第6章材料的公共检测要点

混凝土材料学河南理工大学材料科学与工程学院本章主要内容本章主要内容第六章第六章 混凝土的耐久性混凝土的耐久性l第一节第一节 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性l第二节第二节 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性l第三节第三节 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏l第四节第四节 碱碱集料反应集料反应l第五节第五节 混凝土中钢筋的侵蚀混凝土中钢筋的侵蚀l第六节第六节 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律 混凝土在压力水的作用下抵抗渗透的能力，混凝土在压力水的作用下抵抗渗透的能力，是混凝土耐久性的第是混凝土耐久性的第一道防线。一道防线。因此，混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好，混因此，混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好，混 凝土的抗渗性能越好。凝土的抗渗性能越好。6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 p6.1.1 6.1.1 概念概念 混凝土抗渗仪混凝土抗渗仪p6.1.2 6.1.2 抗渗等级抗渗等级 混凝土的抗渗等级以每组混凝土的抗渗等级以每组6 6个试件中个试件中4 4个未出现个未出现渗水时的最大水压力渗水时的最大水压力(MPa)(MPa)计算。混凝土抗渗等级计算。混凝土抗渗等级分为分为P2P2、P4P4、P6P6、P8P8、P10P10、P12 P12，其计算公式为，其计算公式为：式中式中:P:P抗渗等级；抗渗等级；H H六个试件中三个试件渗水时的水压六个试件中三个试件渗水时的水压力力(MPa)(MPa)。6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 p6.1.3 6.1.3 抗渗性影响因素抗渗性影响因素 l l水灰比水灰比水灰比水灰比混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用。混凝土水灰比对抗渗性起决定性作用。渗透性渗透性水灰比关系存在临界区域水灰比关系存在临界区域高水灰比高水灰比大渗透性大渗透性低水灰比低水灰比小渗透性小渗透性6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 p6.1.3 6.1.3 抗渗性影响因素抗渗性影响因素 l l集料集料集料集料集料的尺寸越大，集料的级配越差，水灰比越大，混凝土的渗透集料的尺寸越大，集料的级配越差，水灰比越大，混凝土的渗透越高。越高。水灰比、集料粒径对混凝土渗透性的影响水灰比、集料粒径对混凝土渗透性的影响 l水泥细度与品种水泥细度与品种水泥细度与品种水泥细度与品种l水泥的水化程度水泥的水化程度水泥的水化程度水泥的水化程度l其它因素其它因素其它因素其它因素 6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 p6.1.3 6.1.3 抗渗性影响因素抗渗性影响因素 l l选择渗透性小的集料；选择渗透性小的集料；选择渗透性小的集料；选择渗透性小的集料；l l减小水灰比，提高强度；减小水灰比，提高强度；减小水灰比，提高强度；减小水灰比，提高强度；l l在保证相同强度的条件下，掺加适量掺合料；在保证相同强度的条件下，掺加适量掺合料；在保证相同强度的条件下，掺加适量掺合料；在保证相同强度的条件下，掺加适量掺合料；l l适量引入细空气泡；适量引入细空气泡；适量引入细空气泡；适量引入细空气泡；l l加强养护，避免在施工期干湿交替。加强养护，避免在施工期干湿交替。加强养护，避免在施工期干湿交替。加强养护，避免在施工期干湿交替。6.1 混凝土的抗渗性混凝土的抗渗性 p6.1.4 6.1.4 设计高抗渗性混凝土的主要措施设计高抗渗性混凝土的主要措施 6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.1 6.2.1 概述概述l定义定义定义定义混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，也不严重降低强度的性能，是评定混凝土耐久性的主也不严重降低强度的性能，是评定混凝土耐久性的主要指标。要指标。l抗冻等级抗冻等级抗冻等级抗冻等级根据混凝土所能承受的反复冻融循环的次数，划分为根据混凝土所能承受的反复冻融循环的次数，划分为F10F10、F15F15、F25F25、F50F50、F100F100、F150F150、F200F200、F250F250、F300F300等等9 9个等级。个等级。冰岛一港口被冻坏的路面冰岛一港口被冻坏的路面l静水压假说静水压假说静水压假说静水压假说 由于毛细孔力的作用，孔径小的毛细孔容易吸满水，孔径较大的由于毛细孔力的作用，孔径小的毛细孔容易吸满水，孔径较大的空气泡在常压下不容易吸水饱和。