混凝土的时效硬化

3、 结构抗力的衰减因素及影响机制


3.1 3.2 3.3 3.4
钢筋的锈蚀及其影响机制 碱-集料反应及其影响机制 混凝土的抗渗及抗冻性及其影响机制 侵蚀性介质对混凝土的破坏及其影响机制
3.1 钢筋的锈蚀及其影响机制
钢筋锈蚀主要由于混凝土的碳化和氯离子引起的锈蚀作 用产生的。钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍，使钢 筋位臵处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。这 种裂缝沿钢筋方向发展，且随着锈蚀的发展混凝土剥离产生 空隙。
钢筋因锈蚀而引起的碳化
影响混凝土碳化的因素 ④覆盖层 ◆ 当混凝土未碳化时，钢筋表面有一层致密的氧化膜，阻 止了钢筋锈蚀的电化学过程。 当混凝土被碳化，钝化膜被破 坏后，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反 应。 ◆ 钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)2），体积比 铁增加2~6倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入， 促使锈蚀加快发展。 ◆ 因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密 实性和混凝土的保护层厚度。除此之外，也可采用涂面层、 钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀 。
式中： β------结构构件的可靠指标 -------结构构件作用效应的平均值和标准差 ------结构构件抗力的平均值和标准差
上述式子的缺点是：

在分析中忽略了基本变量随时间变化的关系，即忽视了 基本变量的时变性，从而导致现行结构可靠度的评定方法是 一种近似概率方法，据此求得的结构可靠度也是静态可靠度。 单就钢筋混凝土结构而言，在使用早期，可靠度一般比 设计值有所提高，这是因为在此期间混凝土强度有较大幅度 的提高，但钢筋混凝土存在耐久性问题，即其性能会随时间 发生退化，使结构的强度、刚度、可靠度降低。同时，由于 结构刚度的变化对结构的动力性能产生直接的影响，从而使 结构的动力荷载效应发生变化，并二次影响到结构可靠度。
（1）混凝土的碳化 混凝土碳化的过程： 碳化过程大致可分为三个阶段：第一阶段是CO2通 过扩散到达混凝土中；第二阶段是CO2溶解到孔溶液 中而形成了少量的碳酸：CO2+H2O=H2CO3；第三阶 段是碳酸与溶液到孔溶液中于氢氧化钙发生化学反 应形成碳酸钙和水；H2CO3+Ca(OH)2= CaCO3+2H2O。此时溶液中的pH值下降，在低pH值 环境中钢筋的保护层受到破坏，从而导致钢筋锈蚀。
3.2 碱-集料反应及其影响机制
（1）碱-集料反应发生条件 ◆混凝土的凝胶中有碱性物质。这种碱性物质主要来自于 水泥，若水泥中的含碱量（Na2O，K2O）大于0.6%以上 时，则会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料则会产 生反应； ◆骨料中有活性骨料，如蛋白石、黑硅石、燧石、玻璃质 火山石、安山石等含SiO2的骨料； ◆水分。碱骨料反应的充分条件是有水分，在干燥环境下 很难发生碱骨料反应。
影响混凝土碳化的因素
①材料因素 ◆ 水泥。其品种和用量决定了单位体积中可碳化物质 （CaO）的含量，因而对混凝土碳化有重要影响。单位体 积中水泥的用量越多，会提高混凝土的强度，又会提高混 凝土的抗碳化性能。 ◆ 水灰比。在水泥用量不变的条件下，水灰比越大， 混凝土孔隙中游离水越多，蒸发后混凝土内部的孔隙率也 越大，密实性就越差，CO2的渗入速度越快，因而碳化的 速度也越快。 ◆ 混凝土中外加掺合料和骨料品种 ②施工养护质量的影响 混凝土搅拌、振捣和养护条件影响混凝土的密实性， 因而对碳化有较大影响。此外，养护方法与龄期对水泥的 水化程度有影响，也会影响混凝土的碳化。
3.2 碱-集料反应及其影响机制
（2）碱-集料反应分类级作用机理 按照活性材料及其产生破坏时的反应机理不同，一般将 碱-集料反应分三种： ◆碱-硅酸反应（Alkali Silica Reaction）,即最早的 AAR或经典的碱集料反应。具体是指混凝土中的碱与骨料中 微晶或无定型硅酸发生反应，生成碱硅酸类
3.3 混凝土的抗冻性及其影响机制
