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第十三章第十三章 硬化混凝土的性能硬化混凝土的性能主要包括：强主要包括：强 度度 变变 形形 耐久性耐久性第一节第一节 混凝土的强度混凝土的强度一、混凝土的抗压强度一、混凝土的抗压强度l立方体抗压强度：边长为立方体抗压强度：边长为100mm、150mm、200mm的立方体试件的立方体试件l轴心抗压强度：轴心抗压强度：150mm150mm300mm的棱柱体试件的棱柱体试件l圆柱体抗压强度：圆柱体抗压强度：150mm300mm的圆的圆柱体试件柱体试件GBJ81-85普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法l搅拌：搅拌：实验室制作试件：一般先加砂子、石子实验室制作试件：一般先加砂子、石子,再加再加水泥水泥,掺合料，然后加水和外加剂，共同搅拌掺合料，然后加水和外加剂，共同搅拌2 25 5分分钟。钟。商品混凝土搅拌站：根据混凝土强度等级不商品混凝土搅拌站：根据混凝土强度等级不同、搅拌机不同，设计不同的投料顺序和搅拌时间。同、搅拌机不同，设计不同的投料顺序和搅拌时间。l成型：成型：将混凝土拌合物一次装入试模，采用震动台将混凝土拌合物一次装入试模，采用震动台成型，振动至混凝土表面出浆为止。刮去多余的混成型，振动至混凝土表面出浆为止。刮去多余的混凝土并抹平。凝土并抹平。l养护：养护：成型后覆盖表面，在成型后覆盖表面，在205205静置一昼夜，静置一昼夜，拆模，在拆模，在203203，相对湿度，相对湿度9090以上的标准养护以上的标准养护室中养护至龄期。室中养护至龄期。l抗压强度试验：抗压强度试验：将试件表面擦拭干净，测量尺寸，将试件表面擦拭干净，测量尺寸，放在压力机的承压板中央，以试件的浇注面作为放在压力机的承压板中央，以试件的浇注面作为受压面。混凝土强度等级低于受压面。混凝土强度等级低于C30C30时，加荷速度取时，加荷速度取每秒钟每秒钟0.30.30.5MPa0.5MPa；混凝土强度等级高于或等于；混凝土强度等级高于或等于C30C30时，取每秒钟时，取每秒钟0.50.50.8MPa0.8MPa。l试验结果计算：试验结果计算：以三个试件测值的算术平均值以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。作为该组试件的抗压强度值。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的间值的差值超过中间值的1515时，则把最大及时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗压强度值。压强度值。如有两个测值与中间值的差均超过中间值的如有两个测值与中间值的差均超过中间值的1515，则该组试件的试验结果无效。，则该组试件的试验结果无效。试件尺寸试件尺寸(mm)集料最大粒径集料最大粒径(mm)强度的尺寸强度的尺寸换算系数换算系数100100100300.95150150150401200200200601.05GBJ10-89混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范l混凝土强度等级是按混凝土强度等级是按立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值来来确定的。确定的。l立方体抗压强度标准值是指具有立方体抗压强度标准值是指具有95保证率的保证率的立方体抗压强度，也就是指在混凝土立方体抗立方体抗压强度，也就是指在混凝土立方体抗压强度压强度测定值测定值的总体分布中，低于该值的百分的总体分布中，低于该值的百分率不超过率不超过5。l分为分为C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60 12个等级。个等级。lC30表示混凝土立方体抗压强度表示混凝土立方体抗压强度30MPa，其保，其保证率为证率为95。l不同的建筑工程，不同的部位采用不同不同的建筑工程，不同的部位采用不同强度等级的混凝土。强度等级的混凝土。l实际工程强度：与工程相同的环境下养实际工程强度：与工程相同的环境下养护，按需要的龄期进行测试，作为现场护，按需要的龄期进行测试，作为现场混凝土质量控制的依据。混凝土质量控制的依据。二、抗拉强度二、抗拉强度l混凝土是一种脆性材料，在直接受拉时，混凝土是一种脆性材料，在直接受拉时，变形很小就会开裂、破坏。变形很小就会开裂、破坏。