在某个负温下，部分毛细孔水结成空气泡在常压下不容易吸水饱和。在某个负温下，部分毛细孔水结成冰，体积会随之增大，这个增加的体积产生一个水压力把水推向空气冰，体积会随之增大，这个增加的体积产生一个水压力把水推向空气泡方向流动。泡方向流动。6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.2 6.2.2 水泥浆受冻机理水泥浆受冻机理说明静水压力的模型说明静水压力的模型 6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.2 6.2.2 水泥浆受冻机理水泥浆受冻机理静水压力与材料渗透系数成反比，静水压力与材料渗透系数成反比，与结冰量增长速率、降温速率成正比与结冰量增长速率、降温速率成正比与气泡间距的平方成正比与气泡间距的平方成正比静水压力静水压力l渗透压假说渗透压假说渗透压假说渗透压假说 作为施于混凝土的破坏力的渗透压是冰水蒸气压差以作为施于混凝土的破坏力的渗透压是冰水蒸气压差以及盐浓度差两者引起的。及盐浓度差两者引起的。综上所述，冻结对混凝土的破坏力是：综上所述，冻结对混凝土的破坏力是：水结冰体积膨胀造成的静水压力水结冰体积膨胀造成的静水压力冰水蒸气压差冰水蒸气压差溶液中盐浓度差造的渗透压溶液中盐浓度差造的渗透压6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.3 6.2.3 水泥浆受冻机理水泥浆受冻机理6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.4 6.2.4 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素l l集料集料集料集料饱和水泥浆体结冰产生内部压力的机理同样适用于集料饱和水泥浆体结冰产生内部压力的机理同样适用于集料 集料对抗冻性的影响相对说是次要因素集料对抗冻性的影响相对说是次要因素集料的尺寸对抗冻性也有影响集料的尺寸对抗冻性也有影响l l水泥品种水泥品种水泥品种水泥品种国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：硅酸盐水泥普通硅酸盐水国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰泥矿渣硅酸盐水泥火山灰(粉煤灰水泥粉煤灰水泥)硅酸盐水泥。硅酸盐水泥。l l强度强度强度强度混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响远远大于强度的影响，混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响远远大于强度的影响，与混凝土耐久性不一定成正比。与混凝土耐久性不一定成正比。6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.4 6.2.4 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素l l水灰比水灰比水灰比水灰比水灰比对抗冻性的影响水灰比对抗冻性的影响6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.4 6.2.4 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素l l气泡间距气泡间距气泡间距气泡间距0.28W/C=0.6W/C=0.70.180.200.220.240.300.260.51.00抗冻性与平均间距和水灰比的关系抗冻性与平均间距和水灰比的关系平均气泡间距和水灰比两者是决定混凝土抗冻性的最主要因素。平均气泡间距和水灰比两者是决定混凝土抗冻性的最主要因素。抗冻性DF气泡间距系数6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.5 6.2.5 设计高抗冻性混凝土的要点设计高抗冻性混凝土的要点l l合理地选择集料；合理地选择集料；合理地选择集料；合理地选择集料；l l尽量用普通硅酸盐水泥，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增尽量用普通硅酸盐水泥，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增尽量用普通硅酸盐水泥，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增尽量用普通硅酸盐水泥，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增大含气量和引气剂剂量；大含气量和引气剂剂量；大含气量和引气剂剂量；大含气量和引气剂剂量；l l在选定原材料后最关键的控制参数是含气量和水灰比；在选定原材料后最关键的控制参数是含气量和水灰比；在选定原材料后最关键的控制参数是含气量和水灰比；在选定原材料后最关键的控制参数是含气量和水灰比；l l水灰比确定后，根据抗冻性要求，确定要求的含气量（水灰比确定后，根据抗冻性要求，确定要求的含气量（水灰比确定后，根据抗冻性要求，确定要求的含气量（水灰比确定后，根据抗冻性要求，确定要求的含气量（3 3 3 36 6 6 6）。