第6章混凝土的耐久性.ppt

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1、混凝土材料学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 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性l第二节第二节 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第三节第三节 碱碱-集料反应集料反应l第四节第四节 混凝土中钢筋的侵蚀混凝土中钢筋的侵蚀l第五节第五节 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的耐久性混凝土的耐久性混凝土的耐久性混凝土的耐久性指混凝土指混凝土抵抗物理和化学侵蚀抵抗物理和化学侵蚀（如冻融、高温、碳化、硫酸盐侵蚀等）的作用并长（如冻融、高温、碳化、硫酸盐侵蚀等）的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

2、混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。凝土结构的安全、正常使用的能力。主要取决于主要取决于：混凝土抵抗腐蚀性介质侵入的能力；混凝土抵抗腐蚀性介质侵入的能力；硬化后体积稳定性，体积稳定性好，无裂缝发生，抵抗腐蚀性硬化后体积稳定性，体积稳定性好，无裂缝发生，抵抗腐蚀性介质侵入的性能好；介质侵入的性能好；硬化水泥浆中毛细管孔隙率，以及引入的空气量。硬化水泥浆中毛细管孔隙率，以及引入的空气量。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 冰岛一港口被冻坏的路面冰岛一港口被冻坏的路面混凝土中的冻害基本机理混凝土中的冻害基本机理混凝土的内部膨胀劣化混凝土的内部膨胀劣化 由

3、于混凝土中水分冻结，水泥石的组织发生膨胀，初期有由于混凝土中水分冻结，水泥石的组织发生膨胀，初期有裂纹发生，继续进行冻融时，当混凝土内部膨胀超过极限值，裂纹发生，继续进行冻融时，当混凝土内部膨胀超过极限值，部分混凝土结构产生部分混凝土结构产生崩裂崩裂。对于这种冻害，掺入适量的引气剂。对于这种冻害，掺入适量的引气剂是相当有效的。是相当有效的。表面层剥落与开裂表面层剥落与开裂 混凝土表面受水份润湿，潮湿部分由于膨胀劣化，出现混凝土表面受水份润湿，潮湿部分由于膨胀劣化，出现表表层剥落层剥落。在这种情况下，仅掺入引气剂是对付不了的，最重要。在这种情况下，仅掺入引气剂是对付不了的，最重要的是降低水灰比和

4、充分养护，使混凝土的结构致密。的是降低水灰比和充分养护，使混凝土的结构致密。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p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之一。要指标之一。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、F1

5、50F150、F200F200、F250F250、F300F300等等9 9个等级。个等级。1 1、静水压假说、静水压假说l l混凝土中除了有凝胶孔和孔径大小不等的毛细孔外，还有在混凝土中除了有凝胶孔和孔径大小不等的毛细孔外，还有在混凝土中除了有凝胶孔和孔径大小不等的毛细孔外，还有在混凝土中除了有凝胶孔和孔径大小不等的毛细孔外，还有在搅拌和成型过程中引入的空气，以及掺加引气剂或引气型减搅拌和成型过程中引入的空气，以及掺加引气剂或引气型减搅拌和成型过程中引入的空气，以及掺加引气剂或引气型减搅拌和成型过程中引入的空气，以及掺加引气剂或引气型减水剂引入的空气泡。水剂引入的空气泡。水剂引入的空气泡。水

6、剂引入的空气泡。l由于毛细孔力的作用，孔径小的毛细孔容易吸满水，孔径较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，部分毛细孔水结成冰，体积会随之增大，这个增加的体积产生一毛细孔水结成冰，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泡方向流动。个水压力把水推向空气泡方向流动。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力 lGFagerlund模型：模型：设混凝土中某两个空气泡之间的距离为设混凝土中某两个空气

7、泡之间的距离为d，两空气泡之，两空气泡之间的毛细孔吸水饱和并部分结冰。在空气泡之间的某点，间的毛细孔吸水饱和并部分结冰。在空气泡之间的某点，距空气泡为距空气泡为x。由于结冰生成的水压力为。由于结冰生成的水压力为。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力 静水压力的模型静水压力的模型 6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力水压力的大小取决于结冰处至水压力的大小取决于结冰处至“逸出边界逸出边界”的距离（的距离（d）、材料的）、材料的渗透系数（渗透