l脆性系数：混凝土抗压强度与抗拉强度脆性系数：混凝土抗压强度与抗拉强度的比值。在的比值。在9.014.5之间。随混凝土强之间。随混凝土强度等级提高，脆性系数越大。度等级提高，脆性系数越大。l抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标，也可用来间接衡量混凝土与钢筋的标，也可用来间接衡量混凝土与钢筋的粘结强度。粘结强度。l轴向抗拉强度：难取得满意结果轴向抗拉强度：难取得满意结果l劈裂抗拉强度：劈裂抗拉强度：150mm150mm150mm立方体立方体l弯曲抗拉强度（抗折强度）弯曲抗拉强度（抗折强度）三分点加载法：三分点加载法：150mm150mm600mm棱柱体小梁棱柱体小梁 中心点加载法中心点加载法劈裂抗拉试验示意图劈裂抗拉试验示意图1 1上压板上压板2 2垫条垫条3 3垫层垫层4 4下压板下压板三分点加载法试验示意图三分点加载法试验示意图中心点加载法试验示意图中心点加载法试验示意图三、混凝土强度的影响因素三、混凝土强度的影响因素1.水泥强度等级：越高水泥强度等级：越高所配制的混凝土中的水泥浆体强度越高；所配制的混凝土中的水泥浆体强度越高；水泥浆体与集料间的粘结力越大。水泥浆体与集料间的粘结力越大。混凝土的强度也越高混凝土的强度也越高 2.水灰比：在一定范围内，随水灰比的减小，强度水灰比：在一定范围内，随水灰比的减小，强度有规律的提高。有规律的提高。用于水化后多余的水分残留在混凝土中，形成水泡用于水化后多余的水分残留在混凝土中，形成水泡和水道，挥发后形成气孔和孔道和水道，挥发后形成气孔和孔道减少了抵抗荷载的有效断面；减少了抵抗荷载的有效断面；受力时在孔隙和孔道周围产生应力集中，引起受力时在孔隙和孔道周围产生应力集中，引起微裂纹的扩展。微裂纹的扩展。混凝土强度降低混凝土强度降低混凝土强度与水灰比的关系式：混凝土强度与水灰比的关系式：fcu,0=a a fce (C/W)-b b fcu,0混凝土混凝土28天抗压强度，天抗压强度，MPa；fce水泥强度等级或实际强度，水泥强度等级或实际强度，MPa；C/W灰水比，适用范围灰水比，适用范围1.23.0；a a、b b 回归系数，与集料品种、水泥品种有关。回归系数，与集料品种、水泥品种有关。碎石：碎石：a a 0.46，b b 0.07卵石：卵石：a a 0.48，b b 0.33利用上式解决：利用上式解决：当水泥强度等级当水泥强度等级fce已经选定，配制某一强度已经选定，配制某一强度fcu,0的混凝土时，计算出应用的水灰比的混凝土时，计算出应用的水灰比W/C近似值。近似值。当已知水泥强度等级当已知水泥强度等级fce和选定水灰比和选定水灰比W/C时，计时，计算该混凝土算该混凝土28天可能达到的强度天可能达到的强度fcu,0。3.集料的品种、质量和数量集料的品种、质量和数量l品种：与卵石相比，碎石表面粗糙富有棱角对强度更有利品种：与卵石相比，碎石表面粗糙富有棱角对强度更有利与水泥浆体的粘结力较强；与水泥浆体的粘结力较强；颗粒之间具有嵌固作用。颗粒之间具有嵌固作用。石子品种的影响与所用水灰比有关：石子品种的影响与所用水灰比有关：a.W/C 0.4时，碎石混凝土与卵石混凝土强度差值可高达时，碎石混凝土与卵石混凝土强度差值可高达38；因为主要矛盾为界面强度因为主要矛盾为界面强度b.随随W/C增大，两者差值逐渐减少；增大，两者差值逐渐减少；c.W/C0.65，两者的强度差异不太显著。因为主要矛盾为水，两者的强度差异不太显著。因为主要矛盾为水泥浆强度泥浆强度l质量：质量：有害杂质含量过多，降低混凝土强度；有害杂质含量过多，降低混凝土强度；与水泥浆体有一定程度的化学反应，影响界面与水泥浆体有一定程度的化学反应，影响界面强度。如：强度。如：a.石英岩、玄武岩等酸性集料可与水泥浆中的石英岩、玄武岩等酸性集料可与水泥浆中的Ca(OH)2反应，在界面生成强度较高的水化硅酸反应，在界面生成强度较高的水化硅酸钙反应层；钙反应层；b.部分碳酸盐质碱性集料会形成弱的接触层，界部分碳酸盐质碱性集料会形成弱的接触层，界面水泥浆强度较低。面水泥浆强度较低。l数量集灰比：对数量集灰比：对C35以上混凝土强度影响大以上混凝土强度影响大W/C一定时，集灰比增大，混凝土强度提高一定时，集灰比增大，混凝土强度提高集料增多，表面积增加，吸收了部分润湿水，集料增多，表面积增加，吸收了部分润湿水，降低了有效水灰比，使水泥浆体密实；降低了有效水灰比，使水泥浆体密实；水泥浆数量减少，混凝土内的总孔隙体积减少。水泥浆数量减少，混凝土内的总孔隙体积减少。4.养护条件养护条件l湿度：湿度：a.a.