混凝土结构与机理（精选7篇）
混凝土结构与机理 篇1
摘要：海工混凝土结构的腐蚀破坏是因海水环境中的氯离子渗透聚集于混凝土内钢筋表面并致其钝化膜失去保护作用而造成的,这是一个复杂的电化学腐蚀过程。为了避免或减少因海水腐蚀作用对混凝土力学性能及耐久性能的影响,就必须采取切实可行的防腐措施。论文在总结国内外混凝土腐蚀现状的基础上,从结构的腐蚀破坏机理出发,归纳了包括采用结构措施、改善混凝土性能措施、增加混凝土保护层厚度、预留钢结构材料腐蚀厚度、改善施工工艺与提高施工技术水平及其它特别辅助防腐措施与方法的应用特点及要求。
关键词：跨海桥梁混凝土,腐蚀机理,防腐
1 混凝土腐蚀破坏及其腐蚀现状
混凝土腐蚀破坏是指在环境作用下因受物理和化学各种破坏作用而使其耐久性能、力学性能明显降低的现象。它的直接后果则会造成混凝土内部钢筋锈蚀并产生高达30MPa的锈胀力[1]，致使混凝土开裂，因而直接影响到结构的安全性和使用性能。据国外2004年统计资料介绍，英国现有桥梁中的35%～40%因结构腐蚀必须进行修复，所需费用占年GDT的3.14%,美国近60万座桥梁中一半以上出现钢筋腐蚀破坏，每年所需维修费用占年总建造经费的1.25%。据我国2004年资料统计，国内近40万座桥梁中有1万多座已受到损害，其中4 000多座已成危桥，每年因腐蚀问题造成的损失达几十亿元。
2 跨海桥梁的腐蚀破坏机理
海洋环境下的钢筋混凝土结构不同部位受不同程度侵蚀，侵蚀部位分为长期暴露区、浪溅区、潮差区、水下区4部位，如图1所示。
海洋环境中钢筋混凝土桥梁结构腐蚀的主要原因有：钢筋锈蚀、碳化侵蚀、镁盐、硫酸盐侵蚀、酸性气体侵蚀、碱骨料反应等。其中,钢筋锈蚀是主因,它所造成的破坏和损失最严重。其腐蚀破坏机理如下。
1）碳化作用机理:Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O
碳化结果可使pH<9，低于保持钢筋钝化最低pH值9.5，可导致混凝土中性化，致使钢筋不可避免产生锈蚀。
2）盐类侵蚀作用机理:3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
近年来，由于环境污染严重，在某些地区，酸雨对钢筋混凝土的危害比碳化更为严重。盐类侵蚀引起混凝土体积膨胀、开裂、破坏，发生后很难阻止，不易修补和挽救。
3）钢筋锈蚀作用机理：钢筋锈蚀主要是由氯离子侵蚀引起。调查表明，即使混凝土碳化深度浅，在氯离子含量较高的情况下钢筋也容易遭受腐蚀（见图2）。
这是由于氯离子的半径小、活性大，穿透力强之故。当钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时，氯离子吸附在膜结构有缺陷的地方，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的Fe Cl2，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏，形成坑蚀现象。钢筋锈蚀过程的主要反应方程式如下:
可以看出,在钢筋锈蚀过程中氯离子并不改变锈蚀产物的组成，且在混凝土中的含量也不会因腐蚀反应而减少,仅起到催化作用。氯离子导致的钢筋锈蚀是一个复杂的电化学过程，这个过程可比作电池反应。氯离子一般首先在较小区域的钢筋表面破坏钝化膜,形成小阳极,与大部分表面钝化膜完好的钢筋区域即大阴极间形成腐蚀电偶,使坑蚀的发展较为迅速，促使钢筋腐蚀、膨胀。并钢筋锈蚀时，理论上铁锈物质体积可达原钢材体积2倍～7倍[2]。在缺氧环境中，至少也可达钢材体积的1.5倍～3倍。裂缝的扩张和混凝土保护层的开裂和剥离，破坏了钢筋混凝土结构的完整性，也导致钢筋性能减弱。
为保证结构安全使用，确保桥梁在设计基准期内不致于使氯离子渗透至钢筋表面,需采取一系列防腐措施。
3 目前采用的主要防腐措施
1)选择合适的工程布置、结构形式和构造,避免结构形成锈蚀通道。
2)采用抗腐蚀性和抗渗性良好的优质混凝土、高性能混凝土以改善混凝土工作性能。
3)根据不同的环境,适当增加的混凝土保护层厚度。
4)预留钢结构材料腐蚀厚度。
5)采用先进施工工艺,提高施工技术水平。
6)其它特别辅助措施。
3.1 结构措施
合理设计结构形式和构造是防腐的基本措施,主要归纳如下几点。
1）为减少与海水接触或被浪花飞溅范围，尽量选择大跨度的桥梁布置方案。
2）选择合适的结构形式,构件截面几何形状应简单、平顺,尽量减少棱角或突变,避免应力集中，尽可能减少混凝土表面裂缝。对浪溅区,控制混凝土裂缝宽度小于0.1mm。
