混凝土冻融试验机厂家-恒温恒湿养护箱-建设工程质量仪器
李从青
0317-7777829
客户咨询服务热线:
13303377029
混凝土冻融破坏的表现(混凝土耐久性与哪些因素有关)
您的位置: 工程质量仪器 > 新闻中心 > 行业动态 > 混凝土冻融破坏的表现(混凝土耐久性与哪些因素有关)

混凝土冻融破坏的表现(混凝土耐久性与哪些因素有关)

作者:河北航信仪器    发布时间:2022-05-09 17:13:59     浏览次数 :


混凝土的耐久性指在环境的作用下,随着时间的推移,混凝土维持其应用性能的能力。还有另一种说法是,混凝土对风化作用、化学侵蚀磨耗或任何其他破坏过程的抵抗能力,从而保持其原来的形状质量和实用性。混凝土耐 久性主要包括抗冻性、抗渗性、抗冲磨性、抗空蚀性、抗化学反应侵蚀性、抗碳化性等。

一、混凝土抗冻性

混凝土抗冻性是混凝土一项很重要的性能,混凝土设计要求中一般都有抗冻要求,水利行业标准《水工建筑物抗冻设计规范》(SL 211-2006) 规定,对严寒寒冷、温和地区水工混凝土建筑物都有抗冻要求,*高为F300、*低为F50。

(一)混凝土冻融破坏机制

混凝土在低温下冻结时,毛细孔内的水结冰膨胀,膨胀体积达9%,对毛细孔壁产生巨大的挤压作用,毛细孔张开,产生塑性变形,孔径变大;混凝土内部凝胶孔的过冷水在高蒸汽压的作用下向外迁移,对混凝土产生渗透压力。此时,混凝土内部承受拉应力。

升温时,混凝土内部的冰融化,重新成为液态水,水的体积收缩,毛细孔张开的孔径部分收缩,但因塑性变形的作用,比初始时大,外部的水分补充进入,混凝土内部的水分增加。

如此反复冻融,混凝土内部的毛细孔孔径越来越大,混凝土所承受的拉应力也越来越大,到一定程度,超过混凝土的抗拉强度时,产生局部微小裂缝,*微小裂缝互相贯通,导致混凝土呈整体崩解状破坏。

(二)提高混凝土抗冻性的措施

1.掺加引气剂

混凝土的耐久性

引气剂是具有憎水作用的表面活性物质,它可以明显降低拌和水的表面张力,使混凝土内部产生大量微小稳定、分布均匀和互不连通的气泡。

小德当降温冻结时,毛细孔内的水结冰膨胀,毛细孔张开与附近的气泡连通,过冷水被迅速地挤压到气泡内,部分缓解毛细孔壁承受的挤压力,同时也减小了凝胶孔内过冷水的渗透压力。

当温度升高,混凝土内部的冰融化,重新成为液态水,水的体积收缩,气泡内的部分水回到毛细孔内,外部的水分补充进入混凝土表面一定厚度区域的毛细孔和气泡内。如此反复冻融,表面一定厚度区域的混凝土内的气泡逐渐被水分占满,冻结压力越来越大,*表面部分被破坏剥落。

掺引气剂的混凝土冻融破坏的形态与普通混凝土整体崩解不同,是由表及里逐层剥落,外部虽然剥落,但内部仍然保持比较好的状态,动弹性模量仍然维持在比较高的水平。因此,混凝土内部由引气剂引入的大量直径为25-500 μm的球形气泡,减少了毛细孔内的水分,极大地消解了冻结时混凝土内部产生的拉应力,同时气泡连接毛细孔壁产生的微小裂缝后,可以减小微裂缝尖端的应力集中效应,迟滞裂缝的扩展和连通。

基于以上原理,有抗冻要求的混凝土必须掺用引气剂,使混凝土含气量达到3%~6%,保证混凝土有一定抗冻等级。

2.严格限制水灰比

水灰比小,混凝土的密实度高、强度高、毛细孔数量少,其吸水率低,可以减小水冻结时产生的破坏力。

在混凝土含气量相同条件下,混凝土抗冻等级随水灰比增大而降低,因此混凝土水灰比需根据混凝土抗冻要求严格控制。

3.选用优质骨料

含泥量大的骨料会降低混凝土抗冻性,吸水率大的骨料同样会降低混凝土抗冻性,因此应选用含泥量与吸水率都小的骨料,对混凝土抗冻性有利。

二、混凝土抗渗性

混凝土抗渗性也是混凝土一项很重要的性能,混凝土设计要求中一般都有抗渗要求。混凝土抗渗性用抗渗等级W表示,抗渗等级w4-W15。根据水工混凝土建筑物水头大小、水力坡降及建筑物重要性来确定抗渗等级。