水泥凝结以后水化反应只能在毛细孔内水泥凝结以后水化反应只能在毛细孔内发生，所以要防止毛细孔中水的蒸发。发生，所以要防止毛细孔中水的蒸发。b.b.潮湿环境下养护：湿砂覆盖、喷雾、浸潮湿环境下养护：湿砂覆盖、喷雾、浸水和塑料薄膜覆盖。水和塑料薄膜覆盖。l温度：对混凝土强度的发展有很大影响温度：对混凝土强度的发展有很大影响温度较低混凝土强度增长率下降，需要较长的潮湿养护温度较低混凝土强度增长率下降，需要较长的潮湿养护时间。时间。早期养护温度稍低，混凝土早期强度发展较慢，但后期早期养护温度稍低，混凝土早期强度发展较慢，但后期强度发展较好。强度发展较好。高温养护可以提高早期强度，但后期强度较低。高温养护可以提高早期强度，但后期强度较低。因为水泥颗粒外表过早形成水化产物，不易分布均匀：因为水泥颗粒外表过早形成水化产物，不易分布均匀：a.a.水化物稠密度较低的区域，成为水泥浆体的薄弱点，降水化物稠密度较低的区域，成为水泥浆体的薄弱点，降低了整体强度；低了整体强度；b.b.水化物稠密度过高的区域，水化物包裹在水泥粒子周围，水化物稠密度过高的区域，水化物包裹在水泥粒子周围，阻碍水分进入内部继续进行水化反应，从而减少了水化产阻碍水分进入内部继续进行水化反应，从而减少了水化产物的量，后期强度降低。物的量，后期强度降低。5.龄期龄期混凝土强度随龄期增长：混凝土强度随龄期增长：Rt=Algt+Bl对数公式：对数公式：Rn=R28lgn/lg28 (n3)l斯拉特公式：斯拉特公式：R28=R7+k R76.试验条件试验条件l非标准尺寸试件：非标准尺寸试件：a.试件尺寸越小，环箍效应越大，对测得试件尺寸越小，环箍效应越大，对测得的强度值的提高效果更大；的强度值的提高效果更大；b.试件尺寸越大，出现裂纹、孔隙的机会试件尺寸越大，出现裂纹、孔隙的机会越多，强度值偏低。越多，强度值偏低。l加荷速度：越大，测得的强度值越高加荷速度：越大，测得的强度值越高第二节第二节 混凝土的变形混凝土的变形一、非荷载作用状态下的变形一、非荷载作用状态下的变形1.化学收缩：水泥水化使生成物总体积小化学收缩：水泥水化使生成物总体积小于反应物总体积。于反应物总体积。l不可恢复。不可恢复。l收缩值随龄期延长而增加，与时间的对收缩值随龄期延长而增加，与时间的对数成正比。数成正比。l在在40多天内增长较快，以后减缓。多天内增长较快，以后减缓。2.干湿变形干湿变形l由于毛细孔水蒸发及部分凝胶体颗粒中的吸附由于毛细孔水蒸发及部分凝胶体颗粒中的吸附水蒸发所致。水蒸发所致。l大部分可恢复。大部分可恢复。l收缩受到约束，会引起混凝土开裂。收缩受到约束，会引起混凝土开裂。l结构设计：配筋结构设计：配筋l原材料品质：如水泥品种（火山灰水泥收缩大原材料品质：如水泥品种（火山灰水泥收缩大于普通水泥）、水泥强度等级（越高，混凝土于普通水泥）、水泥强度等级（越高，混凝土收缩越大）、集料含泥量（越大，混凝土收缩收缩越大）、集料含泥量（越大，混凝土收缩越大）越大）l混凝土配合比：如水泥用量、水灰比、砂率混凝土配合比：如水泥用量、水灰比、砂率l养护：保湿养护：保湿3.温度变形温度变形l温度升高温度升高1，1m3混凝土约膨胀混凝土约膨胀0.01mm。l混凝土是热不良导体，散热较慢，热量聚集在混凝土是热不良导体，散热较慢，热量聚集在混凝土内部，使内外产生温差，对大体积混凝混凝土内部，使内外产生温差，对大体积混凝土温差可达土温差可达5070。l内部温度高混凝土体积膨胀，外部温度随气温内部温度高混凝土体积膨胀，外部温度随气温降低混凝土体积收缩，两者相互制约，在混凝降低混凝土体积收缩，两者相互制约，在混凝土外表层产生很大拉应力，使混凝土产生裂缝。土外表层产生很大拉应力，使混凝土产生裂缝。l水泥用量、凝结特性的影响。水泥用量、凝结特性的影响。l养护制度的影响。养护制度的影响。l伸缩缝设置。伸缩缝设置。二、弹塑性变形和弹性模量二、弹塑性变形和弹性模量l弹性变形：加载时出现，卸载时恢复到弹性变形：加载时出现，卸载时恢复到原始状态的变形。原始状态的变形。l塑性变形：加载时出现，卸载时不能恢塑性变形：加载时出现，卸载时不能恢复到原始状态的变形。复到原始状态的变形。l混凝土是一种多相复合材料，既有弹性混凝土是一种多相复合材料，既有弹性变形，又有塑性变形，是一种弹塑性材变形，又有塑性变形，是一种弹塑性材料。料。l随应力增大，应力与应变的比值减小。随应力增大，应力与应变的比值减小。