3）对支座和预应力锚固等可能产生应力集中部位,采取相应结构措施避免混凝土受拉。
4）设置检测和维修设施,便于管理人员监测和修补混凝土裂缝,考虑构件易于更换的可能性。
3.2 改善混凝土性能措施
为了提高混凝土结构的耐久性，应采用优质混凝土。一般是提高普通混凝土密实度和抗渗性及采用高性能混凝土。对普通混凝土，应控制水灰比大小,浪溅区混凝土水灰比最大值可控制在0.4～0.5之间。试验研究表明:
1）混凝土的抗裂及抗氯离子侵蚀性能可通过改变胶凝材料中掺合料的比例来实现。
2）大比例单掺粉煤灰或单掺磨细矿渣可显著降低胶凝材料的早期水化热，对后期水化热也有较大的降低作用，采用三组分（含水泥、矿碴、粉煤灰）胶凝材料配制的混凝土，可以配制出绝热温升小并利于改善混凝土的抗裂性能的低热混凝土。
3）在降低水化热方面，中热水泥要优于硅酸盐水泥。利用中热水泥，采用0.30～0.40的水胶比，掺加55%左右的磨细矿渣和15%左右的粉煤灰，可配制出强度等级满足桥梁混凝土设计规范要求的高性能混凝土，实践证明其具有良好的抗氯离子侵蚀能力。当前，国际上普遍认为，改善混凝土性能措施及采用高性能混凝土不仅措施有效，而且具有显著技术经济效益[3,4,5]。
3.3 合理增加钢筋混凝土保护层厚度
混凝土保护层是防止钢筋腐蚀的重要屏障。海洋环境工程混凝土保护层厚度应比陆上混凝土保护层厚度大一些,适当增加保护层厚度对延长结构的耐久性寿命非常有效。但保护层厚度也不能过厚，以防混凝土本身的脆性和收缩导致混凝土保护层开裂。对于潮差和浪溅区,控制混凝土中钢筋保护层厚度大于8mm，对于大气区，保护层厚度也应大于5mm。我国规范对海港工程混凝土结构保护层厚度取值规定[6]见表1和表2。钢管桩主要采用牺牲阳极的阴极保护法,增加钢管桩钢板的腐蚀厚度3mm左右,钢管桩在水位变化区的部分还可采用环氧涂层等防腐等措施。
mm
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3.4 施工措施
构件的连接和接缝(如施工缝)应作仔细处理,使连接混凝土的强度不低于本体混凝土强度。对于桥墩,不宜在浪溅处安排施工缝。为了保证混凝土尤其是钢筋周围的混凝土能浇注均匀和捣实,钢筋间距不宜小于50mm,必要时可考虑并筋。构件中受力钢筋和构造钢筋宜构成闭口钢筋笼，以增加结构的坚固和耐久性。
3.5 其它特别防腐措施
针对有更高耐久性要求的混凝土桥梁，可根据工程实际情况，增加特别防腐蚀措施。目前,通过工程检验效果较好并被ACI推荐的主要有三种：涂层、阻锈剂和阴极保护。
3.5.1 混凝土表面涂层保护
涂层保护是通过隔绝腐蚀性介质与混凝土的接触以达到延缓混凝土中钢筋腐蚀速度的目的。但涂层一般易老化,保护作用年限较短,设计使用年限一般不超过10a。对于高性能混凝土主要有两类方法测定其抗氯离子渗透性：即自然渗透法和加速渗透法。前者是先将混凝土长时间浸泡于含氯盐的水中，再切片或钻取芯样，然后用化学分析方法求取氯离子浓度与渗透距离之关系，再利用Fick第二定律算出氯离子渗透系数。该方法较常用，比较合符实际，但较费时。后者通过施加电场，加速氯离子的迁移速度，以缩短氯离子达到稳态传输过程的时间，但存在精度问题。涂层分为封闭型和渗透型两种。前者具有良好的密实性、抗渗性和附着力；后者是利用混凝土的特点，在混凝土表面涂渗透型涂料，这些渗入的涂料在混凝土表面深入内部的一定范围内形成特殊防护层，以有效阻止外界环境中氯离子的侵入，从而保护钢筋免受腐蚀。但混凝土结构防腐涂装技术要适应当今世界涂料工业的发展趋势，符合高性能、易施工、经济、节能、环保的发展方向[7,8]。
3.5.2 环氧涂层保护钢筋
在普通钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂薄膜能明显提高钢筋的防腐蚀性能。此法是防止钢筋锈蚀的有效措施之一。涂层厚度一般在180μm～300μm，适用于结构浪溅区和水位变动区。与普通钢筋相比，环氧涂层钢筋具有防腐性能好、相对节减混凝土保护层厚度等优点。但是，如果出现涂层不完整、有孔洞、破损等情况时，环氧涂层防护效果将受到严重影响，这一点应引起重视。此外，环氧涂层钢筋与混凝土的黏结力稍差，使用环氧涂层钢筋时应注意在生产、运输和使用过程中最大限度地消除涂层缺陷。
3.5.3 混凝土中掺钢筋阻锈剂