8、系数（k）以及结冰速率（）以及结冰速率（）、降温速度（）、降温速度（）。）。静水压力静水压力6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力分析：分析：分析：分析：1 1、毛细孔水饱和时，结冰产生的最大静水压力与材料渗透系数成反、毛细孔水饱和时，结冰产生的最大静水压力与材料渗透系数成反比，即比，即水越易通过材料，则所产生的静水压力也越小水越易通过材料，则所产生的静水压力也越小；2 2、与、与结冰量增加速率和空气泡间距结冰量增加速率和空气泡间距的平方成正比，而结冰量增加速的平方成正比，而结冰量增加速率又与毛细孔水的含量率又与毛细

9、孔水的含量(与水灰比、水化程度有关与水灰比、水化程度有关)和降温速度成和降温速度成正比。正比。3 3、空气泡间距空气泡间距对静水压力的显著影响，水压力随空气泡间距的平方对静水压力的显著影响，水压力随空气泡间距的平方而成正比地增大。而成正比地增大。4 4、降温速度越快，水压力越大降温速度越快，水压力越大。当静水压力大到一定程度以至混凝。当静水压力大到一定程度以至混凝土强度不能承受时，混凝土膨胀开裂直至破坏。土强度不能承受时，混凝土膨胀开裂直至破坏。l2 2 2 2、渗透压假说、渗透压假说、渗透压假说、渗透压假说 渗透压是由孔内冰和未冻水两相的自由能之差引起的。渗透压是由孔内冰和未冻水两相的自由能

10、之差引起的。冰的蒸气压小于水的蒸气压，这个压差使附近尚未冻结的冰的蒸气压小于水的蒸气压，这个压差使附近尚未冻结的水向冻结区迁移，并在该冻结区转变为冰。水向冻结区迁移，并在该冻结区转变为冰。此外，混凝土中的水含有各种盐类，冻结区水结冰以后，此外，混凝土中的水含有各种盐类，冻结区水结冰以后，未冻溶液中盐浓度增大，与周围液相中盐的浓度的差别也未冻溶液中盐浓度增大，与周围液相中盐的浓度的差别也产生一个渗透压。产生一个渗透压。因此，因此，作为施于混凝土的破坏力的渗透压是冰水蒸气压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。差以及盐浓度差两者引起的。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗

11、冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力 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水结冰体积膨胀造成的静水压力积膨胀造成的静水压力及冰水蒸气压差及冰水蒸气压差和和溶液中溶液中盐浓度差造成的渗透压盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果。多两者共同作用的结果。多次冻融交替循环使破坏作用累积，犹如疲劳作用，次冻融交替循环使破坏作用累积，犹如疲劳作用，使冻结生成的微裂纹不断扩大。使冻结生成的微裂纹不断扩大。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.1 6.1.1 冻融交替对混凝土破坏的动力冻融交替对混凝土破坏的动力 6.

12、1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素1 1 1 1、集料、集料、集料、集料集料的吸水率集料的吸水率 ：吸水率吸水率大的集料对抗冻性不利；大的集料对抗冻性不利；集料本身的抗冻性：集料本身的抗冻性：风化风化岩等坚固性差的集料会影岩等坚固性差的集料会影响混凝土的抗冻性响混凝土的抗冻性 。轻集料混凝土抗冻性更好轻集料混凝土抗冻性更好。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素2 2 2 2、水泥品种、水泥品种、水泥品种、水泥品种水泥品种和活性对混凝土抗冻性有影响，主要是

13、因为其水泥品种和活性对混凝土抗冻性有影响，主要是因为其中熟料部分的相对体积不同和硬化速度的变化。混凝中熟料部分的相对体积不同和硬化速度的变化。混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高。土的抗冻性随水泥活性增高而提高。国内各种水泥抗冻性高低的顺序为：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普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水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。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素 3 3 3 3、强度、强度、强度、强度强度是抵抗破坏的能力，当然是强度是抵抗破坏