混凝土由于其自身的特点，环境温度对工程质量的影响极 大，常规施工，当气温降至零度以下时，如果混凝土自身还未 达到临界抗冻强度，则混凝土发生冻伤，对混凝土的内在质量
造成严重影响。
3.3 混凝土的抗冻性及其影响机制
（1）混凝土受冻破坏的三种形式 受冻破坏的第一种形式：混凝土在早龄期一次受冻，就是在 形成不可逆构造前，微孔和毛细管里含有的游离水（在 105摄氏度时蒸发）冻结。破坏程度表现为强度和变形性 降低，以及外形的变化。 受冻破坏的第二种形式：硬化混凝土在水饱和状态下多次冻 融循环，构造的坚固性受到破坏。 受冻破坏的第三种形式：在低负温作用下，由于线性缩短或 压缩变形在混凝土内部结构中形成裂缝直至整体性完全破 坏。
（2）氯离子引起的锈蚀
◆钢筋表面的混凝土孔隙溶液中氯离子浓度超过某一定值或 不良环境中氯离子逐渐扩散和渗透进入混凝土内ຫໍສະໝຸດ Baidu时，也能 破坏钢筋表面的氧化膜，在有水份和氧气的条件下，就会发 生锈蚀的电化学反应。
◆ 钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加2~6倍，保护层被挤 裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。
为了更清楚地了解建筑结构在使用期间其可靠度随 时间变化的规律，并据此为结构的耐久性设计提供依据， 对建筑物的维修、维护和加固等防震减灾措施提供指导 作用。避免因盲目性造成不必要的经济损失，下面将对 各因素的影响机制和影响规律进行研究分析。 引起钢筋混凝土结构的抗力随时间退化的影响因 素包括很多方面，一般可归纳为三类，即环境因素、自 身因素和受荷因素。环境因素常见的有混凝土的碳化， 钢筋的锈蚀，侵蚀性气体、液体的腐蚀以及温度变化的 影响；自身因素主要是指混凝土及钢筋强度随时间的衰 减、碱-集料反应、混凝土的收缩与徐变；受荷载因素 主要指高应力幅度、疲劳损伤等。
◆碱-硅酸盐反应（Alkali-Silica
这种反应持续进行，直至白云石被完全作用或碱浓度降到足 够低为止，其特点是反应较快，而且反应少见凝胶产物，多 呈龟裂或开裂。
因碱-集料反应引起的混凝土破坏
混凝土碱凝胶微观放大图
3.2 碱-集料反应及其影响机制
（3）碱-集料反应的危害实例 混凝土碱-集料反应最早发现于1920年美国加利福尼亚 州的玉成桥，该桥建成三年后，发现桥墩顶部开裂，并且裂 缝向下发展。 美国德鲁姆犹他坝运行20年后发现了混凝土发生碱-集 料反应。加拿大的蒙特利尔桥梁于1953年发现第一例AAR破 坏实例。 在国内，北京的三元交叉桥于1984年建成，北京地区碱 活性砾石、混凝土碱含量超高，发生碱反应。北京地区的钢 筋混凝土铁路桥梁构件厂生产的轨枕于1988年铺设于铁路， 1955年调查发现13618块轨枕中有9387根严重开裂，发生了 碱反应，还有山东济南、吉林长春和北京通县的机场跑道等 也有不同程度开裂。
影响混凝土碳化的因素 ③外部环境的影响 ◆ 空气中的CO2浓度和向混凝土中的扩散速度。空气中的CO2 浓度大，混凝土内外CO2浓度梯度也愈大，因而CO2向混凝土内 的渗透速度快，碳化反应也快。 ◆ 空气湿度和温度。当空气相对湿度很大，碳化反应的附加 水份几乎无法向外扩散，使碳化反应大大降低。而在极干燥环 境下，空气中的CO2无法溶于混凝土中的孔隙水中，碳化反应 也无法进行。 试验表明，当混凝土周围介质的相对湿度为70%~85%时， 混凝土碳化速度最快。环境温度越高，碳化的化学反应速度越 快，且CO2向混凝土内的扩散速度也越快。
3.4 侵蚀性介质对混凝土的破坏及其影响机制
硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙及水 化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体 积膨胀，使混凝土破坏。硫酸盐除在一些化工企业存在 外，海水及一些土壤中也存在。当硫酸盐的浓度（以 SO2的含量表示）达到2‰时，就会产生严重的腐蚀。 酸腐蚀：混凝土是碱性材料，遇到酸性物质会产生化学 反应，使混凝土产生裂缝、脱落，并导致破坏。酸不仅 存在于化工企业，在地下水，特别是沼泽地区或泥炭地 区广泛存在碳酸及溶有CO2的水。此外有些油脂、腐植 质也呈酸性，对混凝土有腐蚀作用。
2、结构抗力的时变性和时变可靠度
在我国现行规范中，常用极限状态来衡量结 构是否可靠，并将极限状态方程中的基本变量表 达为结构抗力R和荷载效应S两个综合基本变量， 这种极限状态常用建筑结构的功能函数来表达， 即 G(S,R)=R-S﹤0 式中： S----结构的荷载效应 R----结构的抗力