根据含气量确定引气剂掺量；）。根据含气量确定引气剂掺量；）。根据含气量确定引气剂掺量；）。根据含气量确定引气剂掺量；l l因引入气泡造成混凝土强度有所降低，须调整混凝土配比因引入气泡造成混凝土强度有所降低，须调整混凝土配比因引入气泡造成混凝土强度有所降低，须调整混凝土配比因引入气泡造成混凝土强度有所降低，须调整混凝土配比（水灰比），以弥补强度损失。（水灰比），以弥补强度损失。（水灰比），以弥补强度损失。（水灰比），以弥补强度损失。6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.6 6.2.6 抗冻性试验抗冻性试验l抗冻性试验方法抗冻性试验方法抗冻性试验方法抗冻性试验方法 ASTMASTM方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。l评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法 测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、体积变化和重量损失。体积变化和重量损失。6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.6 6.2.6 抗冻性试验抗冻性试验l抗冻性试验方法抗冻性试验方法抗冻性试验方法抗冻性试验方法 ASTMASTM方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土方法有两种，都用快速冻结。一种是饱水混凝土在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一在水中冻结和融化，适用于自动化的冻融试验设备，另一种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。种是在冷冻室的空气中冻结，然后移到室内的水池中融化。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。水中冻结比空气中冻结的的受害程度更严酷。l评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法评价抗冻性的方法 测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、测定动弹性模量的变化、抗弯或抗压强度的变化、体积变化和重量损失。体积变化和重量损失。6.2 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.2.6 6.2.6 抗冻性试验抗冻性试验l评价指标评价指标评价指标评价指标 国际通用的评价指标是动弹模量的变化，以抗冻耐久国际通用的评价指标是动弹模量的变化，以抗冻耐久性指数性指数DFDF表示之。如循环次数不足表示之。如循环次数不足300300次，试件动弹模量次，试件动弹模量已减小已减小4040以上，则可以下式计算：以上，则可以下式计算：DF0.4DF0.4时，混凝土抗冻性不好，不能用于与水直接接时，混凝土抗冻性不好，不能用于与水直接接触和遭受冻融的部位；触和遭受冻融的部位；DFDF0.40.40.60.6之间，尚可用；之间，尚可用；DFDF0.60.6时时,则认为抗冻性好的。则认为抗冻性好的。6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.1 6.3.1 侵蚀类型侵蚀类型 化学侵蚀的类型化学侵蚀的类型化学侵蚀的类型化学侵蚀的类型水泥浆体组分的浸出水泥浆体组分的浸出酸的侵蚀酸的侵蚀硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀 混凝土受到纯水及由雨水或冰雪融化的含钙少的软水混凝土受到纯水及由雨水或冰雪融化的含钙少的软水浸析时，水泥浆体中的浸析时，水泥浆体中的Ca(OH)Ca(OH)2 2被溶出，在混凝土中形成被溶出，在混凝土中形成空隙，混凝土强度不断降低。空隙，混凝土强度不断降低。只要混凝土的密实性和抗渗性好，一般都可以避免这只要混凝土的密实性和抗渗性好，一般都可以避免这类侵蚀。类侵蚀。6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.2 6.3.2 水泥浆体组分的浸出及其原因水泥浆体组分的浸出及其原因 环境水的环境水的pH值小于值小于6.5即可能产生侵蚀。即可能产生侵蚀。