混凝土结构耐久性讲稿.pptx

中国铁道科学研究院/仲新华高性能混凝土技术高性能混凝土技术 1 水泥混凝土技术的发展水泥混凝土技术的发展 2 混凝土耐久性混凝土耐久性 3 混凝土原材料混凝土原材料 4 混凝土施工混凝土施工 5 实体核查实体核查1 水泥混凝土的发展1）1850年钢筋混凝土技术 （1824年英国人获得水泥专利，1886年美国人发明回转窑锻烧工艺）2）1928年预应力混凝土技术3）1970年后外加剂技术 钢筋（预应力）混凝土结构成为建筑主导结构、混凝土成为最大宗的建筑材料。1930年以前：水泥生产以及混凝土施工工艺落后。19301970年左右：水泥的粉磨技术在用户需求高早期强度的环境下迅速发展，水泥的Wanger细度增加超过50,出于同样的目的，水泥的化学组成也被迅速改变，水泥熟料中的早强组份C3S含量由1930年前的不到30%很快发展到1970年的50%甚至更多。1950年开始，混凝土的施工工艺发生了重大变化。预拌混凝土、泵送混凝土浇筑以及插入式振动棒振捣技术的发展，对混凝土的工作性要求越来越高。1970年以后，外加剂技术促使混凝土向高强方向发展 二十世纪八十年代高强混凝土（High Strength Concrete，简称HSC）曾经是混凝土技术中比较热门的技术领域，混凝土的抗压强度一度达到100MPa以上，并有高达152MPa混凝土用于现浇工程。但是二十世纪九十年代初期，HSC工作性差（流动性、可泵性、均匀性等）、脆性（易于开裂和突然破坏）、体积稳定性差（收缩、膨胀）等一味追求强度所带来的负面问题逐渐被认识。于是，提出了HPC的概念。对高性能混凝土的认识1、美、加学派观点：密实度和体积稳定性2、欧洲学派观点：低水胶比和微填充料3、日本学派观点：高流态、自密实2 混凝土耐久性 规范：规范：国标：国标：GB/T50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范混凝土结构耐久性设计规范 2009年年5月月1日实施日实施 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 前身：混凝土结构耐久性设计与施工指南前身：混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES01-2004（2005年修订版）年修订版）铁标：铁建设铁标：铁建设2005157号号 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 历次修订：历次修订：1、铁建设、铁建设2006141号文号文 2、铁建设、铁建设2007140号文号文 3、铁建设、铁建设2009152号文号文 公路标准：公路标准：JTG/T B07-012006 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 无粘结无粘结接触粘结接触粘结水泥浆填满缝隙水泥浆填满缝隙(混凝土，混凝土，低坍落度低坍落度)间隔排列的颗粒间隔排列的颗粒(混凝土，混凝土，高坍落度高坍落度)18241824年，英国人年，英国人Aspdin JAspdin J取得了波特兰水泥的专利。取得了波特兰水泥的专利。18861886年，美国首先采用回年，美国首先采用回转窑煅烧熟料，使水泥进转窑煅烧熟料，使水泥进入大规模工业化生产阶段。入大规模工业化生产阶段。18501850年，法国人取得钢筋年，法国人取得钢筋混凝土专利权。混凝土专利权。19281928年，预应力混凝土技年，预应力混凝土技术由法国人创造。术由法国人创造。