钢筋混凝土耐久性 定义及现状课件.ppt

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1、,涂远鑫,酸雨环境下混凝土的耐久性,主要内容,简介混凝土耐久性。,酸雨对混凝土耐久性的影响机理。,如何预防酸雨对混凝土耐久性带来的影响。,混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。,混凝土耐久性的定义,1）国内一般认为目标使用期内，不需大量资金加固，保持其安全、使用和外观的能力。（耐久性+经济性）2）国外的一个定义 构件和材料抵抗衰退和腐蚀的能力 。3）混凝土结构的耐久性及耐久性设计指南定义 在规定期限内，在各种作用下维持其应用功能的能力。4）欧洲Duracrete 在一定时间段内，在不超出预期的维护和维修费用的情况下，保

2、持其安全、适用及可接受外观 。,关于耐久性定义的讨论,1.1 关于耐久性定义的讨论,表1.1 几种耐久性定义的比较,混凝土结构耐久性研究内容,混凝土结构耐久性:环境作用:(大气环境(CO2、大温差、酸雨)海洋、土壤水（冻溶、化学） 、工业环境、)材料耐久性:(抗冻、中性化、碱骨料、盐侵蚀)构件耐久性:(局部与整体退化模型、锈胀模 型、构件承载力退化模型)结构耐久性:(耐久性设计、耐久性评估)耐久性评估方法:极限状态可靠度分析方法评估性能指标:混凝土及钢筋功能失效(强度、钢筋握裹力(含锈蚀)、开裂),混凝土耐久性的重要性, 许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性与耐久性，

3、但这一宗旨并没有充分体现在具体的设计条文中，使得以往及现在的工程结构设计中普遍存在着重强度而轻耐久性。不合格的施工以及没有合理的维护都会影响结构耐久性的降低。如对结构的碰撞、磨损以及使用环境的劣化，都会使混凝土结构无法达到预定的使用年限。极大地增加了环境负荷，导致了环境的恶化和生态的失衡。,耐久性失败的工程事例,保护层过薄,钢筋锈蚀,酸雨是人类活动引起的严重环境污染。对生态环境和建筑带来极大危害，也加速混凝土结构的腐蚀，已列为世界严重公害前三位。我国酸雨地区达30%，酸雨PH值在5.6以下。但是,伴随着经济的发展,环境污染问题也日益突出,其中,尤其以燃用高硫份原煤为主的能源结构和特定的自然环境

4、条件导致的空气污染十分严重,从而导致国内某些地区降水酸度大,酸雨频率高,降水质量差。酸雨使混凝土、砂浆、灰砂砖等材料的表面被腐蚀，出现空洞和裂缝，导致强度降低，这已经成为影响建筑物耐久性不可忽视的因素之一。,背景,酸雨形成的过程以及种类,酸雨的种类：硫酸雨 硝酸雨。酸雨中的阴离子主要是硝酸根和硫酸根离子，根据两者在酸雨样品中的浓度可以判定降水的主要影响因素是二氧化硫还是氮氧化物。二氧化硫主要是来自于矿物燃料（如煤）的燃烧，氮氧化物主要是来自于汽车尾气等污染源。,请看酸雨对建筑物的影响,酸雨对混凝土影响的机理,混凝土是碱性材料,其碱性源于水泥水化反应而产生Ca(OH)2。由于内部水分很少,所以浓

5、度很高, pH值约为13左右,它使钢筋表面形成一层致密的钝化膜,防止锈蚀。当大气中的SO2、CO2、HNO3和HCl等酸性气体直接沉降或以酸雨形式沉降到混凝土表面时产生一系列化学反应,使得混凝土受到侵蚀从而影响混凝土力学性能。通过对混凝土侵蚀的化学机理的分析,可以更好地采取保护混凝土耐久性的措施。,碳化作用,CO2也属于酸性气体的组成部分,空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中,然后溶解于毛细管中的液相,与水泥水化过程中所产生的Ca(OH)2和水化硅酸三钙、水化硅酸二钙等水化产物相互作用,形成碳酸钙。混凝土的碳化可用下列化学反应式表示: CO2+H2OH2CO3 Ca(OH

6、)2+H2CO3CaCO3+ 2H2O 3CaO2SiO23H2O+ 3H2CO33CaCO3+2SiO2+ 6H2O 2CaOSiO24H2O+ 2H2CO32CaCO3+SiO2+ 6H2O,机理1,酸的腐蚀由于水泥的水化产物主要为碱性的硅酸盐、铝酸盐及相当数量的Ca(OH)2，所以，当酸雨落下后，酸性介质首先与Ca(OH)2发生中和反应，急剧降低了混凝土介质的碱度，随着混凝土碱度的降低，水化硅酸钙和水化铝酸钙失去稳定性而水解、溶出，导致了混凝土质量不断下降。其反应式如下:,从以上反应方程式可以看出，酸雨降落到建筑物上后会腐蚀混凝土中的固体成分使其变成易溶于水的盐类，促使其化学成分变为离子