l酸的侵蚀机理酸的侵蚀机理酸的侵蚀机理酸的侵蚀机理当遇到肥料工业废水当遇到肥料工业废水2NH2NH4 4ClClCa(OH)Ca(OH)2 2CaClCaCl2 22NH2NH3 3HH2 2O O当遇到含当遇到含COCO2 2较高的水（碳酸）较高的水（碳酸）Ca(OH)Ca(OH)2 22CO2CO2 22H2H2 2OCa(HCOOCa(HCO3 3)2 22H2H2 2O O6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.3 6.3.3 酸的侵蚀酸的侵蚀侵侵蚀蚀程度程度pHpH值值COCO2 2浓浓度（度（ppmppm）轻轻微微5.55.56.56.515153030严严重重4.54.55.55.530306060非常非常严严重重4.54.56060酸性水的侵蚀程度酸性水的侵蚀程度6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.3 6.3.3 酸的侵蚀酸的侵蚀l影响因素影响因素影响因素影响因素混凝土的自身特性混凝土的自身特性混凝土结构所处的环境混凝土结构所处的环境 6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.4 6.3.4 硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀 l硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵蚀机理 以往主要强调它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反以往主要强调它与硬化水泥浆体中的水化铝酸盐相反应，生成有破坏性的应，生成有破坏性的膨胀产物钙矾石膨胀产物钙矾石。Ca(OH)Ca(OH)2 2+Na+Na2 2SOSO4 4+2H+2H2 2O=CaSOO=CaSO4 42H2H2 2O+NaOHO+NaOH 结晶结晶C C3 3A+3CA+3CHH2 2+26H+26H C C3 3A3CHA3CH3232 6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.4 6.3.4 硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀 硫酸镁的侵蚀比硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙更为严重，因为：Ca（OH）2+MgSO4+2H2O=CaSO42H2O+Mg(OH)23CaO2SiO2nH2O+MgSO4+mH2O=2（CaSO42H2O）+Mg(OH)2+SiO2（m+n-3）H2O硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀6.3 6.3 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学侵蚀对混凝土的破坏p6.3.4 6.3.4 硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀l工程上硫酸盐侵蚀的控制工程上硫酸盐侵蚀的控制工程上硫酸盐侵蚀的控制工程上硫酸盐侵蚀的控制提高混凝土密实度，降低其渗透性是提高抗硫酸盐性能提高混凝土密实度，降低其渗透性是提高抗硫酸盐性能的有效措施；的有效措施；正确选择水泥品种是工程上控制硫酸盐侵蚀的重要技术正确选择水泥品种是工程上控制硫酸盐侵蚀的重要技术措施；措施；在水泥中或在混凝土拌合料中掺加粉煤灰、矿渣等混合在水泥中或在混凝土拌合料中掺加粉煤灰、矿渣等混合材料都有利于提高抗硫酸盐侵蚀性。材料都有利于提高抗硫酸盐侵蚀性。6.4 碱碱集料反应集料反应 p6.4.1 6.4.1 概述概述l l定义定义定义定义碱碱(Na(Na2 2O O K K2 2O)O)与混凝土的集料间产生的引起膨胀的反应。与混凝土的集料间产生的引起膨胀的反应。l l三种类型三种类型三种类型三种类型碱碱-氧化硅反应氧化硅反应碱碱-碳酸盐反应碳酸盐反应碱碱-硅酸盐反应硅酸盐反应l l产生碱集料反应破坏的条件产生碱集料反应破坏的条件产生碱集料反应破坏的条件产生碱集料反应破坏的条件混凝土中含碱混凝土中含碱(Na(Na2 2O O十十K K2 2O)O)量超标；量超标；集料是碱活性的；集料是碱活性的；混凝土暴露在水中或在潮湿环境中。混凝土暴露在水中或在潮湿环境中。混混凝凝土土含含碱碱量量的的阈阈值值6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.1 6.4.1 概述概述 常见的碱常见的碱集料反应破坏形式集料反应破坏形式6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制 l碱碱碱碱-氧化硅反应（氧化硅反应（氧化硅反应（氧化硅反应（ASRASRASRASR）(1)(1)肿胀理论：肿胀理论：氧化硅结构被碱溶液解聚并溶解；氧化硅结构被碱溶液解聚并溶解；形成碱金属硅酸盐凝胶；形成碱金属硅酸盐凝胶；凝胶吸水肿胀；凝胶吸水肿胀；进一步反应形成液态溶胶。进一步反应形成液态溶胶。硅酸钠（钾）凝胶能吸收相当多的水分，并伴有体积膨胀。这个硅酸钠（钾）凝胶能吸收相当多的水分，并伴有体积膨胀。这个膨胀有可能引起集料颗粒的崩坏和周围水泥浆的开裂。