r(m)10-210-310-410-510-610-710-810-910-10微孔毛细孔大孔mmnmm与耐久性有关振捣不密实引入气孔毛细孔凝胶孔毛细孔补给蒸发毛细凝结（水充满）表面积/孔体积水迁移的速度 蒸发 毛细管作用 （水压力）2、环境类别及作用等级（1）碳化环境（2）氯盐环境（3）化学侵蚀环境（4）冻融破坏环境（5）磨蚀环境1、混凝土的碳化影响因素：H2O、CO2 空气中CO2（浓度约0.03%）扩散进入孔隙与溶解的Ca(OH)2反应生成CaCO3(完全饱和，完全干燥)Xcct1/2暴露时间，年混凝土强度碳化深度，mm510152020MPa0.524740MPa4163664碳化检测方法：X射线法（试验室精确测量，能测试部分碳化深度）化学试剂法（1%酚酞酒精溶液）已碳化区无色，未碳化区红色碳化深度的预测模型碳化对结构物的影响 素混凝土：基本无影响 钢筋混凝土：钢筋锈蚀 预应力混凝土：目前方案下基本无影响（1）碳化环境环境作用等级环境条件特征T1室内年平均相对湿度60%长期在水下（不包括海水）或土中T2室内年平均相对湿度60%室外环境T3水位变动区干湿交替钢筋锈蚀 FeFe2+2e 2H+2eH2(反应在碱性环境中受到抑制,极化)O2+2H2O+4e4OH-（反极化）Fe2+2OH-FeO xH2O(体积增加约3倍)4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 xH2O(体积增加约5倍)氯盐影响：可溶的氯化铁生成，当氯离子与氢氧根离子浓度比大于0.6时，即使pH高达11.5，钢筋的锈蚀也得不到保证。（2）氯盐环境环境作用等级环境条件特征L1长期在海水水下区离平均水位15m以上的海上大气区离涨潮岸线100m300m的陆上近海区土中氯离子.,水中氯例子L2离平均水位15m以内的海上大气区离涨潮岸线100m以内的陆上近海区海水潮汐区或浪溅区（非炎热地区）L3海水潮汐区或浪溅区（南方炎热地区）盐渍土地区露出地表的毛细吸附区遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位腐蚀 侵蚀介质与水泥水化产物发生反应酸、硫酸盐和生物。腐蚀速度取决于钙盐的溶解速度。硫酸盐侵蚀：仅与水泥中某些组分起反应。硫酸根离子与铝酸盐组分发生化学反应 C3A的水化产物水化铝酸钙和水化单硫铝酸钙都能与石膏发生反应生成水化三硫铝酸钙（钙矾石，体积增大，溶解度低（3）化学侵蚀环境化学侵蚀类型环境作用等级H1H2H3H4硫酸盐侵蚀环境水中SO42-含量，mg/L200 6006003000300060006000强透水性环境土中SO42-含量，mg/kg20003000300012000120002400024000弱透水性环境土中SO42-含量，mg/kg300012000120002400024000盐类结晶侵蚀环境土中SO42-含量，mg/kg2000300030001200012000酸性侵蚀环境水中pH值6.55.55.54.54.54.0二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量，mg/L154040100100镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量，mg/L3001000100030003000冻融破坏 饱水冻融循环特征：冻胀开裂和表面剥蚀 静水压假说 渗透压假说静水压假说毛细孔水结冰，约12，有害孔。凝胶孔水结冰，低于78。气泡间距系数渗透压假说大孔中的部分溶液先结冰后，未冻溶液中盐的浓度上升，与周围较小孔隙中的溶液之间形成浓度差。浓度差使小孔中的溶液向大孔迁移。两个重要参数 平均气泡间距：直线导线法250微米？300微米？临界水饱和度：临界水饱和度：抗冻试验方法（1）快速冻融法 水冻水融法、气冻水融法 耐久性指数DF=E/E0N/M（2）慢冻法 （3）临界膨胀试验法（4）临界水饱和度法 （4）冻融破坏环境环境作用等级环境条件特征D1微冻地区+频繁接触水D2微冻地区+水位变动区严寒和寒冷地区+频繁接触水微冻地区+氯盐环境+频繁接触水D3严寒和寒冷地区+水位变动区微冻地区+氯盐环境+水位变动区严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水D4严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区严寒：t-8oC，寒冷：-8 oC t-3 oC，微冻：-3 oC t2.5 oC 磨蚀 磨损侵蚀：车轮、松散材料的冲击夹砂的风 主要由粗骨料承担混凝土磨耗率 空穴侵蚀：液体水空蚀水流静水压力小于水的蒸汽压时，产生气泡，流到静水压力大于蒸汽压时，蒸汽在气泡中冷凝，气泡崩坍（类似于爆炸）。