加荷和卸荷时混凝土应力应变曲线加荷和卸荷时混凝土应力应变曲线混凝土在低应力重复荷混凝土在低应力重复荷载时的应力应变曲线载时的应力应变曲线GBJ81-85普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法l割线弹性模量：割线弹性模量：在低应力下，随荷载重复次数在低应力下，随荷载重复次数增加，增加，塑性变形的增量塑性变形的增量逐渐减少，最后得到的逐渐减少，最后得到的应力应变曲线与初始切线平行，割线应力应变曲线与初始切线平行，割线AC的的弹性模量。弹性模量。l测定：测定：采用采用150mm150mm300mm的棱柱体的棱柱体试件，取其轴心抗压强度值的试件，取其轴心抗压强度值的40作为试验控作为试验控制应力荷载值，经多次反复加荷和卸荷，测得制应力荷载值，经多次反复加荷和卸荷，测得应力与应变的比值为弹性模量应力与应变的比值为弹性模量Ec。l混凝土强度越高，弹性模量越高。混凝土强度越高，弹性模量越高。l混凝土配合比影响：集料含量较多，水混凝土配合比影响：集料含量较多，水灰比较小，弹性模量较大。灰比较小，弹性模量较大。l养护制度影响：标准养护条件好。养护制度影响：标准养护条件好。l龄期影响：越长，弹性模量越大。龄期影响：越长，弹性模量越大。三、混凝土的徐变三、混凝土的徐变l徐变：混凝土在长期恒定荷载作用下，随时间徐变：混凝土在长期恒定荷载作用下，随时间延长，沿作用力方向的变形发展，一般要延长，沿作用力方向的变形发展，一般要23年才趋于稳定。年才趋于稳定。l在荷载作用初期，徐变变形增长较快，以后逐在荷载作用初期，徐变变形增长较快，以后逐渐变慢，最终稳定下来。渐变慢，最终稳定下来。l加荷：瞬时变形（弹性变形）加荷：瞬时变形（弹性变形）徐变徐变l卸荷：瞬时恢复（弹性变形恢复）卸荷：瞬时恢复（弹性变形恢复）徐变恢复徐变恢复l原因：在长期荷载作用下原因：在长期荷载作用下a.水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细孔内水泥石中的凝胶体产生粘性流动，向毛细孔内迁移；迁移；b.凝胶体内的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移凝胶体内的吸附水或结晶水向内部毛细孔迁移渗透。渗透。初期：未填满的毛细孔较多，迁移较容易，徐变初期：未填满的毛细孔较多，迁移较容易，徐变增长较快；增长较快；后期：由于水化和迁移的进行，毛细孔较少变小，后期：由于水化和迁移的进行，毛细孔较少变小，徐变速度越慢。徐变速度越慢。l影响因素：影响因素：l水泥用量多，徐变大水泥用量多，徐变大l水灰比小，徐变小水灰比小，徐变小l水中养护，徐变小水中养护，徐变小l混凝土弹性模量大，徐变小混凝土弹性模量大，徐变小l集料弹性模量大，徐变小集料弹性模量大，徐变小第三节第三节 混凝土的耐久性混凝土的耐久性l定义：混凝土在长期外界因素作用下，定义：混凝土在长期外界因素作用下，抵抗环境介质作用并长期保持其良好的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，从而维持混凝使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构安全、正常使用的能力称为混凝土结构安全、正常使用的能力称为混凝土的耐久性。土的耐久性。l混凝土的耐久性主要包括抗渗、抗冻、混凝土的耐久性主要包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱集料反应及混凝土中抗侵蚀、碳化、碱集料反应及混凝土中钢筋锈蚀等性能。钢筋锈蚀等性能。钢筋锈蚀钢筋锈蚀碳化碳化Cl-离子侵蚀离子侵蚀抗抗侵侵蚀蚀组分溶解和浸析组分溶解和浸析离子交离子交换反应换反应形成膨胀性产物形成膨胀性产物碱度降低碱度降低产生内应力产生内应力,变形开裂变形开裂CaCa2+2+作为可溶产物被移走作为可溶产物被移走CaCa2+2+作为不溶不膨胀产物被移走作为不溶不膨胀产物被移走C-S-HC-S-H中的中的CaCa2+2+被置换被置换强度下降强度下降质量损失质量损失孔隙增加孔隙增加抗渗变差抗渗变差一、抗渗性一、抗渗性l定义：混凝土抵抗水、油等液体在压力定义：混凝土抵抗水、油等液体在压力下渗透的性能。下渗透的性能。l抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素。抗渗性差，水及有害介质容易渗入，素。抗渗性差，水及有害介质容易渗入，抗冻、抗侵蚀、抗碳化、抗钢筋锈蚀能抗冻、抗侵蚀、抗碳化、抗钢筋锈蚀能力均下降。力均下降。GBJ82-85普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法测定：测定：l采用顶面直径为采用顶面直径为175mm175mm，底面直径为，底面直径为185mm185mm，高度为，高度为150mm150mm的圆台体试件。