膨胀有可能引起集料颗粒的崩坏和周围水泥浆的开裂。2NaOH十十SiO2Na2OnSiO2H2O6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制 (2)(2)渗透压理论：渗透压理论：碱活性集料颗粒周围的水泥水化生成物起半渗透膜碱活性集料颗粒周围的水泥水化生成物起半渗透膜作用，它允许氢氧化钠和氢氧化钾及水扩散至集料而作用，它允许氢氧化钠和氢氧化钾及水扩散至集料而阻止碱阻止碱氧化硅生成的硅酸离子向外扩散，因而产生氧化硅生成的硅酸离子向外扩散，因而产生渗透压，当渗透压足够大时引起破坏。渗透压，当渗透压足够大时引起破坏。6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制 1.61.20.82.00.401030204050砂浆的膨胀（%）活性硅的含量（%）碱碱-氧化硅反应与集料中氧化硅反应与集料中SiOSiO2 2含量的关系含量的关系扫描电镜下的碱扫描电镜下的碱-硅反应凝胶硅反应凝胶l l碱碱碱碱-碳酸盐反应（碳酸盐反应（碳酸盐反应（碳酸盐反应（ACRACRACRACR）吸水膨胀机理：吸水膨胀机理：碱与白云石作用，起反白云石化反应：碱与白云石作用，起反白云石化反应：CaCOCaCO3 3MgCOMgCO3 32NaOHMg(OH)2NaOHMg(OH)2 2CaCOCaCO3 3NaNa2 2COCO3 3 反应生成物能与水泥水化生成的反应生成物能与水泥水化生成的Ca(OH)Ca(OH)2 2继续反应生成继续反应生成NaOHNaOH，这，这样样NaOHNaOH还能继续与白云石进行反白云石化反应，因此在反应过程中不还能继续与白云石进行反白云石化反应，因此在反应过程中不消耗碱。消耗碱。NaNa2 2COCO3 3Ca(OH)Ca(OH)2 22NaOH2NaOHCaCOCaCO3 3 膨胀本质是粘土的吸水膨胀，而化学反应仅提供了粘土吸水的条件。膨胀本质是粘土的吸水膨胀，而化学反应仅提供了粘土吸水的条件。6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制结晶压机理：结晶压机理：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是白云石菱形晶体彼活性碳酸盐岩石的显微结构特征是白云石菱形晶体彼此孤立地分布在粘土和微晶方解石所构成的基质中，粘土此孤立地分布在粘土和微晶方解石所构成的基质中，粘土呈网络状分布，这个网络状粘土构成了呈网络状分布，这个网络状粘土构成了NaNa(K(K)、OHOH和和水分子进入内部的通道。水分子进入内部的通道。NaOHNaOH与白云石晶体反应。离子进与白云石晶体反应。离子进入紧密的受限制的空间，入紧密的受限制的空间，反白云石化反应引起晶体重排列反白云石化反应引起晶体重排列产生的结晶压引起膨胀产生的结晶压引起膨胀。他们认为反白云石化反应的自由他们认为反白云石化反应的自由能变化小于零，这是该反应的热力学推动力。能变化小于零，这是该反应的热力学推动力。6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.2 6.4.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制l碱碱碱碱-硅酸盐反应硅酸盐反应硅酸盐反应硅酸盐反应形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；物；膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；能形成反应环的颗粒非常少；能形成反应环的颗粒非常少；与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。碱碱-硅酸盐反应实质上仍是碱硅酸盐反应实质上仍是碱-硅酸反应。硅酸反应。6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.3 6.4.3 碱碱-集料反应的破坏特征集料反应的破坏特征 l l时间特征时间特征时间特征时间特征:长，长，长，长，2-32-3年，甚至更长年，甚至更长年，甚至更长年，甚至更长l l膨胀特征：结构发生整体位移，如大坝体升高膨胀特征：结构发生整体位移，如大坝体升高膨胀特征：结构发生整体位移，如大坝体升高膨胀特征：结构发生整体位移，如大坝体升高l l开裂特征：受拉开裂，钢筋混凝土顺筋开裂，不受约束时开裂特征：受拉开裂，钢筋混凝土顺筋开裂，不受约束时开裂特征：受拉开裂，钢筋混凝土顺筋开裂，不受约束时开裂特征：受拉开裂，钢筋混凝土顺筋开裂，不受约束时呈网状或地图形呈网状或地图形呈网状或地图形呈网状或地图形l l凝胶析出特征：透明或浅黄色凝胶析出凝胶析出特征：透明或浅黄色凝胶析出凝胶析出特征：透明或浅黄色凝胶析出凝胶析出特征：透明或浅黄色凝胶析出l l潮湿特征：越潮湿反应越剧烈，破坏越明显潮湿特征：越潮湿反应越剧烈，破坏越明显潮湿特征：越潮湿反应越剧烈，破坏越明显潮湿特征：越潮湿反应越剧烈，破坏越明显l l内部特征：在集料间产生网状的内部裂缝内部特征：在集料间产生网状的内部裂缝内部特征：在集料间产生网状的内部裂缝内部特征：在集料间产生网状的内部裂缝l l结构宏观变形特征：结构整体变形、移位结构宏观变形特征：结构整体变形、移位结构宏观变形特征：结构整体变形、移位结构宏观变形特征：结构整体变形、移位6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.4 6.4.4 碱碱-集料反应的工程诊断集料反应的工程诊断 碱碱-集料反应的膨胀破坏起源于混凝土内部的裂纹，集料反应的膨胀破坏起源于混凝土内部的裂纹，发展到表面，呈地图形和花纹形裂纹发展到表面，呈地图形和花纹形裂纹。