主要由细质砂浆承担砂浆磨耗率 （5）磨蚀环境环境作用等级环境条件特征M1风蚀（有砂情况）风力等级7级，且年累计刮风时间大于90天M2风蚀（有砂情况）风力等级9级，且年累计刮风时间大于90天流冰冲刷被强烈流冰撞击、磨损、冲刷（冰层水位下0.5m冰层水位上1.0m）M3风蚀（有砂情况）风力等级11级，且年累计刮风时间大于90天泥砂冲刷被大量夹杂泥砂或物体磨损、冲刷3、混凝土耐久性指标（1）混凝土的耐久性一般包括混凝土抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱骨料反应性等。混凝土的耐久性指标应根据结构的设计使用年限、所处的环境类别及作用等级等确定。（2）混凝土耐久性的一般要求：混凝土的电通量设计使用年限级别一(100年)56d电通量（C）C301500C30C451200C5080 关于碱含量的规定：一般认为：高活性骨料2.1kg/m3 中等活性骨料3.0kg/m3德国、英国、加拿大、日本规定碱含量限制为：3.0kg/m3新西兰：2.5kg/m3南非：2.1kg/m3 骨料的碱活性检测方法：（1）岩相法：鉴定岩石种类、矿物组成和各组分含量 缺点：不能对骨料碱活性做定量分析，必须与其他方法配合使用。（2）化学法：通过测试溶出的SiO2浓度Sc和溶液碱度的降低值Rc进行判断。Rc70，ScRc （3）砂浆棒法：(P3m0.05%,P6m0.1%)（4）岩石柱法：(P0.1%)（5）快速砂浆棒法：(P14d0.1%)（6）混凝土棱柱体法：(P3m0.02%,P6m0.03%或P12m0.04%)（7）压蒸法：(P6h0.1%)（3）氯盐环境下混凝土的电通量。设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三（30年)环境作用等级L1L2、L3L1L2、L3电通量（56d），C100080015001000环境类别评价指标环境作用等级100年60年30年氯盐环境56d龄期混凝土氯离子扩散系数DRCML171010L2588L3344表5.4.2氯盐环境下混凝土抗氯离子渗透性指标（4）化学侵蚀环境下混凝土的电通量。设计使用年限级别一(100年)二(60年)、三（30年)环境作用等级H1、H2H3、H4H1、H2H3、H4电通量（56d），C1200100015001000（5）冻融破坏环境下混凝土的抗冻性。设计使用年限级别一(100年)二(60年)三(30年)环境作用等级D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4D1、D2、D3、D4抗冻等级（56d）F300F250F200评价指标环境作用等级100年60年30年抗冻等级（56d）D1F300F250F200D2F350F300F250D3F400F350F300D4F450F400F350表表5.4.5 冻融破坏环境下混凝土抗冻性指标冻融破坏环境下混凝土抗冻性指标 4 铁路标准混凝土原材料铁建设2009152号5 混凝土施工1、配合比参数的选择（1）、C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于400 kg/m3，C35C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3。2）、混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉或硅灰等矿物掺合料。混凝土中粉煤灰掺量大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。