7、形式流失掉。,机理2,硫酸盐的腐蚀：酸雨中的SO42-离子还可以和混凝上发生反应，生成钙矾石，还有可能生成石膏，反应式如下:,钙矾石生成后，比反应物的体积要大1.5倍。如有石膏生成，则其体积会增大1.24倍，它们都可引起很大的内应力。,机理3,如果石膏的溶解度较高，还可能发生如下化学反应:,混凝土中Ca(OH)2反应生成的石膏，可使体积膨胀约 1.24倍。石膏进一步与混凝土中铝酸三钙反应，生成硫铝酸钙，其体积又可膨胀2倍。,由此产生的巨大应力，足以引起混凝土微观结构破坏甚至宏观破坏。此类化学侵蚀有时非常严重，可使建筑物严重损坏。,机理4,按酸雨作用到混凝土的方式，可划分为雨滴直接作用区、雨水汇

8、流区和积水区，不同区域的示意图见图，每个区域所表现出的酸雨侵蚀形态具有各自的特点.,雨滴直接作用区,由于雨水冲刷作用较为显著，酸雨与混凝土作用生成物可直接被冲走，形成典型的水刷石结构，骨料突出，混凝土表面出现孔洞。,雨水汇流区,雨滴一般不会直接作用在这个区域，这个区域的雨水主要是直接作用区的雨水流经的区域，多出现在雨滴不能直接作用的构建侧表面、斜表面。在这个区域内的混凝土侵蚀特点表现出明显的结晶形态。,雨水积水区,这个区域腐蚀是汇流区的雨水沿着构件表面流动，并在构件底面长期滞留下来。,我国的西南地区由于地理环境条件、产业结构和能源消耗结构的制约,已经成为酸雨最为严重的地区。其中又以西南四川盆地

9、的重庆和黔中地区的贵阳为典型。,研究现状,重庆的空气污染特点主要表现为空气中高浓度的二氧化硫污染。重庆市环境保护局的监测数据显示,从1981年至1994年,城区空气中二氧化硫年平均值范围在(026049)mg/m3,超过国家二级标准(006mg/m3)37倍。其中年平均值在030mg/m3,超标4倍以上的有12年。,表层混凝土由于长期受到冲刷和侵蚀已经变的疏松,同时在荷载的作用下表层混凝土已经剥落,使得钢筋露出表面。在酸雨的侵蚀下加速了钢筋的锈蚀。,随着H+和混凝土中胶凝材料的不断反应以及雨水的冲刷,混凝土表面部分的胶凝材料已经被冲走,粗集料完全曝露于混凝土表面,类似于水刷石结构。,在过去的5

10、0年间酸雨对已建混凝土结构带来了严重的损伤，高水灰比的普通混凝土表面粗集料裸露、混凝土中性化严重。中性化深度最大达55mm、钢筋顺筋开裂。,酸雨侵蚀建筑过程：表面发黄 粗糙 脱砂 粗集料显露 保护层中性化 钢筋生锈 顺筋开裂 保护层剥离,酸雨环境下,透水混凝土的耐久性,粉煤灰混凝土的耐久性,透水性混凝土的定义,透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按特定比例经特殊成型工艺制成的，集料骨架间含有大量贯通性孔隙(通常在5%一30%之间并多为直径超过Imm的大孔)的蜂窝状结构的混凝土或制品。,透水性混凝土的透水性能，酸雨可以直接通过连通孔隙进入混凝土内部，溶蚀位于骨料接触点上呈

11、碱性的硅酸盐水泥石，破坏骨料间的粘结作用，使构成水泥石的水化物变质或分解，使透水性混凝土失去胶结性能而产生剥落、溃散等现象。,危害,溶出性侵蚀,透水性混凝土，在一定压力的水中，水化产物Ca(OH)2会不断溶出并流失，随着Ca(OH)2的溶出，混凝土内部的PH值降低，水化硅酸盐和水化铝酸盐开始水解，由于透水性混凝土的孔隙率较大，进一步加大了水的渗透，使Ca(OH)2更加易于溶出，导致了混凝土强度不断下降。,资料表明当混凝土中钙溶出量达到自身25%，其抗压强度下36%;当溶出量达到33%，混凝土变得酥松而失去强度。,溶解性侵蚀,盐酸、硫酸等无机酸会对混凝土产生强酸侵蚀。强酸先与Ca(OH)2反应，

12、然后与水化硅酸钙反应，混凝土的破坏速度在很大程度上取决于反应产物的结构及其可溶性。反应产物的可溶性越高，被侵蚀溶液带走的数量越多，水泥石的破坏速度就越快。 钙盐的生成并溶出可使反应不断进行，使混凝土的 碱度和强度不断降低。,膨胀性侵蚀,硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应，对混凝土产生膨胀破坏作用，是典型的膨胀性侵蚀。从SO42-的来源来看，混凝土的硫酸盐侵蚀可分为内部和外部侵蚀。内部侵蚀是由于混凝土组分本身带有的硫酸盐引起的，而外部侵蚀是环境中的硫酸盐对混凝土的侵蚀。,外部侵蚀可分为两个过程:1.SO42-由环境溶液进入混凝土空隙中，这是一个扩散过程，其速率决定于混凝土的抗渗性。2.硫酸盐侵蚀

