混凝土的耐久性

1、混凝土的耐久性 目 錄混凝土的滲透性化學(xué)遷移化學(xué)侵蝕物理侵蝕 概述 混凝土的耐久性的含義：抵抗因服役環(huán)境外部因素和材料內(nèi)部原因造成的侵蝕和破壞，而保持其原有性能不變的能力。混凝土的三個主要成分：集料、漿體和加筋材料，其中任一組分的有害性質(zhì)都會使混凝土損壞，同時也可由于化學(xué)的或物理的因素而損壞。 概述 化學(xué)侵蝕：滲濾和鹽霜，硫酸鹽腐蝕，堿-集料反應(yīng)，酸類和堿類，金屬的腐蝕；物理腐蝕包括：凍融，干濕，溫度變化，磨損和磨耗。 破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 第一節(jié)：混凝土的滲透性 對耐久性影響最大的單一參數(shù)是水灰比W/C（或水膠比W/cm）。如果W/C比減小，則漿體的孔隙率減少，混凝土變得不透水。W/C比的變

2、化對滲透性的影響主要受制于毛細孔的孔隙率，而不是凝膠孔的孔隙率。 第一節(jié)：混凝土的滲透性 當(dāng)W/C比大于0.42后，毛細孔的體積將明顯增加。水灰比對滲透性的影響圖 第一節(jié)：混凝土的滲透性 混凝土的滲透性對混凝土耐久性起著重要的作用，因為滲透性控制著水分滲入的速率，這些水可能含有侵蝕性的化合物，同時也控制混凝過程中受熱或冰凍時水的移動。W/C比對混凝土耐久性起雙重的作用，因為低W/C比也能增加混凝土的強度，從而改善混凝土抵抗因有害反應(yīng)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的破壞。 第一節(jié)：混凝土的滲透性 達西定律反映水流通過水泥漿體的流速規(guī)律xhKvp表達式：v 水的速度h 龍頭（水壓力）x 試件的厚度；Kp 滲透系數(shù)

3、第一節(jié)：混凝土的滲透性 水泥漿的Kp不是常數(shù)，此值決定與W/C比和水泥漿的齡期密實的充分水化的水泥漿體水泥漿體的泥齡對滲透系數(shù)的影響（W/C=0.51) 第一節(jié)：混凝土的滲透性 經(jīng)過養(yǎng)護后的漿體滲透系數(shù)是非常小的，即使總孔隙率高時，其滲透系數(shù)與低孔隙率的巖石同級。因此可總結(jié)為水并不能順利通過細小的膠孔，其滲透性受互相連通的毛細孔網(wǎng)絡(luò)所控制。如繼續(xù)水化，則由于C-S-H凝膠的形成而堵塞了互相連通的孔，使毛細管網(wǎng)絡(luò)變得愈加扭曲，并伴有Kp不斷減小。達到出現(xiàn)完全不連通毛細孔所需要的養(yǎng)護時間是W/C的函數(shù)。 第一節(jié)：混凝土的滲透性 摻入輔助膠凝材料，特別是硅灰，可以顯著降低滲透性事實上這種下降比僅降低

4、水膠比W/C的效果更明顯。硅灰的摻入同時減小了孔隙率和孔的尺寸。 第二節(jié):化學(xué)遷移 大部分混凝土都含有毛細孔水，化學(xué)遷移將由孔溶液和化學(xué)物質(zhì)的相互作用控制。酸將溶解水泥漿體的組成和一些集料，從而提高了混凝土的滲透性和擴散系數(shù)。一些有機物會形成鈣皂，將減小滲透性，但大部分碳氫化合物與混凝土不發(fā)生反應(yīng)。一些無機鹽，如氯化鈉和氯化鈣將對混凝土產(chǎn)生像凍融破壞加劇的物理作用或者與混凝土內(nèi)部的鋼筋反應(yīng)，使鋼筋銹蝕。其他物質(zhì)，如硫酸鹽由于化學(xué)侵蝕使混凝土嚴(yán)重?fù)p傷。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 1.滲濾和鹽霜 當(dāng)水分能經(jīng)材料滲出時，無論連續(xù)或間歇的，或當(dāng)暴露的表面受干濕交替作用時，混凝土的表面幾乎常常出現(xiàn)鹽霜。鹽霜由沉

