钢筋锈蚀的主要措施
1、降低混凝土渗透性 低水灰比和充分养护 岩石渗透系数：10－10～10－15 凝胶渗透系数：7× 10－16 水泥浆渗透系数：1× 10－14
2、限制氯盐含量 钢筋混凝土：0.10% 预应力混凝土： 0.06%
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混凝土结构的耐久性
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
微孔 nm
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毛细孔
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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
混凝土结构的耐久性
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
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混凝土结构的耐久性
标准名称 测试方法 ASTM C 876 单电极法
判别标准（mV）
日本锈蚀诊断 草案
印度标准
冶金部标准
单电极法 单电极法 单电极法
低于200mV，钢筋无锈蚀得概率大于 90% 高于350mV，钢筋发生锈蚀的概率大于 90% 介于两者之间时，未能确定
冶金部标准 德国标准