阻锈剂的使用也可以有效阻止或延缓氯离子对钢筋的腐蚀。阻锈剂产品分掺入型和迁移型两种，目前国内外较多使用掺入型钢筋阻锈剂，而迁入型钢筋阻锈剂是近年来新开发的产品，在混凝土结构修复领域很有应用前景。国内外试验研究结果表明，当钢筋表面附近的阻锈剂含量达到一定浓度时，抑制氯子侵蚀的能力才能明显体现出来[9]。故随着阻锈剂的消耗其保护效果会逐渐降低。另外，对于混凝土因收缩或外力作用产生开裂而导致内部钢筋与腐蚀介质直接接触时，阻锈剂将无法起保护作用。一般混凝土越密实，阻锈剂阻锈效果越好，因此，阻锈剂防腐应与其它防腐措施结合进行。
3.5.4 阴极保护法
阴极保护法的基本机理是利用了钢筋的电化学腐蚀原理,人为给钢筋施加负向电流,使局部电池的阴极区域达到其阳极开路电位,使钢筋表面电位相等,从而使腐蚀电流不再流动。阴极保护是对混凝土已经碳化或含有大量氯离子、混凝土保护层薄而透水透气、钢筋表面具有锈层等情况下所采取的被动防御措施。阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极工作原理简单，不需额外工作电源和供电设备、施工简单、工作性能稳定，其不足是保护年限较短、保护范围较小。因此牺牲阳极法在海洋工程结构的局部维修保护中应用较多。外加电流法在应用时需要有外部主流电源，电源的负极与被保护钢筋相连,正极与辅助阳极相连,辅助阳极与钢筋不能直接电连接。外加电流法保护效果良好,是有效的钢筋混凝土防腐蚀方法，诸多大型钢筋混凝土结构，如悉尼歌剧院、珍珠港海军基地等都使用阴极保护法。
3.6 防腐应用实例
图3例子为上海东海大桥，其上部结构主梁采用简支变连续的多跨等截面预应力混凝土连续箱梁，下部结构的桩型主要选用直径1 500mm的钢管桩。根据总体的结构防腐思路，工程中主要采取以下措施。
1)陆上段采用掺粉煤灰和磨细矿粉的I型改性混凝上;混凝土钢筋保护层厚控制在3cm以上。混凝上裂缝宽度控制在0.1mm以下。
2)钢管桩采用牺牲阳极的阴极保护法;并将钢管桩钢板的腐蚀厚度增加3mm;钢管桩在水位变化区的部分采用环氧重防腐措施。
3)潮差和浪溅区部位主要采用掺粉煤灰、磨细矿粉和硅粉的II型改性混凝土;并控制混凝土中钢筋保护层厚度大于8cm。控制混凝土裂缝宽度小于0.1mm。
4)大气区部位主要采用掺粉煤灰、磨细矿粉和硅粉的II型改性混凝土;控制混凝上中钢筋保护层厚度大于5cm控制混凝上裂缝宽度小于0.1 mm。经运行5a后的后期检测证明效果良好[10]。
4 结语
跨海桥梁混凝土中的钢筋锈蚀问题是应当引起重视的普遍问题，鉴于结构遭腐蚀破坏造成的损失，建议在桥梁结构与施工组织设计阶段就应充分估计各种侵蚀破坏因素对结构的影响,并视具体情况采用相应的防腐或防腐组合措施，才能有效预防钢筋混凝土遭受侵蚀破坏，以保证桥梁结构的长期安全运行。以上所介绍方法，是在实际应用中证明切实可行的。实践表明，对于已经遭受腐蚀破坏的海工混凝土结构，若采用适当防腐加固方法处理后，寿命至少可延长20年。
参考文献
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混凝土结构损坏机理的主要因素 篇2
1 混凝土结构中钢筋的锈蚀
为了保证混凝土结构的耐久性,受力钢筋在混凝土结构中规定了混凝土保护层。混凝土保护层具有防止钢筋锈蚀的保护作用,这是因为混凝土中水泥水化产物的碱性很高,pH值约为12～13,在这种高碱性的环境中,钢筋表面形成一层致密的氧化膜处于钝化状态,从而防止了混凝土中钢筋的锈蚀。
但是,通常钢筋混凝土结构是带裂缝工作的,即使处在正常使用阶段,在受拉区的混凝土仍会出现裂缝,但裂缝的宽度受到限制。经过大量调查发现,混凝土的裂缝宽度达到0.4 mm以上,只要构件处于干燥的环境,裂缝处的钢筋几十年都不会出现锈蚀。只有在潮湿的环境,有水和氧气侵入,钢筋才会锈蚀。随着时间的推移,一部分氢氧化铁氧化,生成疏松、易剥落的铁锈(Fe2O3·Fe3O4·H2O)。铁锈的体积增大(一般增加2倍～4倍)使混凝土保护层胀开,钢筋外露,破坏了混凝土保护层,混凝土沿钢筋产生裂缝,水、空气进入,加速了钢筋的锈蚀。
2 混凝土的碳化
混凝土的碳化是一个缓慢过程。拌和混凝土时,CaO水化后生成Ca(OH)2,它在水中的溶解度低,除少量溶于孔隙液中,使孔隙液成为饱和碱性溶液外,大部分以结晶状态存在,成为孔隙液保持高碱性的储备,它的pH值为12.5～13.5。空气中的CO2气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道,气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中,与其中的孔隙液所溶解的Ca(OH)2进行中和反应。