的圆台体试件。l将试件养护至要求的龄期时，使用抗渗仪进行试验。将试件养护至要求的龄期时，使用抗渗仪进行试验。l试验从水压试验从水压0.1MPa0.1MPa开始。以后每隔开始。以后每隔8h8h增加水压增加水压0.1MPa0.1MPa。当六个试件中有三个试件端面出现渗水现象时，即可停当六个试件中有三个试件端面出现渗水现象时，即可停止试验并记录当时的水压。止试验并记录当时的水压。l混凝土的抗渗标号以每组六个试件中四个试件未出现渗混凝土的抗渗标号以每组六个试件中四个试件未出现渗水时的最大水压力计算，其计算式为水时的最大水压力计算，其计算式为S S10H10Hl l式中式中 S S抗渗标号；抗渗标号；H H六个试件中三个渗水时的水压力（六个试件中三个渗水时的水压力（MPaMPa）。）。混凝土的渗透系数混凝土的渗透系数K K可用下式表示：可用下式表示：式中：式中：总孔隙率；总孔隙率；r r孔的水力半径；孔的水力半径；流体的粘度；流体的粘度；C C常数。常数。说说明明渗渗透透性性与与总总孔孔隙隙率率和和孔孔隙隙大大小小密密切切相相关关，渗渗透透系系数数正正比比于于孔孔隙隙半半径径的的平平方方，与与总总孔孔隙隙率率成成一一次次方方的的正正比比关关系系，因因而而孔孔径径大大小小对对抗抗渗渗性性的的影影响响比比孔孔隙隙率率的的影响更大。影响更大。主要影响因素主要影响因素孔结构孔结构水灰比水灰比 研究表明，凝胶孔对抗渗性几乎无影响；毛细研究表明，凝胶孔对抗渗性几乎无影响；毛细孔，尤其是连通的毛细孔对抗渗性极为不利。孔，尤其是连通的毛细孔对抗渗性极为不利。l总孔隙率越大，渗透的通道就越多；总孔隙率越大，渗透的通道就越多；l孔径大的毛细孔越多，渗透的通道越大；孔径大的毛细孔越多，渗透的通道越大；l连通孔越多，渗透的通道越通畅。连通孔越多，渗透的通道越通畅。混凝土的抗渗性越差混凝土的抗渗性越差实际工程中的影响因素实际工程中的影响因素l集料与水泥浆体的界面：存在过渡的多集料与水泥浆体的界面：存在过渡的多孔区，集料越粗，影响越大。孔区，集料越粗，影响越大。l混凝土捣实不良或泌水过度：形成渗透混凝土捣实不良或泌水过度：形成渗透的通路的通路l蒸气养护：混凝土中部分水被蒸发形成蒸气养护：混凝土中部分水被蒸发形成渗透的通路渗透的通路l混凝土先经干燥然后受湿：干燥时混凝混凝土先经干燥然后受湿：干燥时混凝土中的水被蒸发形成渗透的通路土中的水被蒸发形成渗透的通路二、抗冻性二、抗冻性l定义：是指混凝土在饱水状态下，经受定义：是指混凝土在饱水状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。完整性的能力。l 在寒冷地区，尤其是在接触水又受冻的在寒冷地区，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环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性能。性能。冻融破坏的原因冻融破坏的原因l由于混凝土内部空隙和毛细孔道中的水结冰时产由于混凝土内部空隙和毛细孔道中的水结冰时产生体积膨胀（生体积膨胀（9）和冷水迁移，产生一定的）和冷水迁移，产生一定的应力应力，当这种应力超过混凝土的抗拉强度时，则使混凝当这种应力超过混凝土的抗拉强度时，则使混凝土产生微细裂缝。土产生微细裂缝。l微细裂缝为不可逆的结构变化，在冰融化后不能微细裂缝为不可逆的结构变化，在冰融化后不能完全复原，所产生的膨胀仍有部分残留，再次冻完全复原，所产生的膨胀仍有部分残留，再次冻融时，原先形成的裂缝又由于结冰而扩大。融时，原先形成的裂缝又由于结冰而扩大。l在反复受冻融作用下，微细裂缝逐渐增多和扩大，在反复受冻融作用下，微细裂缝逐渐增多和扩大，混凝土强度降低直至破坏。混凝土强度降低直至破坏。结冰特点结冰特点l水泥浆体中的结合水是不会结冰的；水泥浆体中的结合水是不会结冰的；l由于凝胶孔极为窄小，凝胶水只能在极低的温由于凝胶孔极为窄小，凝胶水只能在极低的温度（度（78）下才能结冰；）下才能结冰；l一般自然条件的低温下，只有毛细孔中的水和一般自然条件的低温下，只有毛细孔中的水和自由水才会结冰；自由水才会结冰；l浆体中的水并非纯水，而是含有浆体中的水并非纯水，而是含有Ca(OH)2和碱和碱类的盐溶液，故冰点非类的盐溶液，故冰点非0而是在而是在1以下；以下；l毛细孔中的水还受到表面力的作用，毛细孔越毛细孔中的水还受到表面力的作用，毛细孔越细，冰点越低。细，冰点越低。