混凝土的耐久性

(一)混凝土渗透机制

由于混凝土不够密实和混凝土拌和物泌水等,混凝土中孔隙占混凝土体积的1%左右,且相互连通,形成空间孔隙网络。水在压力作用下,沿混凝土内部相互连通的孔隙向压力低的方向流动的现象,就是水在混凝土内的渗透现象。

渗透水流出混凝土,期间把混凝土内的CaO溶于水后带出,导致水泥石的结构孔隙逐渐增多、增大,使混凝土结构疏松、强度降低、渗漏量加大。当混凝土中CaO损失33%时,混凝土内部碱性丧失,水泥水化产物分解,混凝土强度几乎降为0,混凝土结构完全破坏。

(二)提高混凝土抗渗性措施,

1.尽量降低混凝土水灰比

混凝土水灰比对混凝土抗渗性影响很大。混凝土的水灰比小,密实度高,其内部的孔隙少,尤其是有利于渗透的大孔隙少,因而抗渗性好。混凝土抗渗性随混凝土水灰比的增大而降低,对大中型大坝工程上游防渗外部混凝土水灰比不宜大于0.55。

2.掺用外加剂

掺减水剂可明显降低混凝土用水量,改善混凝土拌和物和易性,提高其密实性,减少其内部的孔隙数量和减小孔隙的直径,尤其是减小混凝土泌水形成的毛细孔数量和密集于骨料周边的气孔,从而提高混凝土抗渗性。

降国掺引气剂,使混凝土内部产生大量微小、不连通的气泡,这些气孔阻隔了毛细孔之间的相互连通,可阻断渗透水流动,从而提高混凝土抗渗性。

3.掺用优质掺合料

掺用优质粉煤灰,例如I级灰,其需水量比≤95% ,掺I级灰可以降低用水量,相当是固体减水剂,其减水率可达8%左右。另外,掺粉煤灰可改善混凝土和易性,减少泌水,增加密实性,减少了孔隙数量和骨料周边的气孔,从而提高混凝土抗渗性。

4.保证混凝土施工质量

大量的实践证明,水工建筑物混凝土抗渗性低的主要原因是施工不良引起的混凝土不均匀,局部孔隙大而多,甚至存在大的孔洞;此外因施工工艺不合理,混凝土产生许多裂缝,尤其是上下游贯通的裂缝。

优化的混凝土配合比,如果施工质量得不到保证,仍会发生渗漏,因此必须保证混凝土施工质量,在施工过程中应防止骨料集中、漏振、欠振、冷缝等现象发生。

三、混凝土抗冲磨性

(一)混凝土冲磨破坏机制

我国的河流属多泥沙河流,混凝土坝高度已达到300m级,高坝大库已很多,由于水头高,高速水流流速已达40 m/s以上,高速水流挟带大量泥沙(汛期)和直径达1 m以上的石块对泄流建筑物表面造成严重的冲刷磨损破坏。另外,在我国西南地区河流推移质很多,对建筑物造成冲击磨损破坏。