反应式为:
Ca(OH)2+CO2—→CaCO3+H2O
由于碳化降低了混凝土孔隙液的pH值(pH值降为8～10),这层混凝土的毛细孔不再进行中和反应,此时即所谓“已碳化”。凡是能与Ca(OH)2进行中和反应的SO2,SO3,H2S等,均能进行上述中和反应,使混凝土碱度降低,故广义称为“中性化”。混凝土表层碳化后,大气中的CO2继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相扩散,更深入地进行碳化反应。碳化后的混凝土抗压强度增大。
混凝土的碳化主要包括三个过程:1)化学反应过程。反应的速度主要取决于CO2的浓度和可碳化物质的含量,其中混凝土中可碳化物质的含量又受到水泥品种、水泥用量及水化程度等因素的影响。2)CO2等在混凝土中的扩散速度。该速度取决于扩散物质的浓度和混凝土的孔隙结构。混凝土的孔隙结构主要受混凝土水灰比的影响。3)Ca(OH)2的扩散。Ca(OH)2可在孔隙的表面扩散,其速度取决于混凝土碳化过程的速度以及它的分层特性。
一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土很难碳化;在空气湿度50%～75%的大气中,不密实的混凝土最容易碳化;但在相对湿度大于95%的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化,这是因为混凝土含水时透气性小,碳化慢;在湿度相同时,风速愈高,温度愈高,碳化也愈快;混凝土碳化速度与空气中CO2浓度的平方根成正比。
一般说来,普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快,矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝土的碳化速度要比硅酸盐水泥大。掺混合材的水泥碳化速度更快,混合材掺量越大,碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂,可以大大改善混凝土的和易性,减小水灰比,制成密实的混凝土,使碳化减慢。
混凝土中的骨料本身比较坚硬、密实,总的说来,天然砂、砾石、碎石比水泥浆的透气性小,因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是,在轻混凝土中,由于轻质骨料本身气泡多,透气性大,所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来,轻混凝土比普通混凝土碳化快,需要掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化速度。
混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系,混凝土的透气性越小,碳化进行越慢。水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实,透气性小,因而碳化速度就慢。同理,单位水泥用量多的混凝土碳化较慢。
浇筑与养护质量密实的混凝土表层孔隙很小,易从潮湿的空气中吸取水分而充满水,故不易碳化;欠密实的混凝土表层中大孔隙内无水,CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化,所以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。
混凝土浇筑与养护质量是影响混凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规范,特别是振捣不密实,以及养护方法不当、时间不足时,就会造成混凝土内部毛细孔道粗大,且大多相互连通,严重时会引起混凝土出现蜂窝、裂缝等缺陷,使水、空气、侵蚀性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部,加速混凝土的碳化。
3 混凝土的氯化物