破坏机理破坏机理应力的产生应力的产生l静水压理论：静水压理论：毛细孔内水结冰并不直接毛细孔内水结冰并不直接使浆体胀坏，而是由于水结冰体积增加使浆体胀坏，而是由于水结冰体积增加时，未冻水被迫向外流动，从而产生危时，未冻水被迫向外流动，从而产生危害性的静水压力。害性的静水压力。l与静水压力获得解除前的最短流程密切与静水压力获得解除前的最短流程密切相关：结冰点到相关：结冰点到“出口处出口处”的距离，气的距离，气孔的存在可以为静水压的解除提供孔的存在可以为静水压的解除提供“出出口口”。l渗透压理论：渗透压理论：当毛细孔水部分结冰时，当毛细孔水部分结冰时，水中所含的碱以及其它物质等溶质的浓水中所含的碱以及其它物质等溶质的浓度增大；但在凝胶孔内的水由于定向排度增大；但在凝胶孔内的水由于定向排列的缘故在此时尚未结冰，溶液浓度不列的缘故在此时尚未结冰，溶液浓度不变。因而产生浓度差，促使凝胶孔的水变。因而产生浓度差，促使凝胶孔的水向毛细孔扩散，形成渗透压，造成一定向毛细孔扩散，形成渗透压，造成一定的膨胀应力。的膨胀应力。影响因素影响因素l水泥品种：水泥品种：硅酸盐水泥比掺混合材水泥硅酸盐水泥比掺混合材水泥的抗冻性好；水泥强度等级越高，抗冻的抗冻性好；水泥强度等级越高，抗冻性越好。性越好。l熟料矿物组成：熟料矿物组成：增加熟料中增加熟料中C3S含量，抗含量，抗冻性可以改善。冻性可以改善。因为：影响早期水化程度，从而影响强因为：影响早期水化程度，从而影响强度（抵抗膨胀应力的抗拉强度低）和可度（抵抗膨胀应力的抗拉强度低）和可结冰水的数量。结冰水的数量。l水灰比：水灰比：水灰比提高，可结冰的水量增加；毛水灰比提高，可结冰的水量增加；毛细孔增多且尺寸变大，更易结冰（冰点提高）。细孔增多且尺寸变大，更易结冰（冰点提高）。l龄期：龄期：除对孔结构影响外，可结冰的水量减少；除对孔结构影响外，可结冰的水量减少；水中溶解的盐类浓度提高，冰点下降。水中溶解的盐类浓度提高，冰点下降。l浆体的充水程度：浆体的充水程度：充水孔隙占总孔隙率的百分充水孔隙占总孔隙率的百分比低，可结冰的水量减少；气孔相对多，静水比低，可结冰的水量减少；气孔相对多，静水压力能够就近有压力能够就近有“出口出口”而解除。而解除。三、环境介质的侵蚀三、环境介质的侵蚀l抗蚀性：是指混凝土抵抗环境有害介质侵蚀，能保持强度抗蚀性：是指混凝土抵抗环境有害介质侵蚀，能保持强度和外观完整性的能力。和外观完整性的能力。lC-S-HC-S-H、CHCH、AFtAFt、AFmAFm等比较难溶的含钙水化产物，一般等比较难溶的含钙水化产物，一般与高与高pHpH值的孔液处于稳定的平衡状态。值的孔液处于稳定的平衡状态。l由于孔液中的由于孔液中的NaNa、K K和和OHOH离子浓度甚高，其离子浓度甚高，其pHpH值可高值可高达达12.512.513.513.5。从理论上说，任何。从理论上说，任何pHpH值在值在12.512.5以下的环境以下的环境介质都可作为侵蚀性介质看待。介质都可作为侵蚀性介质看待。l淡水（软水）、酸性水、酸、淡水（软水）、酸性水、酸、SOSO4 42-2-、ClCl-；l侵蚀速度决定于侵蚀介质的侵蚀速度决定于侵蚀介质的pHpH值以及混凝土的抗渗能力。值以及混凝土的抗渗能力。1、组分的溶解和浸析、组分的溶解和浸析l混凝土受到淡水（软水）的作用，其中一些组成如混凝土受到淡水（软水）的作用，其中一些组成如Ca(OH)Ca(OH)2 2等将按照溶解度的大小，依次逐渐被水溶解，等将按照溶解度的大小，依次逐渐被水溶解，产生产生溶出性侵蚀，溶出性侵蚀，最终导致破坏。最终导致破坏。l在各种水化产物中，在各种水化产物中，Ca(OH)Ca(OH)2 2的溶解度最大，首先被的溶解度最大，首先被溶解。如水量不多，水中的溶解。如水量不多，水中的Ca(OH)Ca(OH)2 2浓度很快就达到饱浓度很快就达到饱和程度，溶出作用就停止。和程度，溶出作用就停止。l在在流动水流动水中，特别在有水压作用且混凝土的渗透性又中，特别在有水压作用且混凝土的渗透性又较大的情况下，水流就不断将较大的情况下，水流就不断将Ca(OH)Ca(OH)2 2溶出并带走，不溶出并带走，不仅增加了孔隙率，使水更易渗透；而且由于液相中仅增加了孔隙率，使水更易渗透；而且由于液相中Ca(OH)Ca(OH)2 2浓度降低，还会使浓度降低，还会使其它水化产物发生分解其它水化产物发生分解。