[學(xué)習(xí)]鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

1、,結(jié)構(gòu)損傷鑒定與診斷,鋼混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理,主要內(nèi)容 3.1 混凝土中鋼筋的銹蝕； 3.2 混凝土的碳化； 3.3 混凝土的腐蝕； 3.4 混凝土的凍融破壞；,3.1 混凝土中鋼筋的銹蝕,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,（1）鋼筋電化學(xué)腐蝕機(jī)理,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,（1）鋼筋電化學(xué)腐蝕機(jī)理,普通硅酸鹽水泥密實(shí)未碳化混凝土的PH值為13，無CI-存在，形成鈍化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止鋼筋銹蝕。

2、如鈍化膜破壞(在PH<11.5將不能穩(wěn)定存在)，在有水和氧氣存在時(shí)，產(chǎn)生腐蝕電池反應(yīng),陽極,陰極,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,紅鐵銹,進(jìn)一步氧化形成疏松易剝落的沉積物鐵銹Fe2O3.Fe3O4.H2O,鐵銹體積比鐵增加2－4倍，將保護(hù)層脹開造成鋼筋外露。,褐銹,（1）鋼筋電化學(xué)腐蝕機(jī)理,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,腐蝕電池存在是腐蝕發(fā)生的必要條件，而腐蝕發(fā)展動(dòng)力和速度與電極之間的電流速度有關(guān)。,陽極控制：砼高堿度在鋼筋表面形成鈍化

3、膜阻止鐵離子化 陰極控制：氧氣不足或缺乏可阻止陰極反應(yīng) 電阻控制：干燥環(huán)境、砼密實(shí)，存在涂覆層，電阻大,（2）鋼筋電化學(xué)腐蝕的動(dòng)力和速度,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,（3）影響鋼筋電化學(xué)腐蝕的主要因素－外在因素,3.1.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕,（3）影響鋼筋電化學(xué)腐蝕的主要因素－內(nèi)在因素,知識(shí)點(diǎn)：氯離子銹蝕機(jī)理,,,混凝土,鋼筋,,,,陽極表面,陰極表面,氯離子易滲入鈍化膜，形成易溶綠銹，綠銹向砼孔隙液中遷徙，分解為褐銹，褐銹沉積于陽極

4、區(qū)，同時(shí)釋放氯離子和氫離子，回到陽極區(qū)，使陽極區(qū)附近孔隙液局部酸化，帶出更多鐵離子。氯離子不構(gòu)成最終銹蝕產(chǎn)物，也不消耗，但促進(jìn)銹蝕，起到催化作用。,綠銹,褐銹,,,,3.1.2 鋼筋的化學(xué)銹蝕,鋼筋與酸、堿、鹽等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成銹蝕,鋼筋在稀堿溶液中形成鈍化膜，在高堿和高溫下則產(chǎn)生堿裂或堿脆化的溶解腐蝕,3.1.3 鋼筋的應(yīng)力銹蝕,鋼筋的應(yīng)力腐蝕是電化學(xué)腐蝕和高應(yīng)力復(fù)合作用結(jié)果。當(dāng)鋼筋中存在較高拉應(yīng)力時(shí)電化學(xué)方面比低應(yīng)力時(shí)活躍得多。如

5、果因氯離子侵蝕形成蝕坑，則會(huì)形成明顯應(yīng)力集中。對(duì)于低韌性高強(qiáng)度鋼筋而言，應(yīng)力集中很難通過塑性變形消除，從而形成微裂縫，可能突然斷裂而發(fā)生脆性破壞。沒有任何征兆，一般發(fā)生在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，破壞后果很嚴(yán)重。,鋼筋銹蝕將引起混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的退化,3.2 混凝土的碳化,砼結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)存在酸性物質(zhì)，滲入混凝土內(nèi)與水泥石中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程叫做中性化。混凝土碳化是中性化最常見的形式，是CO2與混凝土中堿性物質(zhì)相互作用的一種復(fù)雜物理化