Map Cracking碱碱集料反应引起的错位集料反应引起的错位6.4 碱碱集料反应集料反应p6.4.5 6.4.5 碱碱-集料反应的预防措施集料反应的预防措施l l选用掺加混合材料的水泥选用掺加混合材料的水泥选用掺加混合材料的水泥选用掺加混合材料的水泥l l在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料l l限制或禁止钠盐外加剂的使用限制或禁止钠盐外加剂的使用限制或禁止钠盐外加剂的使用限制或禁止钠盐外加剂的使用l l适当降低水灰比适当降低水灰比适当降低水灰比适当降低水灰比l l使用非活性集料使用非活性集料使用非活性集料使用非活性集料l l控制混凝土总碱量控制混凝土总碱量控制混凝土总碱量控制混凝土总碱量l l掺加引气剂掺加引气剂掺加引气剂掺加引气剂6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.5.1 6.5.1 概述概述 钢筋锈蚀已成为混凝土结构物过早破坏的主要原因。钢筋锈蚀已成为混凝土结构物过早破坏的主要原因。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.2 6.5.2 钢筋锈蚀的电化学原理钢筋锈蚀的电化学原理 现代钢筋混凝土结构中现代钢筋混凝土结构中配密集筋配密集筋，混凝土主要作为保，混凝土主要作为保护层，保护钢筋不被锈蚀。护层，保护钢筋不被锈蚀。钝化膜一旦破坏，钢筋表面形成腐蚀电池，其钝化膜一旦破坏，钢筋表面形成腐蚀电池，其起因起因有有两种情况：两种情况：有不同金属的存在，如钢筋与铝导线管，或钢筋表面的不有不同金属的存在，如钢筋与铝导线管，或钢筋表面的不均匀性；均匀性；紧贴钢筋环境的不均匀性，如浓度差。这两个不均匀性产紧贴钢筋环境的不均匀性，如浓度差。这两个不均匀性产生电位差，在电介质溶液中形成腐蚀电池。生电位差，在电介质溶液中形成腐蚀电池。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.2 6.5.2 钢筋锈蚀的电化学原理钢筋锈蚀的电化学原理 钢筋锈蚀电化学原理示意图钢筋锈蚀电化学原理示意图（b）铁锈的体积增大）铁锈的体积增大（a）电化学反应电化学反应6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.3 6.5.3 钝化膜破坏的起因钝化膜破坏的起因l混凝土中的混凝土中的混凝土中的混凝土中的Ca(OH)Ca(OH)Ca(OH)Ca(OH)2 2 2 2被空气里的被空气里的被空气里的被空气里的SOSOSOSO2 2 2 2、NONONONO2 2 2 2、COCOCOCO2 2 2 2等酸等酸等酸等酸性氧化物中和而失去碱性；性氧化物中和而失去碱性；性氧化物中和而失去碱性；性氧化物中和而失去碱性；l海水或道面撒除冰盐带来氯离子的作用。海水或道面撒除冰盐带来氯离子的作用。海水或道面撒除冰盐带来氯离子的作用。海水或道面撒除冰盐带来氯离子的作用。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.5.4 6.5.4 混凝土的碳化混凝土的碳化l l碳化引起的锈蚀条件碳化引起的锈蚀条件碳化引起的锈蚀条件碳化引起的锈蚀条件 COCO2 2 、水分（相对湿、水分（相对湿505070%70%时最迅速）时最迅速）l l理论分析理论分析理论分析理论分析 溶于水的溶于水的COCO2 2与水泥碱性水化物首先是与水泥碱性水化物首先是Ca(OH)Ca(OH)2 2反应，生成不溶于反应，生成不溶于水的水的CaCOCaCO3 3，使混凝土孔溶液的，使混凝土孔溶液的pHpH值降低，当值降低，当pHpH值降到值降到11.511.5时，钢筋的时，钢筋的钝化膜开始破坏，降到钝化膜开始破坏，降到1010时，钝化膜完全失钝。时，钝化膜完全失钝。理论计算碳化深度的公式：理论计算碳化深度的公式：6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.5.4 6.5.4 混凝土的碳化混凝土的碳化在碳化混凝土中测得的在碳化混凝土中测得的CO2/CaO 6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.5.4 6.5.4 混凝土的碳化混凝土的碳化l影响碳化速度的因素影响碳化速度的因素影响碳化速度的因素影响碳化速度的因素水泥品种和用量。混凝土中胶结料所含能与水泥品种和用量。