14、的能力，当然是抗冻性的有利因素抗冻性的有利因素。在。在相同含气量或者相同平均气泡间距的情况下，强度越相同含气量或者相同平均气泡间距的情况下，强度越高，抗冻性也越高。高，抗冻性也越高。但是另一方面混凝土的气泡结构对混凝土抗冻性的影响但是另一方面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。远远大于强度的影响。有人认为强度高的混凝土抗冻有人认为强度高的混凝土抗冻性就一定好，这个观点是不全面的性就一定好，这个观点是不全面的。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素4 4 4 4、水灰比、水灰比、水灰比、水灰比水灰比对抗冻性

15、的影响水灰比对抗冻性的影响随着水灰比随着水灰比增大，混凝增大，混凝土抗冻性明土抗冻性明显降低；掺显降低；掺入引起剂的入引起剂的混凝土其抗混凝土其抗冻能力有明冻能力有明显的提高显的提高。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素5 5、气泡间距、气泡间距、气泡间距、气泡间距 一般对高抗冻性混凝土而一般对高抗冻性混凝土而言，平均气泡间距应当言，平均气泡间距应当 0.250.250.30 mm0.30 mm，抗冻性急剧下降。，抗冻性急剧下降。在混凝土中掺加硅灰能明在混凝土中掺加硅灰能明显改善气泡结构；气泡平显改善气泡结构；气泡平均半径

16、减小，平均气泡间均半径减小，平均气泡间距也就相应减少。距也就相应减少。W/C=0.6W/C=0.70.180.200.220.240.280.300.260.51.00 抗冻性与平均气泡间距和水灰比的关系抗冻性与平均气泡间距和水灰比的关系6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.2 6.1.2 影响混凝土抗冻性的因素影响混凝土抗冻性的因素 设计高抗冻性混凝土的要点设计高抗冻性混凝土的要点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（碎石、卵石）；合理地选择集料（碎石、卵石）；合理地选择集料（碎石、卵石）；合理地选择集料（碎石、卵石）；l l尽量用普通硅酸盐水泥

17、，如掺粉煤灰等掺合料，要适当增大含气量和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；引气剂剂量；引气剂剂量；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

18、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（水灰比），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），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），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。以弥补强度损失。以弥补强度损失。以弥补强度损失。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.3 6.1.3 抗冻性

19、试验抗冻性试验 通常情况下，抗冻等级是以通常情况下，抗冻等级是以28d龄期的标准试件经快冻法或慢冻法龄期的标准试件经快冻法或慢冻法测得的混凝土能够经受的最大冻融循环次数确定。测得的混凝土能够经受的最大冻融循环次数确定。l快速抗冻性试验方法快速抗冻性试验方法快速抗冻性试验方法快速抗冻性试验方法 将试件在将试件在24h冻融循环后，每隔冻融循环后，每隔25次循环作一次横向基频测量，次循环作一次横向基频测量，计算其相对弹性模量和质量损失值，进而确定其经受快速冻融循环的计算其相对弹性模量和质量损失值，进而确定其经受快速冻融循环的次数次数。快冻法试验的评定指标为质量损失不超过快冻法试验的评定指标为质量损失

20、不超过快冻法试验的评定指标为质量损失不超过快冻法试验的评定指标为质量损失不超过5 5，相对动弹性模，相对动弹性模，相对动弹性模，相对动弹性模量不低于量不低于量不低于量不低于6060。6.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.3 6.1.3 抗冻性试验抗冻性试验l慢速抗冻性试验方法慢速抗冻性试验方法慢速抗冻性试验方法慢速抗冻性试验方法 慢冻试验的评定指标为质量损失不慢冻试验的评定指标为质量损失不慢冻试验的评定指标为质量损失不慢冻试验的评定指标为质量损失不超过超过超过超过5 5、强度损失不超过、强度损失不超过、强度损失不超过、强度损失不超过2525。此。此。此。此时试件所经受的冻融时试件所经

21、受的冻融时试件所经受的冻融时试件所经受的冻融循环次数循环次数循环次数循环次数即为混即为混即为混即为混凝土的抗冻等级。凝土的抗冻等级。凝土的抗冻等级。凝土的抗冻等级。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。压强度的变化、体积变化和重量损失。F506.1 混凝土的抗冻性混凝土的抗冻性 p6.1.3 6.1.3 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