6、學(xué)過程?；炷撂蓟瘜?dǎo)致混凝土堿度降低，破壞鋼筋鈍化膜，同時(shí)加劇砼混凝土的收縮，導(dǎo)致收縮裂縫產(chǎn)生和加大。,3.2.1 混凝土碳化機(jī)理,混凝土碳化的化學(xué)反應(yīng)(空氣中CO2含量低，碳化過程緩慢),混凝土碳化速度取決于化學(xué)反應(yīng)速度(取決于CO2含量和可碳化物的含量)CO2向砼擴(kuò)散速度(取決于CO2和酸性物質(zhì)濃度、孔隙結(jié)構(gòu))Ca(OH)2擴(kuò)散速度(取決于混凝土含水率和Ca(OH)2濃度),上述三個(gè)過程均與砼含水量、周圍介質(zhì)相對(duì)濕度、溫度有

7、關(guān),3.2.2 混凝土碳化深度公式,混凝土碳化后體積增加17%，混凝土中孔隙率和透氣性降低，表面硬度增加。由于混凝土碳化降低混凝土堿度，特別是混凝土保護(hù)層堿度，減弱對(duì)內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用，最終導(dǎo)致鋼筋銹蝕?；炷撂蓟菍?dǎo)致混凝土耐久性降低的主要原因。混凝土碳化導(dǎo)致孔隙部分被堵塞，此外隨著齡期增加，混凝土水化作用不斷增強(qiáng)，砼孔隙率降低，混凝土碳化速度降低。,3.2.3 混凝土碳化影響因素,水泥品種（普通水泥比礦渣水泥和火山灰水泥等好）,混凝

8、土碳化影響因素,,,,水泥用量（大好－改善和易性、提高密實(shí)性、增加堿性）,粉煤灰（小好－與Ca(OH)2結(jié)合，降低堿度）,水灰比（小好－降低孔隙率和滲透性、增加密實(shí)性）,集料品種影響(普通集料如火成巖等和人造集料如粉煤灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好),養(yǎng)護(hù)方法影響(標(biāo)養(yǎng)和蒸養(yǎng)比普通養(yǎng)護(hù)差）,,,,,3.2.4 混凝土碳化深度合格性指標(biāo),目前無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，普遍觀點(diǎn)：混凝土碳化深度到達(dá)保護(hù)層厚度定為安全使用期，即在正常大氣條件下，50年內(nèi)

9、混凝土碳化深度不允許超過混凝土保護(hù)層厚度。,3.2.5 混凝土碳化深度計(jì)算,《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ83－85），首次提出混凝土在CO2體積分?jǐn)?shù)為20％、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天時(shí)快速碳化的多系數(shù)方程如下：,（1）水泥用量影響系數(shù),水泥用量影響系數(shù),輕集料混凝土,普通混凝土,－每立方米混凝土的水泥用量（kg）,與水泥用量成反比，水泥用量越大，則 越小，混凝土的抗裂性能越好。水泥用量的增加可以改善混凝土的和易性，提高

10、混凝土的密實(shí)性，增加混凝土的堿性儲(chǔ)備量，使其抗碳化性能得以增強(qiáng)。,（2）水水灰比影響系數(shù),水灰比影響系數(shù),輕集料混凝土,普通混凝土,水灰比對(duì)混凝土碳化影響呈明顯的線性關(guān)系。水灰比越大，則 水灰比影響系數(shù)越大，混凝土內(nèi)部孔隙率越大，密實(shí)性越差，滲透性越差，碳化速度越快。為了配制抗碳化性能較好的混凝土，應(yīng)盡可能降低混凝土的水灰比。,（3）粉煤灰取代影響系數(shù),粉煤灰影響系數(shù),輕集料混凝土,普通混凝土,－粉煤灰等量取代水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（％

11、），例如取代水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，則F=10。,粉煤灰具有一定的活性，摻用一定的粉煤灰，可節(jié)約水泥、降低大體積砼水化熱、改善泵送砼性能。但它和水泥水化后的氫氧化鈣相結(jié)合，使水泥堿度降低，從而削弱混凝土的抗碳化性能。在一般工藝條件下，其最大取代量不宜超過水泥質(zhì)量的20％，否則 增加太快。,（4）水泥品種影響系數(shù),水泥品種影響系數(shù),普通硅酸鹽水泥配制的砼比混合材含量較高的同標(biāo)號(hào)礦渣水泥和火山灰是你配制的同有較好的抗碳化性能。水泥中活