5、積的鹽類所組成，這些鹽類可能是混凝土滲析出的鹽經(jīng)蒸發(fā)水分后的結(jié)晶，或與大氣中二氧化碳相互作用的結(jié)晶而生成。典型的鹽類為硫酸鹽、鈉、鉀或鈣的碳酸鹽，其主要組成是碳酸鈣。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 鹽霜的產(chǎn)生表明在混凝土內(nèi)部發(fā)生了明顯的滲濾，嚴(yán)重的滲濾導(dǎo)致孔隙率增加，從而降低混凝土的強度和增加了受侵蝕性化合物作用的弱點。氫氧化鈣是水化產(chǎn)物，它最易從混凝土中滲出；C-S-H凝膠本來是不分解的，只有長期處于嚴(yán)重滲濾條件下才會分解。因此，氫氧化鈣含量多的水泥漿體，更易于滲濾和起霜，在不利條件下?lián)p壞的可能性更大。滲出速率取決于滲透水中含有各種溶解鹽的總量。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 2.硫酸鹽侵蝕化學(xué)侵蝕最廣泛和最普通的

6、形式是硫酸鹽的侵蝕。圖為被硫酸鹽腐蝕土壤破壞的混泥土柱 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽侵蝕的機理 硫酸鹽侵蝕引起的危害性包括混凝土的整體開裂和膨脹以及水泥漿體的軟化和分解。 水泥中的C3A含量過高將使混凝土遭受硫酸鹽腐蝕，其主要原因是單硫型鋁酸鹽形成鈣礬石。32362123162HSACHHSCHSAC 此反應(yīng)伴有固體體積增加55%，引起漿體內(nèi)部體積膨脹，并同時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后導(dǎo)致開裂。體積膨脹也可由微晶狀態(tài)的鈣礬石吸水引起。（1） 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕開始是硫酸根離子和氫氧化鈣反應(yīng)：)(2)(224aqOHHSCaqSOCH（2） 此反應(yīng)又稱為石膏腐蝕，因為它伴隨固體體積產(chǎn)生約120%的膨

7、脹。對于較高的硫酸鹽濃度，在10年甚至更長的時間內(nèi)，石膏腐蝕與式（1）所表達的鈣礬石結(jié)晶腐蝕相比仍處于次要地位。然而，長期暴露在硫酸鹽環(huán)境中，即使硅酸鹽水泥中鋁酸鹽濃度較低，石膏腐蝕也將稱為破壞的主要原因。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 不同硫酸鹽的影響 硫酸鎂腐蝕性較強，因為由于存在鎂離子，有可能增加額外的腐蝕反應(yīng)，從而使C-S-H和硫鋁酸鈣分解：xSHMHHSCaqSMHSC233)(323233212434)(3AHMHHSCaqSMHSAC（3）（4） 所形成的硅膠，如反應(yīng)式（3）所示，可以與MH緩慢反應(yīng)形成無膠凝性的硅酸鎂晶體。當(dāng)MgSO4 濃度很高時，硫鋁酸鹽腐蝕完全被鎂鹽腐蝕所取代。 反應(yīng)式

8、（3）和（4）由于氫氧化鎂的不溶性而繼續(xù)進行。MH的沉淀也增加了石膏腐蝕的速率：MHHSCaqSMCH2)(（5） 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕的三個過程：1、硫酸鹽離子擴散進入混凝土孔中，擴散由滲透系數(shù)Kp和硫酸根離子的擴散系數(shù)Kd所控制。2、在其開始階段，石膏腐蝕實際上是有利的，因為石膏比氫氧化鈣更容易溶解，溶解結(jié)晶反應(yīng)將允許石膏首先結(jié)晶而不產(chǎn)生膨脹。3、因硫酸鹽腐蝕引起內(nèi)部開裂，顧混凝土有效的Kp將增加，從而更進一步加速硫酸鹽的腐蝕。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 硫酸鹽腐蝕的控制 防止硫酸鹽侵蝕需同時具備優(yōu)質(zhì)的混凝土和低C3A含量的水泥。選擇膠凝材料時，其條件必須滿足：（1）在混凝土早期C3A全部

9、轉(zhuǎn)化為鈣礬石，以防止發(fā)生32362123162HSACHHSCHSAC（2）CH轉(zhuǎn)化為C-S-H凝膠以防止發(fā)生)(2)(224aqOHHSCaqSOCHMHHSCaqSMCH2)(和（3）使用火山灰或者高爐礦渣。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 3.酸和堿的腐蝕 水化水泥漿體是一種堿性材料，因此一般不會遭受各類堿性材料特定的腐蝕。而對于酸性溶液情況就完全不同，酸很容易侵蝕堿性材料。 氫離子將加速氫氧化鈣的滲濾：OHCaHOHCa22222)(6) 如果濃度高時，C-S-H也可受侵蝕而形成硅膠與氫離子伴生的陰離子，其本質(zhì)可能會進一步加重侵蝕現(xiàn)象。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 OHOnHSiOCaHOHSiOCaOOH2