预应力混凝土以及处于冻融环境的混凝土中粉煤灰的掺量不宜大于30%（3）混凝土中应掺加适量符合本技术条件要求的混凝土外加剂，优先选用多功能复合外加剂。（4）混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量应满足设计要求，当设计无要求时，钢筋混凝土及预应力混凝土应满足相应的要求；素混凝土应满足相应的要求。环境类别环境作用等级使用年限级别一（100年）二（60年）三（30年）碳化环境T1C30，0.55，2800.60，2600.65，260T20.50，3000.55，2800.60，260T30.45，3200.50，3000.50，300氯盐环境L10.45，3200.50，3000.50，300L20.40，3400.45，3200.45，320L30.36，3600.40，3400.40，340化学侵蚀环境H10.50，3000.55，2800.60，260H20.45，3200.50，3000.50，300H30.40，3400.45，3200.45，320H40.36，3600.40，3400.40，340冻融破坏环境D10.50，3000.55，2800.60，260D20.45，3200.50，3000.50，300D30.40，3400.45，320045，320D40.36，3600.40，3400.40，340磨蚀环境M10.50，3000.55，2800.60，260M20.45，3200.50，3000.50，300M30.40，3400.45，3200.45，320环境类别环境作用等级设计使用年限级别一（100年）二（60年）三（30年）碳化环境T1、T2、T30.60，2800.65，2600.65，260氯盐环境L1、L2、L30.60，2800.65，2600.65，260化学侵蚀环境H10.50，3000.55，2800.60，260H2*0.50，3000.50，300H3*H4*冻融破坏环境D10.50，3000.55，2800.60，260D2*0.50，3000.50，300D3*D4*磨蚀环境M10.55，2800.60，2600.65，260M20.50，3000.55，2800.60，260M3*0.50，3000.50，300（5）对于硫酸盐侵蚀环境中的混凝土结构，混凝土的胶凝材料组成还应满足下表的要求，胶凝材料的抗蚀系数应不小于0.80。环境作用等级水泥品种水泥熟料中的C3A含量，%粉煤灰或矿渣粉的掺量，%最小胶凝材料用量，kg/m3H1普通硅酸盐水泥820300中抗硫酸盐硅酸盐水泥5/300H2普通硅酸盐水泥825330中抗硫酸盐硅酸盐水泥520300高抗硫酸盐硅酸盐水泥3/300H3，H4普通硅酸盐水泥630360中抗硫酸盐硅酸盐水泥525360高抗硫酸盐硅酸盐水泥320360（6）当骨料的碱硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.100.20%时，混凝土的碱含量应满足下表的规定；当骨料的碱硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.200.30%时，除了混凝土的碱含量应满足下表的规定外，还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和复合外加剂，并应通过试验证明抑制有效。使用年限级别一（100年）二（60年）三（30年）环境条件干燥环境3.53.53.5潮湿环境3.03.03.0含碱环境*3.03.0（7）钢筋混凝土中氯离子总含量（包括水泥、矿物掺合料、粗骨料、细骨料、水、外加剂等所含氯离子含量之和）不应超过胶凝材料总量的0.10%，预应力混凝土的氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.06。（8）无抗冻要求的混凝土含气量不应小于2.0%（干硬性混凝土除外）。当混凝土有抗冻要求时，混凝土的含气量应根据抗冻等级的要求经试验确定。