混凝土中胶结料所含能与CO2反应的反应的CaO总量越高，碳化速度越慢。总量越高，碳化速度越慢。混凝土的水灰比和强度。孔隙率越小、孔径越细，则扩混凝土的水灰比和强度。孔隙率越小、孔径越细，则扩散系数越小，碳化也越慢。散系数越小，碳化也越慢。外部环境因素。在相对湿度外部环境因素。在相对湿度7085最易碳化，钢筋锈最易碳化，钢筋锈蚀的过程也进展较快。蚀的过程也进展较快。施工质量。施工中振捣不密实、蜂窝、裂纹使碳化大大施工质量。施工中振捣不密实、蜂窝、裂纹使碳化大大加快。加快。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀 混凝土中混凝土中C1C1-的来源有二：一是混凝土在拌和时已引的来源有二：一是混凝土在拌和时已引入的、包括拌和水中和外加剂中含的，二是环境中的入的、包括拌和水中和外加剂中含的，二是环境中的C1C1-随着时间逐渐扩散和渗透进入混凝土内部的。随着时间逐渐扩散和渗透进入混凝土内部的。产生条件：产生条件：氯离子扩散、氧与水分；与保护层厚度、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。水灰比、水泥用量等有关。FeFe2+2+2Cl+2Cl-+4H+4H2 2O=FClO=FCl2 24H4H2 2O O FeCl FeCl2 24H4H2 2O=FeO=Fe（OHOH）2 2+2Cl+2Cl-+2H+2H+2H+2H2 2O O 形成小阳极、大阴极形成小阳极、大阴极6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀l l钢的电位钢的电位钢的电位钢的电位pHpHpHpH图图图图全面锈蚀全面锈蚀 钝化态钝化态 不锈不锈全面锈蚀全面锈蚀 点锈蚀点锈蚀 不完全钝态不完全钝态钝态钝态不锈不锈不含氯离子溶液中钢的电位不含氯离子溶液中钢的电位PH图图 含含0.01mol氯离子溶液中钢的电位氯离子溶液中钢的电位pH图图6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀l l钢筋保持钝化态的氯离子极限含量钢筋保持钝化态的氯离子极限含量钢筋保持钝化态的氯离子极限含量钢筋保持钝化态的氯离子极限含量 Hausman提出提出氯离子极限浓度氯离子极限浓度CCl-与与OH-浓度浓度COH-的大致关系式：的大致关系式：OH-浓度：浓度：混凝土的体积孔隙率混凝土的体积孔隙率P:我国我国混凝土结构工程施工及验收规范混凝土结构工程施工及验收规范(GB5020402)规定：规定：在钢筋混凝土中掺用氯盐类防冻剂时，氯盐掺量按无水状态计算不得在钢筋混凝土中掺用氯盐类防冻剂时，氯盐掺量按无水状态计算不得超过水泥重量的超过水泥重量的1，素混凝土允许掺加，素混凝土允许掺加3以内的氯盐以内的氯盐。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀l l氯盐通过混凝土的扩散氯盐通过混凝土的扩散氯盐通过混凝土的扩散氯盐通过混凝土的扩散 氯离子扩散应遵循氯离子扩散应遵循Fick第二定律：第二定律：Brown根据此方程的解作图，用以估算钢筋开始根据此方程的解作图，用以估算钢筋开始锈蚀所需时间锈蚀所需时间 6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀 氯离子引发钢筋失钝时间估算图氯离子引发钢筋失钝时间估算图 6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.5 6.5.5 氯离子引起的锈蚀氯离子引起的锈蚀l l钢筋锈蚀产生开裂的时间分两个阶段钢筋锈蚀产生开裂的时间分两个阶段钢筋锈蚀产生开裂的时间分两个阶段钢筋锈蚀产生开裂的时间分两个阶段脱钝介质脱钝介质 (酸性氧化物或氯化物酸性氧化物或氯化物)到达钢材表面并开始锈蚀的时到达钢材表面并开始锈蚀的时间间T T0 0；锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的时间锈蚀到达临界水平，即混凝土出现开裂的时间T T1 1。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.6 6.5.6 钢筋锈蚀的防护措施钢筋锈蚀的防护措施 下列几种新措施可以在原材料选择、配合比设计、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：的防护作用：在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙；钝在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙；钝用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋；用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋；混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入；混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入；对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处于阴极对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处于阴极区。