水化产物稳定存在的液相水化产物稳定存在的液相CaO浓度浓度2CaO SiO2(aq)：接近：接近Ca(OH)2饱和浓度饱和浓度(1.2g/L CaO)3CaO 2SiO2(aq)：接近：接近Ca(OH)2饱和浓度饱和浓度(1.2g/L CaO)CaO SiO2(aq)：0.0310.52g/L CaO4CaO Al2O3 13H2O：1.061.08g/L CaO3CaO Al2O3 6H2O：0.4150.56g/L CaO4CaO Fe2O3(aq)：1.06g/L CaO3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O：0.045g/L CaOl随着液相中随着液相中CaO浓度的降低，首先是晶浓度的降低，首先是晶体被溶解，其次是高碱性的水化硅酸盐、体被溶解，其次是高碱性的水化硅酸盐、水化铝酸盐等分解而成为低碱性的水化水化铝酸盐等分解而成为低碱性的水化产物。如果不断浸析，最后会变成硅酸产物。如果不断浸析，最后会变成硅酸凝胶、氢氧化铝等无胶结能力的产物。凝胶、氢氧化铝等无胶结能力的产物。2、离子交换反应、离子交换反应l形成可溶性钙盐：形成可溶性钙盐：酸性溶液酸性溶液与硬化浆体的与硬化浆体的组成生成可溶性的钙盐，组成生成可溶性的钙盐，随而被水带走。随而被水带走。l化工厂含盐酸、硫酸或硝酸的废水；化工厂含盐酸、硫酸或硝酸的废水；l食品厂含醋酸、蚁酸或乳酸的废水；食品厂含醋酸、蚁酸或乳酸的废水；l软饮料中的碳酸；软饮料中的碳酸；l农业化肥厂含氯化铵和硫酸铵的溶液。农业化肥厂含氯化铵和硫酸铵的溶液。大气中的大气中的CO2溶于水溶于水天然水中的碳酸天然水中的碳酸lCO2+H2O+Ca(OH)2=CaCO3 (不溶于水不溶于水)lCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 (易溶于水易溶于水)使使Ca(OH)2不断溶失，进而引起水化硅酸钙和水化不断溶失，进而引起水化硅酸钙和水化铝酸钙的分解。铝酸钙的分解。l平衡的碳酸：天然水本身含有少量碳酸氢钙，必须平衡的碳酸：天然水本身含有少量碳酸氢钙，必须有一定量的碳酸与之平衡；有一定量的碳酸与之平衡；l结合的碳酸：与氢氧化钙结合成碳酸钙；结合的碳酸：与氢氧化钙结合成碳酸钙；l侵蚀的碳酸：当水中含有的碳酸超过平衡碳酸量时，侵蚀的碳酸：当水中含有的碳酸超过平衡碳酸量时，其中部分剩余碳酸与碳酸钙反应。其中部分剩余碳酸与碳酸钙反应。碳化碳化 水的暂时硬度越大，水中所含的碳酸氢水的暂时硬度越大，水中所含的碳酸氢钙越多：钙越多：l所需的平衡碳酸量越多；所需的平衡碳酸量越多；l所含的碳酸氢钙与浆体中的所含的碳酸氢钙与浆体中的Ca(OH)2反应，反应，生成碳酸钙，堵塞表面的毛细孔，提高生成碳酸钙，堵塞表面的毛细孔，提高致密度。致密度。l形成不溶性钙盐：形成不溶性钙盐：草酸、鞣酸、酒石酸、氢氟酸以及磷草酸、鞣酸、酒石酸、氢氟酸以及磷酸与浆体中的酸与浆体中的Ca(OH)2反应生成不溶性钙盐，随而被水反应生成不溶性钙盐，随而被水带走。带走。lC-S-H中的中的Ca2+被置换：被置换：如镁盐侵蚀如镁盐侵蚀 MgSO4+Ca(OH)2+2H2O CaSO4 2H2O+Mg(OH)2水化硅酸钙分解水化硅酸钙分解 MgSO4+3CaO 2SiO2(aq)+nH2O 3CaSO4 2H2O+3Mg(OH)2+2SiO2(aq)在长期接触的条件下，未分解的水化硅酸钙中的在长期接触的条件下，未分解的水化硅酸钙中的Ca2+离离子也要逐渐被子也要逐渐被Mg2+离子所置换，转化为水化硅酸镁。离子所置换，转化为水化硅酸镁。3、形成膨胀性产物、形成膨胀性产物l硫酸盐侵蚀：硫酸盐侵蚀：Ca(OH)2+Na2SO4 10H2O=CaSO4 2H2O+2NaOH+8H2O固相体积增加固相体积增加124C4AH19+3(CaSO4 2H2O)+8H2O=3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O+Ca(OH)2固相体积再增加固相体积再增加94在石灰饱和溶液中，当在石灰饱和溶液中，当SO42-1500mg/L)与硫酸盐的种类有关与硫酸盐的种类有关l硫酸镁：既有硫酸盐侵蚀又有镁盐侵蚀硫酸镁：既有硫酸盐侵蚀又有镁盐侵蚀l硫酸氨：生成极易挥发的氨，为不可逆反应；硫酸氨：生成极易挥发的氨，为不可逆反应；而且会使水化硅酸钙分解而且会使水化硅酸钙分解 (NH4)2SO4+Ca(OH)2=CaSO4 2H2O+2NH3l盐类结晶膨胀：孔液中水分蒸发到溶液盐类结晶膨胀：孔液中水分蒸发到溶液的浓度达到一定过饱和度时，其中的盐的浓度达到一定过饱和度时，其中的盐类结晶析出，产生结晶压力而导致膨胀类结晶析出，产生结晶压力而导致膨胀影响因素影响因素l孔结构：水灰比、集料级配、混凝土配合比孔结构：水灰比、集料级配、混凝土配合比l熟料矿物组成：熟料矿物组成：如：如：C3A含量多，抗硫酸盐侵蚀差；含量多，抗硫酸盐侵蚀差；生成的水化产物在硫酸盐溶液中的稳定性：高生成的水化产物在硫酸盐溶液中的稳定性：高铝玻璃体铝玻璃体 