高速水流挟带砂石,在混凝土表面滑动、滚动和跳动,对混凝土表面产生冲击、淘刷、摩擦切削、冲撞捶击作用,导致混凝土破坏,这就是混凝土的冲磨破坏机制。

因此归纳起来,混凝土的冲磨破坏可分为两种:一种是悬移质(泥沙)高速水流造成的冲刷磨损破坏;另一种是推移质(块石、卵石)高速水流造成的冲击磨损破坏。

(二)提高混凝土抗冲磨强度措施

1.尽量降低水灰比

一般来说,掺用高效减水剂、降低混凝土用水量、降低水灰比、提高混凝土抗压强度,可使混凝土抗冲磨强度随混凝土抗压强度的增加而增加。

2.选用优良的抗冲磨护面材料

(1)选用硬质耐磨骨料混凝土,如花岗岩石英岩、铁矿石等骨料作为抗冲磨混凝土骨料,特别是铁矿石骨料混凝土抗冲磨性*。

(2)掺用微珠含量高的优质粉煤灰,粉煤灰混凝土抗压强度也可达70~90MPa,其抗冲磨强度也高。

(3)铸石骨料混凝土:铸石是一种很好的抗磨材料,但其性脆将其粉碎后作为骨料拌制成铸石骨料混凝土,其C50抗冲磨强度比C50普通混凝土提高3倍。

四、抗空蚀性

(一)混凝土空蚀破坏机制

清水中溶有空气,当高速水流流经不平整表面或表面曲面低于水流射流形成的自然曲面时,水流脱离混凝土表面,局部水流形态恶化,形成真空区。在真空作用下,水迅速蒸发,形成水蒸气,水中的空气在低压作用下从水中向外逃逸,气泡在逃逸过程中迅速长大,达到水流表面时在真空区爆炸破裂。 混凝土表面经受不住这样大的爆炸力而破坏。破坏的细屑立即被水流带走,局部形成更加不平整的表面,空蚀作用加剧,短时间可形成大面积的空蚀坑。这就是混凝土的空蚀破坏机制。

(二)发生空蚀的条件

(1)高速水流,一般流速>25 m/s。

(2)过流表面不平整或过流表面体型不合理,水流条件不好。

(三)提高混凝土抗空蚀性措施

(1)修改过流面体型改善水流条件,保证水流不出现脱离表面的真空区。

(2)控制和处理过流表面不平整度,并符合有关标准要求。

(3)设置通气设施。

(4)改进泄流运行方式。

(5)采用高抗空蚀材料护面,如高强混凝土抗空蚀性较好。

五、抗化学侵蚀性

(一)混凝土化学反应侵蚀的分类

由于外部介质,如酸、碱盐及大气中有害气体与混凝土中某些组分发生化学反应产生的病害称为化学反应侵蚀。

化学反应侵蚀物质都是以水为媒介而传入混凝土内部,并通过液相与水泥水化产物产生化学反应的。

化学反应侵蚀速度取决于侵蚀物质的性质、浓度及有害物质的迁移速度,其他因素包括结构物暴露环境条件、侵蚀介质的浓度、水压力、流速、结构物形状及截面大小、混凝土材料组分、施工质量等。

化学反应侵蚀按其破坏性质可分四大类。

混凝土的耐久性

1.溶出性侵蚀

长期与水接触的混凝土建筑物,混凝土中的石灰被溶失,使液相石灰浓度下降,导致水泥水化物分解,称为溶出性侵蚀。石灰溶出可分两种方式:一种为渗漏,对于承受水压的建筑物,环境水通过连通的毛细管道向无压边渗出,将石灰溶解成CH渗出;另一种为扩散,对优质密实混凝土,连通毛细管很少,几乎不溶漏,但在内外浓度差为扩散动力作用下,也能使石灰溶解溶出。

2.分解性侵蚀

由于物理或化学作用,引起混凝土介质碱度下降,导致水泥水化产物分解,称为分解侵蚀。分解性侵蚀又分三种,即酸性侵蚀、碳酸与氢硫陬侵蚀、镁盐与铵盐侵蚀。

1)酸性侵蚀

混凝土中CH与酸反应生成盐,CH被分解。

Ca( 0H)2 +H2S04→Ca2S04 .2H20

2)碳酸与氢硫酸侵蚀

大气中CO2、H2S气体溶于水后生成碳酸与氢硫酸,碳酸与混凝土中CH反应生成极易溶解的重碳酸钙而流失,化学反应式如下:

CO2 +H20→H2CO3

H2CO3 + Ca(0H)2→CaCO3 + H2O

CaCO3 + H2CO3→Ca( HCO3)2

3)镁盐与铵盐侵蚀

矿化度较高的环境水中普遍存在Mg2+ ,而海水中Mg2+含量更高, Mg2+与混凝土中CH反应生成难溶的Mg( 0H)2 ,反应式如下:

Ca(OH)2 +Mg2+→Mg(OH)2 ↓+Ca2+

这样将混凝土中CH不断分解掉。

3.盐类侵蚀

环境水中含有盐类物质时,通过化学或物理作用会产生结晶,对混凝土产生很大膨胀破坏作用,其中以硫酸盐化学侵蚀和因水分蒸发导致盐类结晶的物理侵蚀*为严重。盐类侵蚀又分为硫酸盐侵蚀、盐类结晶侵蚀、苛性碱侵蚀三种。