12、性混合材含量越高，越易與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，降低堿度，影響碳化性能。為提高抗碳化性能，應(yīng)選用不含混合材的硅酸鹽水泥或少含混合材的普通硅酸鹽水泥。,（5）集料品種影響系數(shù),集料品種影響系數(shù),普通集料結(jié)構(gòu)致密，吸水率小。天然集料結(jié)構(gòu)多孔，吸水率較大。人造輕集料孔隙率較小，且多為圓形封閉孔，吸水率較小。,注：影響系數(shù)為表中粗細(xì)集料的乘積,（6）養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù),養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：溫度20±3℃，相對(duì)濕度不小于90％

13、蒸汽養(yǎng)護(hù)：靜庭4h，升溫3h，恒溫最高溫90℃，恒溫6－8h，降溫2h,碳化深度小結(jié),公式建立在快速碳化的基礎(chǔ)上，按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，快速碳化試驗(yàn)是在溫度20±3℃，CO2體積分?jǐn)?shù)為20±3％條件下進(jìn)行的?？焖偬蓟?8天的碳化深度約相當(dāng)于在正常大氣條件下（ CO2體積分?jǐn)?shù)為0.03％ ）條件下混凝土存放齡期為50年的自然碳化深度。通過 CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土碳化深度的影響對(duì)比，可以用下式表示,碳化深度計(jì)算例題,某工業(yè)廠房已

14、經(jīng)投入使用12年，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其混凝土構(gòu)件實(shí)測(cè)碳化深度為18.2mm。構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度為25mm，如果以碳化深度達(dá)到保護(hù)層厚度為構(gòu)件正常使用年數(shù)參考，試預(yù)估該廠房剩余使用年數(shù)。,3.2.6 碳化深度檢測(cè)方法,對(duì)舊混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)常常需要實(shí)測(cè)混凝土碳化深度。 常用方法就是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的酚酞酒精試劑噴在混凝土新破損面上（鉆孔或鑿開混凝土形成測(cè)試面），已經(jīng)碳化的混凝土不會(huì)變色，未碳化部分為紫紅色，用卡尺精確量測(cè)混凝土表面

15、到變色分界處的深度，即為混凝土碳化深度。 對(duì)于整個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)應(yīng)在有代表性的地方布置測(cè)區(qū)，每一個(gè)測(cè)區(qū)應(yīng)測(cè)三個(gè)點(diǎn)，以其平均值作為該測(cè)區(qū)的代表值。,3.2.7 碳化處理方法,（1）碳化深度過大，鋼筋銹蝕明顯，危及結(jié)構(gòu)安全構(gòu)件應(yīng)拆除重建；（2）對(duì)碳化深度較小并小于鋼筋保護(hù)層厚度，碳化層比較堅(jiān)硬的，可用優(yōu)質(zhì)涂料封閉；（3）對(duì)碳化深度大于鋼筋保護(hù)層厚度或碳化深度雖較小但碳化層疏松剝落的，應(yīng)鑿除碳化層，粉刷高強(qiáng)砂漿或澆筑高強(qiáng)混凝土

16、；（4）對(duì)鋼筋銹蝕嚴(yán)重的，應(yīng)在修補(bǔ)前除銹，并根據(jù)銹蝕情況和結(jié)構(gòu)需要加補(bǔ)鋼筋，防碳化后的結(jié)果，要達(dá)到阻止或盡可能減慢外界有害氣體進(jìn)入混凝土內(nèi)侵蝕，使其內(nèi)部和鋼筋一直處在高堿性環(huán)境中。,3.3 混凝土的腐蝕,3.3.1 混凝土化學(xué)腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕在化工建筑中最常見，污水處理、化纖、制鹽、制皂等建筑混凝土構(gòu)件常因硫酸鹽腐蝕破壞。常見的有硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸鉀、硫酸鈣等，基本都溶于水，其與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生