2、硬化混凝土参数测试（1）立方体抗压强度 一般可采用100100100的试件，C50以上强度等级混凝土应采用150150150的试件。强度的验收：28d?56d？成熟度的规定：600？1200?有标准差、无标准差、小样本的检验评定（2）静力弹性模量 一般可采用100100300或150150300的试件进行测试（2）混凝土电通量试验方法直径为95102mm，厚度为513mm的素混凝土芯样，三个为一组。试验龄期：56d电压：60V直流电压溶液：3.0%氯化钠、0.3mol/L氢氧化钠 电通量试验步骤：1）在规定的56d试验龄期前，对预留的试块进行钻芯制件，试件直径为95102mm，厚度为51mm，试验时以三块试件为一组。2）将试件暴露于空气中至表面干燥，以硅橡胶或树脂密封材料涂于试件侧面，必要时填补涂层中的孔道以保证试件侧面完全密封。3）测试前应进行真空饱水。将试件放入1000mL烧杯中，然后一起放入真空干燥器中，启动真空泵，数分钟内真空度达133Pa以下，保持真空3h后，维持这一真空度并注入足够的蒸馏水，直至淹没试件，试件浸泡1h后恢复常压，再继续浸泡182h4）从水中取出试件，抹掉多余水份，将试件安装于试验槽内，用橡胶密封环或其它密封胶密封，并用螺杆将两试验槽和试件夹紧，以确保不会渗漏，然后将试验装置放在2023的流动冷水槽中，其水面宜低于装置顶面5mm，试验应在2025恒温室内进行。5）将浓度为3.0%的氯化钠和0.3mol/L的氢氧化钠溶液分别注入试件两侧的试验槽中，注入氯化钠溶液的试验槽内的铜网连接电源负极，注入氢氧化钠溶液的试验槽中的铜网连接电源正极。6）接通电源，对上述两铜网施加60V直流恒电压，并记录电流初始读数，通电并保持试验槽中充满溶液。开始时每隔5min记录一次电流值，当电流值变化不大时，每隔10min记录一次电流值，当电流变化很小时，每隔30min记录一次电流值，直至通电6h。7）结果处理 绘制电流与时间的关系图。将各点数据以光滑曲线连接起来，对曲线作面积积分，或按梯形法进行面积积分，即可得到试验6h通过的电量。取同组3个试件通过的电量的平均值，作为该组试件的电通量。（3）混凝土抗冻性试验方法试件：100100400，三个为一组试验设备：案秤、冻融试验机、动弹性模量测定仪冻结温度：172融化温度：8 2循环一次：24小时试验结束标志：抗冻次数已经达到设计要求相对动弹性模量降至60试件重量损失达5（5）矿物掺和料及外加剂抑制碱骨料反应有效性试验方法方法一主要设备：比长仪、恒温水浴、试模和测头主要原材：硅酸盐水泥、NaOH主要步骤：1、骨料制备：破碎、筛分、清洗、烘干2、称料：骨灰比2.25:1（900:400）3、成型：二层、各捣20下4、预养护：80度水养护24h5、养护和测长：80度1N NaOH养护6、结果评定4、养护（1）混凝土振捣完成后，应及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖（可采用蓬布、塑料布等进行覆盖），尽量减少暴露时间，防止表面水分蒸发。暴露面保护层混凝土初凝前，应卷起覆盖物，用抹子搓压表面至少二遍，使之平整后再次覆盖，此时应注意覆盖物不要直接接触混凝土表面，直至混凝土终凝为止。（2）混凝土的蒸汽养护可分静停、升温、恒温、降温四个阶段。静停期间应保持环境温度不低于5，灌筑结束46h后方可升温，升温速度不宜大于10/h，恒温期间混凝土内部温度不宜超过60，最大不得超过65，恒温养护时间应根据构件脱模强度要求、混凝土配合比情况以及环境条件等通过试验确定，降温速度不宜大于10/h（3）混凝土带模养护期间，应采取带模包裹、浇水、喷淋洒水或通蒸汽等措施进行保湿、潮湿养护。（4）混凝土去除表面覆盖物或拆模后，应采用蓄水、浇水或覆盖洒水等措施进行潮湿养护。也可在混凝土表面处于潮湿状态时，迅速采用麻布、草帘等材料将暴露面混凝土覆盖或包裹，再用塑料布或帆布等将麻布、草帘等保湿材料包覆（裹）完好。包覆（裹）期间，包覆（裹）物应完好无损，彼此搭接完整，内表面应具有凝结水珠。有条件地段应尽量延长混凝土的包覆（裹）养护时间。