1)硫酸盐侵蚀

水泥中C3A水化产物铝酸四钙与硫酸钙反应生成硫铝酸三钙(称钙矾石)。由于硫铝酸三钙晶体体积增大( C3A转变成钙矾石体积增大8倍)产生巨大膨胀力,导致混凝土开裂破坏。

3Ca0Al2O3 + Ca(0H)2 + 18H20 →4CaO●Al2O3●19H2O

4CaO. Al2O3●19H20 + CaSO4 + 13H20→3CaO . Al2O3●CaSO4 .32H20 + Ca( 0H)2

除钙矾石外,硫酸盐还与石灰反应析出石膏晶体,反应式如下:

Ca(OH)2 +SO2-4 +2H20→CaSO4 ●2H20↓+20H-

由于石灰转变为石膏,其体积增加--倍,因此硫酸盐侵蚀包括钙矾石膨胀与石膏膨胀两种膨胀破坏作用。

2)盐类结晶侵蚀

盐类结晶侵蚀是混凝土一端与含盐溶液接触,通过毛细作用,溶液沿毛细管上升至混凝土临空面水分蒸发,溶液达到饱和在毛细管中析晶,在转化温度以下,由带水晶体向含结晶水晶体转化,体积显著增加而产生巨大膨胀力,导致混凝土破坏。

盐类结晶侵蚀以Na2So4*为严重,其转化温度为32.3℃,在32.3 ℃以上析出无水硫酸钠,在32.3℃以下析出带10个结晶水的硫酸钠(芒硝)。因此在日温差较大地区,白天混凝土表面温度大于32.3℃,析出无水硫酸钠,夜间气温低时,在大气湿度条件下吸水潮解,使无水Na2SO4晶体软化成有结晶水的硫酸钠(Na2SO4.10H20) ,产生巨大膨胀应力导致混凝土破坏。

3)苛性碱侵蚀

碱金属与硫酸盐一样,也会对混凝土造成盐类结晶侵蚀,以NaOH为例,一方面Na0H与大气中co2反应(碳化)生成Na2CO3,另-方面是水的蒸发,结果使含有结晶水的Na2CO3 .10H20晶体积聚在在混凝土表面的孔隙中,导致盐类结晶侵蚀,反应式如下:

2NaOH + CO2一 Na2CO3 + H20

Na2CO3 +10H20→Na2CO3 . 10H2O

4.有机质侵蚀

1)油类侵蚀

豆油、杏仁油、花生油、核桃油、亚麻仁油、牛油、猪油等对混凝土均有较强侵蚀。

2)生物侵蚀

生物侵蚀是指菌类细菌、藻类、苔藓、幼虫在混凝土表面生长繁殖时,会留下多种斑点及污足迹。

(二)混凝土化学反应侵蚀的防护措施

1.选用合适的水泥品种

针对不同类型侵蚀选用不同抗侵蚀水泥。

对溶出性侵蚀应选用不易水解的水泥,如火山灰水泥、矿渣硅酸盐水泥,使CH与活性SiO2反应生成C-S-H凝胶,减少溶出性侵蚀。

对酸性侵蚀,应选用耐酸水泥。

对硫酸盐侵蚀,应选用硫铝酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、矾土水泥等。

2.掺用火山灰质活性掺合料

混凝土中水化产物CH存在是必不可少的,但它参与侵蚀,因此掺入火山灰质活性掺合料(粉煤灰硅粉等),可以与CH发生二次水化反应生成难溶的化合物,从而减轻溶出性侵蚀,同时对减小镁盐、硫酸盐侵蚀效果也是较好的。

3.提高混凝土密实性和抗渗性

因为各种化学侵蚀介质都是以水为媒介通过混凝土中孔隙、毛细孔而进人的,因此提高混凝土密实性对减轻各种化学侵蚀都是有效的。密实混凝土首先是正确选择混凝土原材料与配合比,掺减水剂降低用水量、减小水灰比保证必要的水泥用量,浇筑时加强振捣,防止漏振、欠振或过振,加强湿养护,冬季施工应加强保温措施,防止发生温度裂缝与干缩裂缝,以及对表面缺陷进行及时处理等。

