混凝土结构损伤与裂缝(辽宁)修改稿

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1、混凝土结构混凝土结构损伤与裂缝分析损伤与裂缝分析 哈尔滨工业大学 教授辽宁大通公路技朮公司 顾问张树仁混凝土结构损伤与裂缝分折 混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何其它破坏过程的抵抗能力。 在役桥梁结构随着使用时间的延续，受结构使用条件及环境侵蚀等因素的影响，加之设计和施工的不当，将发生材料老化与结构损伤，这是一个不可逆的过程，这种损伤的累积将导致结构性能劣化，承载力下降和耐久性降低。混凝土结构损伤与裂缝分析 外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素对混凝土结构物理化学作用的结果。环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有： 混凝土碳化； 氯离子侵蚀； 碱骨料反应； 冻

2、融循环破坏； 钢筋腐蚀。一、环境因素引起的混凝土结构损伤1、混凝土的碳化混凝土碳化是指混凝土中的氢氧化钙（Ca(OH)2）与渗透进混凝土中的二氧化碳（CO2）或其他酸性气体发生化学反应的过程。混凝土碳化可用下列化学式表示：CO2+H2OH2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O （1）一、环境因素引起的混凝土结构损伤 碳化的实质是混凝土的中性化。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土内部的孔隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其pH值为1213。在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面生成一层难溶的三氧化二铁（Fe2O3）和四氧化三铁（Fe3O4），通常称为钝化膜

3、，能够阻止混凝土中钢筋的腐蚀。当有二氧化碳和水气从表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土中的碱性物质中和，会导致混凝土的pH值降低。当pH值小于9时，埋置于混凝土中的钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生腐蚀。一、环境因素引起的混凝土结构损伤 混凝土碳化特征曲线是表征混凝土碳化深度随时间的变化规律。国内外大量的研究资料表明，在非侵蚀性介质的正常大气条件下，混凝土碳化特征曲线可用幂函数方程表示。 （2）式中：D混凝土碳化深度； t混凝土碳化龄期； 碳化速度系数。Dt一、环境因素引起的混凝土结构损伤 混凝土碳化深度测量是桥梁检测的重要工作内容之一，通常采用在混凝

4、土表面点滴1%的酚酞溶液的方法测试，未碳化的混凝土与酚酞液反量呈粉红色。 在实际工作中，可通过对使用若干年后结构大量的实测碳化深度的统计分析，推算钢筋的混凝土保护层完全（或部分）碳化的时间，预测钢筋可能产生锈腐的时间，为结构的耐久性评估提供必要的基础资料。 。某一钢筋混凝土桥使用16年后实测混凝土深度为20mm，若保护层厚度分到为25mm、30mm和40mm，达到保护层完全碳化，钢筋开始腐蚀的剩余使用寿命为多少年? 20165 保护层c25mm完全碳化所需时间为: t=(25/5)2=25年, 剩余寿命为25-16=9年 保护层c30mm完全碳化所需时间为: t=(30/5)2=36年, 剩余

5、寿命为36-16=20年保护层c40mm完全碳化所需时间为:t=(40/5)2=64年, 剩余寿命为64-16=48年2、氯离子侵蚀混凝土是一种耐久性较好的建筑材料，但在化学侵蚀介质的作用下，它保持自身能力是较差的。对桥梁及港工结构而言，最危险的化学侵蚀是氯离子的侵蚀。一、环境因素引起的混凝土结构损伤2.1氯离子存在的广泛性 一般硅酸盐水泥本身只含有少量的氯化物。若在混凝土拌制时加入了含氯化物的减水剂，掺入用海水淬冷的高炉矿渣或使用海水排湿的粉煤灰等，均可能会使混凝土含有相当多的氯化物。就大多数情况而言，氯化物对混凝土结构的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。一、环境因素引起的混凝

6、土结构损伤 海水是氯离子的主要来源，海水中通常含有3%的盐，其中主要是氯离子。海风、海雾中也含有氯离子，海砂中更含有一定量的氯离子。我国的海岸线长，大规模基本建设多集中在沿海地区，尤其是海洋工程，如码头、护坡和防堤等由氯离子侵入引起的钢筋腐蚀破坏是十分突出的。同时，沿海地区已经出现河砂匮乏的情况，不经技术处理就使用海砂的现象日趋严重。国外的工程经验和教训表明，海水、海风和海雾中的氯离子和不合理地使用海砂是影响混凝土结构耐久性的重要原因之一。 近半个世纪以来，世界各国公路交通发展迅猛，为了保证交通畅通，冬季向道路、桥梁桥面撒盐化雪除冰，使得氯离子渗透到混凝土之中，引起钢筋腐蚀。我国北方地区大量使