区。6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.6 6.5.6 钢筋锈蚀的防护措施钢筋锈蚀的防护措施 选择改善混凝土结构耐久性的措施，要考虑到性能与费用两方面。选择改善混凝土结构耐久性的措施，要考虑到性能与费用两方面。下面列出许多防护和延缓混凝土因钢筋锈蚀引起劣化的措施及费用增下面列出许多防护和延缓混凝土因钢筋锈蚀引起劣化的措施及费用增加比例（以增加一次投资的百分数表示）：加比例（以增加一次投资的百分数表示）：掺用粉煤灰和矿渣，减少水泥用量（掺用粉煤灰和矿渣，减少水泥用量（0%0%）预冷混凝土拌合物（预冷混凝土拌合物（3%3%）用硅灰和高效减水剂（用硅灰和高效减水剂（5%5%）增大保护层厚度增大保护层厚度15mm15mm（4%4%）掺加阻锈剂（掺加阻锈剂（8%8%）用环氧涂层钢筋（用环氧涂层钢筋（8%8%）加外涂层（加外涂层（20%20%）阴极保护（阴极保护（30%30%）6.5 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.5.6 6.5.6 钢筋锈蚀的防护措施钢筋锈蚀的防护措施掺粉煤灰减小氯离子扩散能力的作用掺粉煤灰减小氯离子扩散能力的作用6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.1 6.6.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综合作用对混凝土的破环 l破坏原理破坏原理破坏原理破坏原理在盐溶液中混凝土吸水饱在盐溶液中混凝土吸水饱 和度增大，冻融破坏的动和度增大，冻融破坏的动 力更大海水或道面撒除冰力更大海水或道面撒除冰 盐带来氯离子的作用；盐带来氯离子的作用；在混凝土失水时，盐的结在混凝土失水时，盐的结 晶压使混凝土膨胀。晶压使混凝土膨胀。混凝土在盐溶液和纯水中的吸水过程混凝土在盐溶液和纯水中的吸水过程 6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.1 6.6.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综合作用对混凝土的破环 盐溶液浓度对盐冻剥蚀的影响盐溶液浓度对盐冻剥蚀的影响 6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.1 6.6.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综合作用对混凝土的破环 吸盐溶液混凝土干湿交替条件下的体积膨胀吸盐溶液混凝土干湿交替条件下的体积膨胀 6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.1 6.6.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综合作用对混凝土的破环 l破坏特征破坏特征破坏特征破坏特征破坏从表面开始，逐步向内部扩展破坏从表面开始，逐步向内部扩展破坏非常快破坏非常快在剥蚀的表面常可看到白色的在剥蚀的表面常可看到白色的NaClNaCl析晶，现场检验为咸味析晶，现场检验为咸味l测试方法测试方法测试方法测试方法 混凝土受除冰盐破坏是冻融破坏的一种特殊形式，在工程上混凝土受除冰盐破坏是冻融破坏的一种特殊形式，在工程上也可以用混凝土抗冻融耐久性指数也可以用混凝土抗冻融耐久性指数DFDF值来表征抗除冰盐破坏的值来表征抗除冰盐破坏的能力。能力。6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.1 6.6.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综合作用对混凝土的破环 l影响因素影响因素影响因素影响因素含气量含气量混合材掺量混合材掺量 和品种和品种l防止措施防止措施防止措施防止措施掺加引气剂，适当增大掺加引气剂，适当增大 含气量（含气量（6 6以上以上)注意选择水泥品种注意选择水泥品种合材合材 掺量掺量在拌制混凝土时不要外在拌制混凝土时不要外 掺混合材掺混合材混凝土含气量对盐冻剥蚀的影响混凝土含气量对盐冻剥蚀的影响 6.6 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作用下混凝土破坏规律p6.6.2 6.6.2 冻融与荷载双重疲劳因素下混凝土损伤冻融与荷载双重疲劳因素下混凝土损伤l破坏机理破坏机理破坏机理破坏机理动弹性模量的损失规律动弹性模量的损失规律质量损失规律质量损失规律强度损失规律强度损失规律谢谢大家谢谢大家!