13、的结果是水泥熟料C3A的水化产物水化铝酸钙及水化单硫铝酸钙都能与石膏反应，生成体积膨胀的钙矾石(3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O)引起混凝土内部内应力增加从而破坏混凝土。,粉煤灰是一种火山灰质材料，本身并无胶凝性能，在常温下有水存在时，粉煤灰可以与混凝土中的进行二次反应，生成难溶于水的水化硅酸钙凝胶，这样不仅降低了溶出的可能，也填充了混凝土内部的孔隙，对混凝土强度和抗渗性都有提高作用。,粉煤灰混凝土的定义,酸雨环境下粉煤灰混凝土外观腐蚀分析,粉煤灰混凝土外观受酸雨腐蚀的影响比较明显，一般是随酸雨侵蚀时间的增长，其外观逐渐由灰色变为灰黑色，再由灰黑色变成淡黄色。,由于混凝土中的碱性

14、物质与酸雨发生中和反应，混凝土表面泛出大量的白色物质(用手摸起来细细滑滑的)，但此时混凝土的颜色并没有发生太大变化。,（第一阶段）,（第二阶段）,白色物质渐渐消失，混凝土表面呈现灰黑色，并逐渐变深。,粉煤灰混凝土试件在第20天、第40天、第60天、第80天和第100天时混凝土表面的腐蚀情况。从以下五个阶段来分析酸雨环境下粉煤灰混凝土外观腐蚀情况。,由于混凝土表面胶凝材料的流失，坑蚀孔洞逐渐变大，表面的细骨料外露，用手触摸混凝土，细骨料即可脱落。,（第四阶段）,（第五阶段）,随着混凝上表层细骨料的分层脱落，最终导致混凝土的粗骨料颗粒暴露，表面变的非常粗糙和疏松。,（第三阶段）,混凝土表面又逐渐从

15、灰黑色变成淡黄色，同时 出现了许多小的坑蚀。,酸雨环境下混凝土耐久性研究目的,如何延长混凝土结构寿命混凝土结构耐久性设计混凝土结构耐久性评估,同一耐久性混凝土在不同环境条件下性能可能的变化,多因素交互作用,单因素作用,一般环境,时间t,性能(可靠性),性能临界值,决定混凝土的耐久性,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,混凝土结构使用寿命,无损伤,劣化开始，可修补,毁坏,废弃,.,酸雨对混凝土影响的相关措施,提高混凝土耐腐蚀性的措施,1）在试验室出具的配合比的基础上，在专家和技术顾问的指导下对配合比进行优化，在保证混凝土满足强度和泵送施工要求下减小水灰比，使

16、拌合用水最少，并通过掺入膨胀剂、粉煤灰、高炉矿渣、微硅粉等多种掺料，来提高混凝土性能，如高密实度、低渗透性以及抵抗腐蚀的能力。2）在普通泵送剂的基础上，掺加与之相容的引气及阻锈成分，阻止或延缓钢筋的锈蚀并提高混凝土的抗冻融能力。,3）混凝土生产前对铲车上料司机进行交底，铲掉表层温度较高的砂、石，全部使用下层没有阳光照射的温度较低的原材料。4）积极与施工单位进行沟通，连续浇筑，保证混凝土一次浇筑成型，不留冷缝并尽量避免使用施工缝，振捣充分，不过振不漏振，使混凝土充分密实，增加混凝土的密实度。,.,5）浇筑完毕的混凝土施工单位及时进行覆盖养护，并不少于14天，避免由于砼内外温差过大产生温度裂缝。6

17、）在已施工好的混凝土表面及时涂上防腐蚀材料。,酸雨的防护措施,1订定严格管制标准，以迫使污染源采取排烟脱硫及排烟脱硝之设备。 2引进最佳可行控制技术，以减少硫氧化物及氮氧化物之排放。3改善汽、机车引擎及防污设备，并加严排放标准，以减少氮氧化物之排放。 4优先使用低硫燃料，如含硫较低的低硫煤和天然气等。5改进燃煤技术，减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。,.,6对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。 7在火电、钢铁、电解铝、水泥等大气污染重点行业实施排污许可证制度 ，明确重点企业主要污染物允许排污问题和消减量，强制安装在线监测装置严格监督管理。8开展以控制燃烧污染为主的大气污染综合防治，政府工程规划是高污染燃烧禁区，禁止使用高污染设备，大力推广清洁能源，利用燃煤；大幅度提高城市气化率，减少城市燃烧量，限制高硫煤使用，加速城区空气的改善。9配合有关部门研究制定并尽早组织实施控制二氧化硫的经济政策；鼓励多渠道加在脱硫资金投入落实国债资金和排污费对重点脱硫工程项目的补助等政策。10开发新能源如氢能、太阳能、水能、潮汐能、地热能等,谢谢观看！,