7、用氯化钠、氯化钙化雪除冰，由于氯离子除冰性能好，价格便宜，从经济角度考虑，短时期内很难取消使用撒盐除冰的方法，不少地方还将继续使用。对此类人为造成的氯离子环境的腐蚀危害，必须采取防盐腐蚀的技术措施。2.2 氯离子对混凝土结构的危害 氯离子对混凝土结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的腐蚀。 我国早期修建的港工和桥梁结构，混凝土强度等级低、抗渗性差，由于氯化物侵蚀造成钢筋蚀腐破坏的情况是触目惊心的。混凝土遭受氯化物的侵蚀，形成大量可溶性盐类，并在混凝土的孔隙和毛细孔中反复积聚，引起膨胀性反应，使混凝土的孔隙加大，或出现裂缝。加大了氯化物渗入混凝土内部的通道，导致钢筋腐蚀。钢筋腐蚀后出现锈胀裂缝

8、又会进一步加大氯离子侵入混凝土内部的通道，导致钢筋腐蚀加剧，如此恶性循环，最终造成钢筋的严重腐蚀破坏。一、环境因素引起的混凝土结构损伤 对桥梁结构特别是城市立交而言，来自海洋环境和除冰盐的氯化物侵蚀而引起的钢筋腐蚀是严重威胁混凝土结构耐久性最主要和最普遍的病害，已造成了巨大的损失，应引起设计、施工及养护管理部门极大的重视。 钢筋周围混凝土未碳化，钢筋锈蚀是由于氯离子引起3、混凝土的碱骨料反应3.1 碱骨料反应作用机理 碱骨料反应是指混凝土中某些活性矿物骨料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生的反应。碱骨料反应的类型与骨料活性成份有关，最常见的是碱 硅酸反应。 碱 硅酸反应是二氧化硅在骨料颗粒表面溶

9、解，逐渐形成硅酸盐凝胶。硅酸盐凝胶具有粘性，吸水后体积膨胀3-4倍，将引起混凝土开裂破坏。3.3 碱骨料反应的破坏特征 碱骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂。碱骨料反应产生的裂缝形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关。钢筋限制约束力强的混凝土，碱骨料反应形成的裂缝为顺筋裂缝；限制约束作用弱的混凝土，碱骨料反应形成的裂缝为网状或地图状裂缝。另外，碱骨料反应引起混凝土开裂的同时出现局部膨胀，以至使裂缝边缘出现不平的错台状态，这是碱骨料反应裂缝所特有的现象。 在工程病实诊断时，应注意碱骨料反应裂缝与混凝土收缩裂缝的区别。混凝土的收缩也会出现网状裂缝，但出现的时间较早；碱骨料反应裂缝出现较

10、晚，多数在施工后数年甚至十几年后出现。收缩裂缝和碱骨料反应裂缝均与环境温度有关：环境越干燥收缩裂缝越大，而碱骨料反应裂缝则是随着环境湿度的增大而发展。碱骨料反应裂缝首先出现在同一工程相同混凝土的潮湿部位，而干燥部位却安然无恙，这是碱骨料反应裂缝与其他原因裂缝最明显的外观特征差别之一。 杭州清泰门立门桥骨料膨胀病害 杭州清泰门立交桥端横隔板由于碱 活性骨料膨胀引起的裂缝形态。 杭州清泰门立交桥西部第七孔和第八孔实景 清泰门立交桥西部第七孔和第八孔之间伸缩缝西侧第七孔端横梁底裂缝 清泰门立交桥第七孔端横梁裂缝形态 清泰门立交桥第八孔端横梁底裂缝形态 清泰门立交桥第七孔端横梁凿入内部发现碱骨料反映特

11、征变质辉绿岩外圈产生白色反应环 清泰门立交桥第七孔端横梁内部层离状裂缝形态 空心板梁梁底因骨料膨胀而产生冲剪裂缝形态，放射形裂缝交点内部有一膨胀源（膨胀骨料） 北京平谷刚架桥桥墩裂缝分析具备碱骨料反应特征具备碱骨料反应特征 1 该桥建成8年后发现桥墩出现裂缝 2 桥墩漏水严重,桥台无漏水现象，未有裂缝 3裂缝表面不平,有错台 4 混凝土设计标号为15号,还渗有大量片石,混凝土密实度差 3.4 碱骨料反应对混凝土结构的危害 碱骨料反应引起的混凝土结构破坏的发展速度和破坏程度，比其他耐久性破坏更快、更严重。混凝土发生碱骨料反应时，一般不到两年就会出现明显开裂。出现裂缝后，空气、二氧化碳的侵入会使混