4.混凝土表面防护处理

在混凝土建筑物表面涂抹聚合物水泥砂浆、沥青涂层、专用涂料.浸渍混凝土表面等。

5.混凝土保护层必须有足够厚度

混凝:土受侵蚀往往引起钢筋锈蚀,而钢筋锈蚀又会引起混凝土裂缝,必将加速混凝土遭受化学侵蚀,因此保证钢筋有足够的混凝土保护层厚度,也能提高钢筋混凝土结构抗化学侵蚀能力。

六、抗碳化性

混凝土碳化是指大气中的二氧化碳在有水的条件下(实际、上真正的媒介是碳酸)与水泥的水化产物CH发生化学反应生成碳酸钙和游离水,其化学反应式如下:

Ca(OH)2 +CO2 +H20→GaCO3 +2H2O

混凝土碳化消耗混凝土中部分CH,使混凝土碱度降低。混凝土抵抗碳化作用的能力称为混凝土抗碳化性。

(一)影响混凝土碳化的因素

1.混凝土水胶比

混凝土水胶比越大,混凝土越不密实孔隙率越大,外界CO2易侵入,越容易碳化;反之,即水胶比小,混凝土密实、孔隙率小,则不易发生碳化。

2.周围介质相对湿度

混凝土碳化作用要在适中的相对湿度环境条件下(约50% )才会较快进行,这是因为过高的湿度(100% )使混凝土孔隙中充满了水,二氧化碳不易扩散到水泥石中去,或水泥石中的钙离子能通过水扩散到混凝土表面,碳化生成的CaCO3把混凝土表面孔腺堵塞,碳化作用也不易进行:相反,过低的相对湿度(如25% ),孔腺中没有足够的水使CO2生成碱酸,显然碳化作用也不易进行。

3.大气中CO2的浓度

在大气中CO2的正常含量为空气体积的0.03% -0.04%,但在工业区则相对较高,而室内可达0.1%。因此, 混凝土碳化作用的强弱与所在地区或位置的CO2浓度有关。显然,大气中CO2浓度高则碳化作用强,反之则碳化作用弱。据有关试验结果表明,室内结构混凝土碳化速率为室外的2-3倍。

4.碳化经历时间

很明显.碳化深度随碳化时间的延长而增加。有关研究结果表明,混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。

5.混凝土碱度

采用纯熟料水泥(硅酸盐水泥)配制混凝土碱度高,有较多CH与H2CO3起反应,其碳化速度较低,而掺用火山灰质掺合料(如粉煤灰等)的水泥混凝土,因粉煤灰二次水化需消耗掉一部分CH,致使混凝土碱度有所降低,碳化速率较高。

(二)碳化的危害性

混凝土发生碳化有两大危害:其一是使混凝土碱度降低破坏钢筋混凝土中钢筋的钝化膜,使钢筋易发生锈蚀;其二是碳化导致混凝t发生碳化收缩变形。

1.钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂剥落

钢筋混凝土中钢筋保护层被碳化后,会导致钢筋锈蚀,从而把混凝土保护层胀裂,*导致钢筋混凝土结构承载能力下降。因混凝土保护层碳化而导致钢筋锈蚀的机制后文有专门介绍。

2.碳化收缩

从碳化反应中可以看出,混凝土中CH与CO2反应生成CaCO3和水,伴随着固相体积减小和水分排出而产生收缩.也就是所谓碳化收缩,碳化收缩是一种不可逆收缩, 也会导致混凝t表面发生裂缝。

这里需说明一点,一般不进行专门的碳化收缩试验,而混凝土干燥收缩试验结果实际上已包含了碳化收缩的影响。然而,干燥收缩与碳化收缩在本质上是完全不同的,干燥收缩是物理收缩,而碳化收缩是化学收缩。

(三)提高混凝土抗碳化性的措施

(1)尽量降低混凝土水胶比,提高混凝土密实性、减少空隙率,使CO2很难侵入到混凝土中去。

(2)加强施工质量控制,振捣密实,不漏振、不欠振,混凝土表面抹面要用力压实,使混凝土表面也密实,CO2不易侵入混凝土内部。

(3)选用合适的水泥品种,优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。

(4)混凝土表面涂刷防碳化涂料作保护层,阻止CO2入侵混凝土。

(5)钢筋混凝土中钢筋的混凝土保护层有足够厚度,以尽量延长碳化时间。

(6)钢筋混凝土中混凝土掺钢筋阻锈剂,防止混凝土碳化后钢筋生锈。