铁铝酸盐晶体铁铝酸盐晶体 高铁玻璃体，所以高高铁玻璃体，所以高铝配方急冷抗蚀性好，高铁配方适当慢冷抗蚀铝配方急冷抗蚀性好，高铁配方适当慢冷抗蚀性好；性好；C3S含量多，抗溶出性侵蚀差；含量多，抗溶出性侵蚀差；l掺加混合材料：掺加混合材料：C3A和和C3S的含量相对减少，抗蚀性好；的含量相对减少，抗蚀性好；发生二次水化反应，生成更多凝胶产物，混凝发生二次水化反应，生成更多凝胶产物，混凝土密实性高，侵蚀介质渗透更难；土密实性高，侵蚀介质渗透更难；二次水化生成的水化硅酸钙二次水化生成的水化硅酸钙Ca/Si比低，平衡所比低，平衡所需的石灰极限浓度低需的石灰极限浓度低(0.050.09g CaO/L)，溶，溶出性侵蚀速度慢；出性侵蚀速度慢；液相液相CaO浓度较低，产生硫酸盐侵蚀所需浓度较低，产生硫酸盐侵蚀所需SO42-离子浓度需要更大，膨胀更趋缓和。离子浓度需要更大，膨胀更趋缓和。四、碱集料反应四、碱集料反应1.碱硅酸反应：碱硅酸反应：水泥中碱含量高，集料中含有水泥中碱含量高，集料中含有活性活性SiO2，它们相互作用，形成碱的硅酸盐凝，它们相互作用，形成碱的硅酸盐凝胶，致使混凝土开裂破坏。胶，致使混凝土开裂破坏。l活性活性SiO2的所有硅氧四面体呈任意的网状结构，的所有硅氧四面体呈任意的网状结构，实际的内表面积很大，碱离子较易将其中起联实际的内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的硅氧键破坏，使其解体：结作用的硅氧键破坏，使其解体：活性活性SiO2+2m NaOH mNa2O SiO2 nH2Ol活性集料：蛋白石、玉髓、燧石、流纹石、安活性集料：蛋白石、玉髓、燧石、流纹石、安山岩、凝灰岩等。山岩、凝灰岩等。膨胀机理膨胀机理l膨胀压理论：膨胀压理论：生成的凝胶吸水后体积增生成的凝胶吸水后体积增加，但受到周围水泥浆体的约束，结果加，但受到周围水泥浆体的约束，结果产生内压，导致膨胀、开裂。产生内压，导致膨胀、开裂。l渗透压理论：渗透压理论：包围活性集料的水泥浆体包围活性集料的水泥浆体起着半透膜的作用，使反应产物的硅酸起着半透膜的作用，使反应产物的硅酸根离子难以透过，但允许水和碱的氢氧根离子难以透过，但允许水和碱的氢氧化物扩散进来，产生渗透压，导致膨胀、化物扩散进来，产生渗透压，导致膨胀、开裂。开裂。影响因素影响因素l活性集料结构特征：硅氧四面体的任意网状结活性集料结构特征：硅氧四面体的任意网状结构构l水泥含碱量：水泥含碱量：Na2O+0.658K2O 0.6%l活性集料的粒径及含量：中间尺寸时膨胀最大；活性集料的粒径及含量：中间尺寸时膨胀最大；存在最危险含量。存在最危险含量。集料活性越大，最危险含量越小；集料活性越大，最危险含量越小；小于最危险含量，产生的膨胀小，不足以破坏；小于最危险含量，产生的膨胀小，不足以破坏；大于最危险含量，活性集料颗粒多，单位面积大于最危险含量，活性集料颗粒多，单位面积上能作用的有效碱减少，膨胀率变小。上能作用的有效碱减少，膨胀率变小。掺掺加火山灰、粉煤灰、沸石粉等可有效抑制碱加火山灰、粉煤灰、沸石粉等可有效抑制碱硅酸反应。硅酸反应。l水分存在水分存在l混凝土的渗透性混凝土的渗透性2.碱碳酸盐反应碱碳酸盐反应l碱碳酸盐反应：水泥中所含的碱与白云质灰碱碳酸盐反应：水泥中所含的碱与白云质灰岩反应，产生膨胀，导致混凝土破坏。岩反应，产生膨胀，导致混凝土破坏。l反应去白云石化反应反应去白云石化反应 CaMg(CO3)2+2MOH=CaCO3+Mg(OH)2+M2CO3 l膨胀机理：膨胀机理：间接反应机理（包括粘土基质吸水肿胀假说，间接反应机理（包括粘土基质吸水肿胀假说，渗透压假说）。渗透压假说）。直接反应机理（包括水化复盐产物假说），直接反应机理（包括水化复盐产物假说），唐唐明述院士明述院士提出膨胀是局部化学反应和结晶压引提出膨胀是局部化学反应和结晶压引起的理论。起的理论。把碱碳酸盐反应化害为利把碱碳酸盐反应化害为利 碱激发碳酸盐矿灌浆材料碱激发碳酸盐矿灌浆材料五、钢筋锈蚀五、钢筋锈蚀l正常情况下，混凝土呈强碱性，其正常情况下，混凝土呈强碱性，其pH值约为值约为1213，在钢筋表面形成一层致密的氧化膜，在钢筋表面形成一层致密的氧化膜(厚度约为厚度约为2060A的水化氧化物的水化氧化物nFe2O3 mH2O)，使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。，使钢筋处于钝化状态不被腐蚀。lpH9.88，