（5）采用喷涂养护液养护时，应确保不漏喷（6）终凝后的持续保湿养护时间宜满足下表要求 混凝土类型水胶比大气潮湿(RH50%)，无风，无阳光直射大气干燥(RH50%)，有风，或阳光直射日平均气温T（）潮湿养护期限（d）日平均气温T（）潮湿养护期限（d）胶凝材料中掺有矿物掺合料0.455T1010T2020T2114105T1010T2020T2821140.455T1010T2020T141075T1010T2020T211410胶凝材料中未掺矿物掺合料0.455T1010T2020T141075T1010T2020T2114100.455T1010T2020T10775T1010T2020T14107（7）在任意养护时间，淋注于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度时，二者间温差不得大于15。（8）混凝土养护期间应注意采取保温措施，防止混凝土表面温度受环境因素影响（如曝晒、气温骤降等）而发生剧烈变化。养护期间混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过20（截面较为复杂时，不宜超过15）。大体积混凝土施工前应制定严格的养护方案，控制混凝土内外温差满足设计要求。混凝土在冬季和炎热季节拆模后，若天气产生骤然变化时，应采取适当的保温（寒季）隔热（夏季）措施，防止混凝土产生过大的温差应力。（9）混凝土拆模后可能与流动水接触时，应在混凝土与流动的地表水或地下水接触前采取有效保温保湿养护措施养护14d以上，且确保混凝土获得75%以上的设计强度。养护结束后及时回填（10）直接与海水或盐渍土接触的混凝土，应保证混凝土在强度达到设计等级以前不受侵蚀。并尽可能推迟新浇混凝土与海水或盐渍土直接接触的龄期，一般不宜小于6周。（11）对于严重腐蚀环境下采用大掺量粉煤灰的结构构件，在完成规定的养护期限后，如条件许可，在上述养护措施基础上仍应进一步适当延长潮湿养护时间。（12）混凝土养护期间，应对有代表性的结构进行温度监控，定时测定混凝土芯部温度、表层温度以及环境气温、相对湿度、风速等参数，并根据混凝土温度和环境参数的变化情况及时调整养护制度，严格控制混凝土的内外温差满足要求13）当昼夜平均气温低于5或最低气温低于3时，应按冬季施工处理。（14）混凝土养护期间，施工和监理单位应各自对混凝土的养护过程作详细记录，并建立严格的岗位责任制 6 实体核查1、表面裂缝2、钢筋保护层厚度3、其他：电通量、气泡间距系数1、表面裂缝用肉眼或放大镜观察实体结构表面是否存在非外力裂缝。当混凝土表面出现非外力裂缝时，普通混凝土结构表面的裂缝最大宽度不得大于0.20mm，预应力混凝土结构不得出现结构性裂缝。抽检频率：路基：每处支挡结构全部检查。桥涵：每孔梁、每个墩台、每座涵洞全部检查。隧道：衬砌的拱部、边墙、仰拱（底板）及洞门、端翼墙全部检查 2、钢筋保护层厚度采用无损检测方法进行混凝土保护层厚度的检测（当对混凝土保护层厚度检测结果有怀疑时，可采用局部破损的方法进行复核，复核结束后对破损部位进行及时修复），检验结果应满足设计要求。抽检频率：路基：每支挡结构不少于三处，每处不少于10个点。桥涵：每孔梁不少于三处，每个墩台不少于三处，每座涵洞不少于三处，每处不少于10个点。隧道：每100m衬砌的拱部、边墙、仰拱（底板）各不少于一处，隧道洞门、端翼墙各不少于三处，每处不少于10个点 3、其他：电通量、气泡间距系数（必要时）联系方式：联系方式：100081 北京海淀区大柳树路北京海淀区大柳树路2号号 铁道科学研究院铁建所铁道科学研究院铁建所 仲新华（副研究员）仲新华（副研究员）联系电话：联系电话：[phone] 13501250731（北京）（北京）E-mail: 联系方式：联系方式：铁道部产品质量监督检验中心铁道部产品质量监督检验中心铁道建筑检验站京石现场试验室铁道建筑检验站京石现场试验室联系电话：联系电话：[phone]（王志勇）王志勇）0312-8682965（传（传 真）真）13501250731（仲新华）（仲新华）地址：河北徐水下关天津道地址：河北徐水下关天津道 谢谢大家