混凝土【结构设计】原理过程作业[001]方案

《混凝土结构设计原理》过程考核第五次

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cheng

2011年 11 月 25 日

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《钢筋混凝土结构物耐久性分析》专题报告

摘要：混凝土结构是应用非常广泛的一种结构形式，但是由于其结构自身和使用环境的

特点，使得混凝土存在严重的耐久性问题。通过对国内外钢筋混凝土工程耐久性现状的介绍，从混凝土的碳化、冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、混凝土碱集料反应、钢筋锈蚀等方面论述了影响混凝土结构耐久性的因素及其对混凝土的破坏机理，并针对性地提出了预防的措施。

关键词：钢筋混凝土；耐久性；影响因素

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，在提出高强度的同时，混凝土结构的耐久性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70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。 1. 影响钢筋混凝土耐久性的因素及其破坏机理 1.1 混凝土耐久性的概念

混凝土耐久性是指混凝土在设计寿命周期内，在正常维护下，必须保持适合于使用，而不需要进行维修加固，即指混凝土在抵抗周围环境中各种物理和化学作用下，仍能保持原有性能的能力。混凝土工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能不仅仅包括结构的安全性，而且更多地体现在适用性上。

混凝土耐久性主要包括以下几方面：

1.抗渗性。抗渗性对混凝土的耐久性起着重要的作用，因为抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，同时控制混凝土受热或受冷时水的移动。

2.抗冻性。混凝土的抗冻性是指混凝土在饱水状态下，经受多次抵抗冻融循环作用，能保持强度和外观性的能力。在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。

3.抗侵蚀性。混凝土暴露在有化学物质的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏。一般的化学侵蚀有水泥浆体组分的浸出、硫酸盐侵蚀、氯化物侵蚀、碳化等。四是碱集料反应。某些含有活性组分的骨料与水泥水化析出的KOH和NaOH 相互作用，对混凝土产生破坏性膨胀，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。

1.2 影响混凝土耐久性的主要因素 1.2.2 混凝土的碳化

混凝土的碳化又称为混凝土的中性化，几乎所有混凝土表面都处在碳化过程中。它是空气中二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。混凝土碳化本身对混凝土并无破坏使用，其主要危害是由于混凝土碱性降低使钢筋表面在高碱环境下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜遭到破坏，使混凝土失去对钢筋的保护作用，使混凝土中钢筋锈蚀，同时，混凝土的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。

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1.2.2 混凝土的冻融破坏

混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和用水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶凝孔向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中冰的体积进一步膨胀。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。 1.2.3 侵蚀性介质的腐蚀

在各种侵蚀性介质如酸、碱溶液等作用的环境下，侵蚀性介质对混凝土产生腐蚀，最终可能导致结构破坏。

在冬季，为保证公路交通的畅通，道路养护人员向道路、桥梁及城市立交桥等撒盐或盐水，以化雪和放冰，这使得氯离子进入混凝土结构的内部。在混凝土结构使用寿命期间可能遇到的各种暴露条件中，氯化物是最危险的侵蚀介质，应引起高度重视。氯离子侵入混凝土腐蚀钢筋的机理，一是破坏钝化膜，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，吸附于局部钝化膜处时，使该处呈酸性，从而破坏了钢筋表面的钝化膜；二是形成腐蚀电池，腐蚀电池作用的结果使得钢筋表面产生蚀坑，且蚀坑发展十分迅速；三是去极化作用，氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用，即凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始地起到破坏作用，这也是氯离子危害的特点之一。

1.2.4 混凝土碱集料反应

混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂，集料中活性材料主要是SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。

混凝土碱集料反应分为3种：碱—硅反应，碱—碳酸盐反应和碱—硅酸盐反应。其中碱—硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生，随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速降低。 2、提高混凝土耐久性采取的措施

2.1．高性能混凝土的概念

高性能混凝土是一种新型的高技术采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标 具有高强度、高弹性摸量、低渗透性和抵抗外界破坏的混凝土；针对不同用途的要求，对耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性能有重点地加以保证。高强混凝土本身抗渗性能就高，但还不同于高性能混凝土，高性能混凝土主要指高耐久性。

2.2．高性能混凝土配制的特点

高性能混凝土配制的特点是低水胶比水与胶结料的重量比，后者包括水泥及混凝土材料的重量，较低的水泥用量，选用优质材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。采用低水胶比（一般控制在０．２４～０．３８之间）的目的是降低混凝土水化热，增强硬化前后混凝土的体积稳定性，同时也是掺用矿物细掺料的要求。掺入优质矿物细掺料的目的是为了提高施工性、体积稳定性、密实性和抗化学侵蚀性；同时，因降低水胶比和混凝土水化热而提高混凝土耐久性，这也是高性能混凝土实现高耐久性目标

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的关键。另外，较低的水泥用量和用水量，以及加入矿物细掺料也是避免出现有害裂缝的主要手段。

2.3．高性能混凝土的施工特点

高性能混凝土由于其优异的施工性能（和易性）给施工带来方便，可消除由于人为振捣不均匀而造成的缺陷，提高混凝土工程外观质量。但是，高性能混凝土的性能对原材料质量和配合比的控制、混凝土的拌和时间以及混凝土的养护工作等非常敏感。这就要求施工技术人员和管理人员熟悉和掌握这些特征和质量控制的技术。

2.4．提高混凝土耐久性的具体措施

采用低水胶比，提高混凝土的密实性，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的强度；掺入高效减水剂，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低；掺入高效活性矿物掺料，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性Ｓｉ０２及活性Ａｌ２０３能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路；消除混凝土自身的结构破坏因素，或消除从原材料引入的碱、Ｓ０３、Ｃ１－ 等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。

3.体会

混凝土老化问题已普遍存在，这应该引起我们高度重视。应针对影响混凝土结构耐久性的主要因素如碳化、冻融破坏、侵蚀性介质的腐蚀、碱集料反应、钢筋诱蚀等因素，结合工程具体情况，采取具体措施。同时，应积极采用新技术、新成果，如高性能混凝土，改善和提高混凝土的耐久性，延长混凝土结构的使用寿命。

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