22、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。6.2 6.2 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p环境化学侵蚀环境化学侵蚀 混凝土暴露在有化学物的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而混凝土暴露在有化学物的环境和介质中，

23、有可能遭受化学侵蚀而混凝土暴露在有化学物的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而混凝土暴露在有化学物的环境和介质中，有可能遭受化学侵蚀而破坏，如：化工生产环境、化工废水、硫酸盐浓度较高的地下水、海水、破坏，如：化工生产环境、化工废水、硫酸盐浓度较高的地下水、海水、破坏，如：化工生产环境、化工废水、硫酸盐浓度较高的地下水、海水、破坏，如：化工生产环境、化工废水、硫酸盐浓度较高的地下水、海水、生活污水和压力下流动的淡水等。生活污水和压力下流动的淡水等。生活污水和压力下流动的淡水等。生活污水和压力下流动的淡水等。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

24、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，水泥浆融化的含钙少的软水浸析时，水泥浆体中的体中的Ca(OH)Ca(OH)2 2被溶出，在混凝土中形被溶出，在混凝土中形成空隙，混凝土强度不断降低。成空隙，混凝土强度不断降低。只要混凝土的密实性和抗渗性好，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。一般都可以避免这类侵蚀。6.2 6.2 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p6.2.1 6.2.1 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6.2 6.2 环境化学侵蚀对混凝土的破坏环境化学

25、侵蚀对混凝土的破坏p6.2.2 6.2.2 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混凝土的自身特性自身特性：如混凝土的渗透性、孔隙率、裂缝：如混凝土的渗透性、孔隙率、裂缝状况等；状况等；混凝土结构所处的混凝土结构所处的环境环境：如酸溶液的种类，酸溶液的浓如酸溶液的种类，酸溶液的浓度，酸溶液的状态，如流动的、非流动的、有压力的、度，酸溶液的状态，如流动的、非流动的、有压力的、无压力的、温度情况、侵蚀区域等。无压力的、温度情况、侵蚀区域等。6.2 6.2 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p6.2.3 6.2.3 硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀 l硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵

26、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。事实上，多孔混凝土的劣化可由于碱性硫酸盐在孔隙里结晶的纯事实上，多孔混凝土的劣化可由于碱性硫酸盐在孔隙里结晶的纯物理现象所导致，也会因水泥浆被硫酸盐溶液的渗透而分解所导致。物理现象所导致，也会因水泥浆被硫酸盐溶液的渗透而分解所导致。溶液中的硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁等化合物与水泥水化生成的溶液中的硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁等化合物与水泥水化生成的Ca(OH)2反应生成硫酸钙反应生成硫酸钙。C C3 3A+3CA

27、+3C H H2 2+26H+26H C C3 3A A3C3CH H3232硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀6.2 6.2 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p6.2.3 6.2.3 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，降低其渗透性是提高抗硫酸盐性能的有效措施：适当提高混凝土结构的厚度，适当增加水泥用量和降低水灰施：适当提高混凝土结构的厚度，适当增加水泥用量和降低水灰比，并保证振捣密实和良好的养护。比，并保证振捣密实和良好的养护。正确选择水

28、泥品种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：选是工程上控制硫酸盐侵蚀的重要技术措施：选用熟料中用熟料中C3A含量低的水泥，一般含量低的水泥，一般C3A含量低于含量低于7的水泥具有较的水泥具有较好的抗硫酸盐性能。好的抗硫酸盐性能。在水泥中或在混凝土拌合料中在水泥中或在混凝土拌合料中掺加粉煤灰、矿渣掺加粉煤灰、矿渣等混合材料都有等混合材料都有利于提高抗硫酸盐侵蚀性。利于提高抗硫酸盐侵蚀性。6.3 碱碱集料反应集料反应 p6.3.1 6.3.1 产生碱产生碱-集料反应破坏的条件集料反应破坏的条件 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

29、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6.3 碱碱集料反应集料反应p6.3.1 6.3.1 产生碱产生碱-集料反应破坏的条件集料反应破坏的条