按结构可靠度来控制: 在设计及评定建筑结构时，按可靠度来控制。在规定 的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。若 仍仅用结构抗力R和荷载S两个综合基本变量且均按正态分 布时，结构构件的可靠指标可按下式计算：
混凝土的时效硬化分析
主要内容
1、混凝土的发展状况
2、结构抗力的时变性和时变可靠度 3、结构抗力的衰减因素及影响机制 4、减缓混凝土结构抗力劣化的方法 5、结语
1、混凝土的发展状况
长期以来，混凝土作为土建工程中用途 最广，用量最大的建筑材料之一，在近百年 的发展中，其强度不断提高。但是，在提出 强度的同时，混凝土结构的抗力随时间劣化 的问题也愈来愈被人们所关注。 人们一直以为混凝土是非常耐久的材料， 直到20世纪20年代末期，发达国家才逐渐发 现原先建成的基础设施工程在一些环境下出 现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设 施工程和港口工程建成后20-30年，甚至在 更短的时期内就出现劣化。 目前经济发达国家处于第三阶段，结构 因承载力不足而失效，或为保证继续正常使 用而付出巨大维修代价。
碱硅酸类会在混凝土表面形成凝胶（如图），干燥后 为白色的沉淀物，具有强烈吸水膨胀的特性，此类反应一 般发生在骨料与水泥石界处，致使混凝土产生不均匀膨胀 引起开裂。
3.2 碱-集料反应及其影响机制
Reaction，ASR）， 活性骨料是结晶良好的硅酸盐岩石。碱-硅酸盐反应是指混凝 土中的碱与骨料中的某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层 状硅酸盐层间距增大，集料发生膨胀致使混凝土开裂。 ◆碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction,ACR） 其活性骨料是指某些碳酸盐岩石。碱-碳酸盐反应是指混凝土 中的碱与具有特定 的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒 白云岩集料发生下列反应，进行的所谓去（脱）白云化作用：
3.3 混凝土的抗冻性及其影响机制
（2）影响混凝土抗冻性的主要因素 含气量 含气量是影响混凝土抗冻性的主要因素，尤其是加入引 气剂形成的微小气孔对提高混凝土抗冻性史为重要。为使混 凝土具有较好的抗冻性，其最佳含气量约为5%～6%。 水灰比 水灰比大小是影响混凝土各种性能(强度、耐久性等)重要因 素。在同样良好成型条件下 ，水灰比不同，混凝土密实程 度、孔隙结构也不同。由于多余的游离分子在混凝上硬化过 程 中逐渐蒸发掉，形成大量开口孔隙，毛细孔又不能完全 被水泥水化生成物填满，直至相互连通，形成毛细孔连通体 系，具有这种孔隙结构的混凝土渗透性、吸水性都很大，最 容易使混 凝土受冻破坏。
3.2 碱-集料反应及其影响机制
混凝土集料中的某些活性矿物质与混凝土中所含的碱性溶 液（Na2O+K2O）产生化学反应称为碱-集料反应。碱-集料反 应导致混凝土破坏特征均表现为混凝土膨胀开裂，大量微裂缝 的产生不仅降低混凝土的力学性能，更重要的是加速了水、腐 蚀离子渗入混凝土内部，从而诱发碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻 融破坏协调效应，严重影响了混凝土工程耐久性。再有碱-集 料反应是在混凝土碱活性骨料周围缓慢、长期发生的，不仅无 法阻止其破坏继续发展，且破坏后不宜修复，因此被称为混凝 土的“癌症”。
混凝土的饱水状态 混凝土的冻害与其饱水程度有关。一般认为含水量小于 孔隙总体积的91. 7%就不会产生冻结膨胀压力，在混凝土 完全保水状态下，其冻结膨胀压力最大。混凝土的饱水状 态主要与混凝上结构的部位及其所处的自然环境有关。 混凝土的受冻龄期 混凝土的抗冻性随龄期的增长而提高。以为龄期约长水 泥水分越充分，混凝土强度越高，抵抗膨胀的能力越大， 这一点对旱期受冻的混凝土尤为重要。 外加剂的影响 引气剂、减水剂及引气型减水剂、纤维等外加剂均能提 高混凝土的抗冻性。引气剂能增加混凝土的含气量且使气 泡均匀分布，而减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减 少孔隙率，纤维提高混凝上的抗拉伸能力，最终都能提高 混凝土的抗冻性。