10、222226)(2363232 碳酸因能形成可溶性重碳酸鈣故腐蝕性也較強：OHHCOCaCOHOHCa223322)()( 任何酸如能以類似方式形成可溶性鈣鹽，則侵蝕性強烈，而如果酸能形成不溶性鈣鹽，則在酸侵蝕過程中，其沉淀物能保護混凝土免受進一步破壞。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 4.鹽類的結(jié)晶 當(dāng)混凝土與含有大量溶質(zhì)的水想接觸時，就會發(fā)生結(jié)晶腐蝕。這些鹽類滲入混凝土，并且由于經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮而在孔內(nèi)結(jié)晶，如此反復(fù)或連續(xù)蒸發(fā)，將引起鹽的沉積而造成開裂點。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 限制鹽結(jié)晶問題可采取的措施：（1）使用低水灰比低滲透性混凝土限制水分的滲透；（2）密封混凝土；（3）在結(jié)構(gòu)件制造一層障礙層以防止毛細

11、管效應(yīng)發(fā)生。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 5.污水管的腐蝕 混凝土污水管處于非常嚴(yán)重的腐蝕條件下，污水管不僅可以被地下水中的物質(zhì)（硫酸鹽或酸類）腐蝕，更易受污水本身的腐蝕。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 污水管表面的保護性處理:（1）采用瀝青、柏油和樹脂作為涂層，以及使用鋁酸鈣水泥；（2）使用水玻璃（硅酸鈉）、不溶性皂類、氯鹽以及鐵鹽使混凝土表面孔隙為不溶性鹽沉淀物所填充或形成一個耐久的表面涂層；（3）用二氧化碳氣體或四氟化硅蒸汽進行防護處理；（4）對于長期的保護，也有使用厚的襯套（聚氯乙烯薄片）或者涂層（環(huán)氧樹脂砂漿）；（5）最常用的的有效方法，還包括對污水管進行氯化處理以防止磺化酸的形成，加入石灰提高PH值，清

12、除管內(nèi)的粘土和淤泥保持良好的通風(fēng)以提高水流速度等。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 6.金屬的腐蝕鋼筋發(fā)生腐蝕時，鐵銹產(chǎn)生的膨脹反應(yīng)會導(dǎo)致銹蝕鋼筋上部的混凝土產(chǎn)生開裂和剝落。 第三節(jié):化學(xué)侵蝕 防腐措施：（1）降低混凝土滲透性；（2）在混凝土上涂保護層；（3）鋼筋上涂保護層；（4）遏制電化學(xué)過程。 第四節(jié):物理侵蝕 混凝土發(fā)生凍融破壞的條件 混凝土處于飽水狀態(tài) 混凝土受凍融交替作用1.凍融凍融侵蝕產(chǎn)生的破壞作用 凍脹開裂 表面剝蝕抵抗凍融破壞，必須同時具有適當(dāng)含氣量的漿體和耐久的集料 第四節(jié):物理侵蝕 水泥漿體的冰凍 當(dāng)水飽和混凝土冷卻至0以下時，水泥漿體中大部分的水不會立即結(jié)冰。漿體內(nèi)的孔徑分布范圍很大，

13、可由熱力學(xué)證明毛細管孔中的水不會冰凍，一直要到溫度低于0的一定數(shù)值才會凍冰，所降低的數(shù)值視孔徑而定。如果毛細孔水中有堿存在。則冰點溫度下降。有時雖然溫度降至冰點，混凝土中相當(dāng)一部分水不是結(jié)冰而形成過冷水，因為初始結(jié)冰需要晶柱。晶核將在混凝土外部或混凝土內(nèi)較大空隙中形成，并隨溫度的下降而滲入水泥漿體內(nèi)部。結(jié)晶體并不能容易的滲入細小的毛細孔，只有當(dāng)溫度降到零度以下才能做到。最后水分被造成漿體內(nèi)部毛細孔和微孔表面的C-S-H表面所吸附，它們永遠不會結(jié)冰，雖然水可以移至毛細管內(nèi)，并可在其中結(jié)冰。 第四節(jié):物理侵蝕 溫度下降時，水泥漿體的體積變化 不加保護的漿體內(nèi)伴隨著冰凍會產(chǎn)生嚴(yán)重的膨脹，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力直至破壞。對于引氣漿體，在降溫冰凍時膨脹極小并有相當(dāng)程度的收縮 第四節(jié):物理侵蝕 靜水壓假說 當(dāng)冰在毛細管中形成時所伴隨的體積增加引起剩余水被壓縮。如果水能夠從毛細管經(jīng)過沒有冰凍的孔擴散外逸至自由空間，則可以消除這種壓力。但假如水移動外逸至邊緣的距離太遠，則毛細管有膨脹的趨勢，同時周圍的材料會受到壓力作用。疊加鄰近毛細管的壓力則最后將引起漿體超過抗拉強度并發(fā)生破裂。如溫度逐漸下降，較多的毛細管水要發(fā)生冰凍，并增加水壓力，因而增加了微裂縫和膨脹凍融侵蝕機理 第四節(jié):物理侵蝕 大孔中的部分溶液先結(jié)冰后，未凍溶液中