30、件 常见的碱常见的碱集料反应破坏形式集料反应破坏形式6.3 碱碱-集料反应集料反应p6.3.2 6.3.2 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

31、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SiO2Na2OnSiO2H2O6.3 碱碱集料反应集料反应p6.3.2 6.3.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制(2)渗透压理论：渗透压理论：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1.61.20.82.00.401030204050砂浆的膨胀（%）活性硅的含量（%）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

32、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

33、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。6.3 碱碱-集料反应集料反应p6.3.2 6.3.2 碱碱-集料反应的膨胀机制集料反应的膨胀机制6.3 碱碱集料反应集料反应p6.3.2 6.3.2 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。

34、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。6.3 碱碱-集料反应集料反应p6.3.3 6.3.3 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l l膨胀特征膨胀特征膨胀特征膨胀特征l l开裂特征开裂特征开裂特征开裂特征l l凝胶析出特征凝胶析出特征凝胶析出特征凝胶析出特征l l潮湿特征潮湿特征潮湿特征潮湿特征l l内部特征内部特征内部特征内部特征l l结构宏观变形特征结构宏观变形特征结构宏观变形特征结构宏观变形特征Map Cracking碱碱集料反应引起的错位集料反应引起的错位6.3 碱碱-集料反应集料反应p6.3.4 6.3

35、.4 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

36、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6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.4.1 6.4.1 钢筋锈蚀的电化学原理钢筋锈蚀的电化学原理 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。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.1 6.4.1 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

37、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。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.1 6.4.1 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6.4 混凝土中钢筋的锈蚀

38、混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.1 6.4.1 钢筋锈蚀的电化学原理钢筋锈蚀的电化学原理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。6.4 混凝土中钢筋

39、的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.4.2 6.4.2 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

40、，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：6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.4.2 6.4.2 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 6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.4.2 6.4.2 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

41、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。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀 p6.4.3 6.4.3 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：的来源：一是混凝土在拌和时已引入的、包括拌和水中和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外加

42、剂中含的;二是环境中的二是环境中的C1C1-随着时间逐渐扩随着时间逐渐扩散和渗透进入混凝土内部的。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。层厚度、水灰比、水泥用量等有关。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.3 6.4.3 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

43、.01mol氯离子溶液中钢的电位氯离子溶液中钢的电位pH图图6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.3 6.4.3 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

44、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。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.3 6.4.3 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，用以估算钢筋根据此方程的解作图，用以估算钢筋开始锈蚀所需时间开始锈蚀所需时间 6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.3 6.4.3 氯离

45、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 6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.3 6.4.3 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。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.

46、4 6.4.4 钢筋锈蚀的防护措施钢筋锈蚀的防护措施在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚在新拌混凝土里掺用阻锈剂，如亚硝酸钙；硝酸钙；用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢用不锈钢作为配筋，或环氧涂层钢筋；筋；混凝土采用涂层保护，减少氯盐与混凝土采用涂层保护，减少氯盐与氧的侵入；氧的侵入；对钢筋进行阴极保护，即外加电压对钢筋进行阴极保护，即外加电压以保持钢筋处于阴极区。以保持钢筋处于阴极区。6.4 混凝土中钢筋的锈蚀混凝土中钢筋的锈蚀p6.4.4 6.4.4 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6.5 多因素协同作用下混凝土破坏规律多因素协同作

47、用下混凝土破坏规律p6.5.1 6.5.1 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 6.5 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p6.5.1 6.5.1 冻融和盐综合作用对混凝土的破环冻融和盐综

48、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 6.5 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p6.5.1 6.5.1 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 6.5 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p6.5.1 6.5.1 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

49、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。6.5 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p6.5.1 6.5.1 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和品种混合材掺量和品种l防止措施防止

50、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)注意选择水泥品种合材注意选择水泥品种合材 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 6.5 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p6.5.2 6.5.2 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冻融与荷载双重因素作用下混凝土损伤模型冻融与荷载双重因素作用下混凝土损伤模型冻融与荷载双重因素作用下混凝土损伤模型冻融与荷载双重因素作用下混凝土损伤模型 中国水利科学研究院李金