17、成石膏和硫鋁酸鈣，產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致混凝土破壞。硫酸鹽侵蝕混凝土，表面發(fā)白，損害從棱角處開始，裂縫展開并剝落，混凝土形成一種易碎的松散狀態(tài)（橋梁上也比較常見）。,3.3.1 混凝土化學(xué)腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸氨等，有兩個(gè)反應(yīng)過程：,石膏腐蝕過程,硫鋁酸鹽腐蝕過程,單硫型鋁酸鹽,水化硅酸鈣,鈣礬石,伴隨體積的明顯膨脹，導(dǎo)致混凝土開裂！,防止方法：用瀝青、橡膠、瀝青漆等處理混凝土表面，形成耐蝕的保護(hù)層。,3.3.1 混凝

18、土化學(xué)腐蝕,（1）硫酸鹽腐蝕－影響因素,3.3.2 混凝土酸侵蝕,硫酸、鹽酸、硝酸、醋酸、甲酸、乳酸、磷酸等,影響因素：混凝土本身的特性，包括混凝土的滲透性、孔隙率、裂縫狀況等，以及混凝土結(jié)構(gòu)所處的酸環(huán)境，包括酸的種類、濃度和狀態(tài)等。防止方法：用瀝青、橡膠、瀝青漆等處理混凝土表面，形成耐蝕的保護(hù)層。,3.3.3 堿－骨料反應(yīng),水泥和混凝土的有關(guān)添加劑中堿性氧化物質(zhì)（K2O和Na2O）與混凝土骨料中的活性物質(zhì)（活性氧化硅）在常溫常壓下緩慢

19、反應(yīng)形成堿硅膠后，吸水膨脹導(dǎo)致混凝土破壞的現(xiàn)象。生成物體積膨脹（3－4倍）。堿骨料反應(yīng)速度較慢，破壞現(xiàn)象多年才能發(fā)現(xiàn)。,堿－骨料反應(yīng)的必要條件是水泥中堿量較高（混凝土總堿量達(dá)到3kg/m3）； 骨料中存在活性硅（活性、粒徑、數(shù)量）； 堿－骨料反應(yīng)的充分條件是存在水分；,3.3.3 堿－骨料反應(yīng),堿－骨料反應(yīng)的特點(diǎn),混凝土表面產(chǎn)生雜亂的網(wǎng)狀裂縫，或在骨料周圍出現(xiàn)反應(yīng)環(huán)；在破壞區(qū)的試樣中可測(cè)定堿－硅酸鹽凝膠；在構(gòu)件裂縫中，可以發(fā)現(xiàn)堿

20、－硅酸鹽凝膠失水硬化形成的白色粉狀物；,3.3.4 海水侵蝕,海水中含有大量可溶性鹽類 NaCI2，MgCl2，CaSO4，MgSO4等,構(gòu)筑物與海水不直接接觸部位(潮濕空氣中氯鹽侵蝕) 海水浪濺區(qū)(干濕循環(huán)作用，鹽類膨脹銹蝕) 潮汛漲落區(qū)(最嚴(yán)重，海水沖蝕、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)) 長(zhǎng)期在海水中部位,3.3.5 混凝土腐蝕防治措施,選用合適的水泥品種提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性增加混凝土保護(hù)層厚度摻用火山灰質(zhì)的活性摻合料

21、對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理使用超耐久性混凝土,3.4 混凝土凍融破壞,破壞機(jī)理：混凝土中游離水和孔隙水結(jié)冰體積膨脹（毛細(xì)孔中存在游離水是導(dǎo)致混凝土凍融破壞的主要因素）影響因素：混凝土抗凍性與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期、砼抗拉強(qiáng)度有關(guān)砼抗凍性隨齡期增長(zhǎng)而提高砼抗凍性與水泥品種有關(guān)，水泥活性越大，流動(dòng)性能越好。普通硅酸鹽水泥優(yōu)于礦渣水泥和火山灰水泥現(xiàn)象：砼表面部分砂漿粉化剝落，粗骨料外露，一般發(fā)生在構(gòu)件端部、混凝土路面板接頭、水