氯化物是一个非常重要的影响因素。当混凝土中含有氯离子(Cl-)时,即使混凝土的碱度较高,钢筋周围的混凝土尚未碳化,钢筋也会出现锈蚀。这是因为氯离子的半径小,活性大,具有很强的穿透氧化膜的能力,氯离子吸附在膜结构有缺陷的地方,使难溶的氢氧化钙转变成易溶的氯化铁,致使钢筋表面的钝化膜局部破坏,钢筋产生坑蚀现象。例如同样是C 45级混凝土,如果钢筋去钝化时间都是50年,则在一般的碳化环境中,混凝土最小保护层厚度只要1cm,而在含氯化物的环境中,至少要7cm。
氯离子的主要来源:
1)施工过程中掺加的防冻剂等,即内掺型;2)使用环境中氯离子的渗透,即外掺型。
4混凝土的冻融破坏
混凝土的冻融破坏指在水饱和或潮湿状态下,由于湿度正负变化,混凝土内部孔隙水结冻膨胀,融解松弛,产生疲劳应力,造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的现象。
水结冰时体积约膨胀9%,混凝土体积膨胀产生微裂缝。冻融破坏常见的是由于水泥石的崩裂,部分砂浆呈粉状剥落而露出粗骨料。
混凝土的水灰比从0.4增加到0.6时,抗冻性能下降十几倍。为了使混凝土具有足够的抗冻性,应使其水灰比小于0.5。同时规定最小水泥用量300kg/m 3。
随着龄期的增加,水泥不断水化,可冻结水逐渐减少。水中溶解的盐的浓度增加,冰点也随龄期而下降,抗冻性能得以提高
5混凝土的碱—骨料反应
碱—骨料反应一般是指水泥中的碱和骨料中的活性氧化硅发生反应,生成碱—硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀压力,致使混凝土出现开裂。
碱—骨料反应通常进行得很慢,其破坏特征为:表面混凝土产生杂乱无章的裂缝,或在骨料颗粒周围出现反应环。
影响碱—骨料反应的因素有:1)活性二氧化碳的活性;2)活性二氧化硅的含量;3)活性材料的粒径;4)碱的可获量;5)可利用的水量。
摘要：从钢筋的锈蚀、混凝土的碳化、氯化物侵蚀、混凝土的冻融破坏、混凝土的碱—骨料反应五个主要因素入手,对混凝土结构损坏机理进行了分析,以期指导实践,提高混凝土结构耐久性,延长其使用寿命。
关键词：混凝土,锈蚀,碳化,氯离子,冻融,碱—骨料
参考文献
[1]建筑施工手册编写组.建筑施工手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2007.
[2]张立人.建筑结构检测、鉴定与加固[M].武汉:武汉工业大学出版社,2007.
混凝土结构与机理 篇3
1 高层建筑混凝土转换层结构施工阶段的温度裂缝机理
高层建筑混凝土转换层结构施工阶段产生的温度裂缝,是其内部矛盾发展的结果一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变,另一方面是结构的外部和混凝土的质点间的约束阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝另外,泵送混凝土由于流动性和和易性的要求,坍落度增加,水灰比增大,水泥强度等级提高,水泥用量、用水量、砂率均增加,骨料粒径减小,减水剂及其外加剂的增加等诸多因素的变化,导致混凝上的收缩及水化热作用都大大增加,收缩时间延长水泥用量及标号的增加,可明显提高混凝土的抗压强度,但对抗拉强度的提高是很小的。由于施工单位委托搅拌站向现场供应商品混凝土时,委托的技术依据只有设计院确定的强度等级,却忽略了对大体积混凝土性能的要求,这样也会对控制裂缝的产生不利。施工单位应编制高层建筑混凝土转换层结构浇筑施工方案,并严格执行
2 高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的产生原因
在混凝土结构中由于温度变化引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂缝两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。
2.1 水泥水化过程是高层建筑混凝土转换层结构中的主要温度因素
水泥水化过程中要释放出一定的热量而高层建筑混凝土转换层结构一般断而较厚,水泥释放出的热量聚集在结构物内部不易散发通过实测,水泥水化热引起的温升,在水利工程中一般为15～25℃,而在建筑工程中一般为20～30℃,甚至更高水泥水化热引起的绝热温升,与混凝土单位体积中水泥的用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期(时间)按指数关系增长,一般在10～12大接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件,实际上混凝上内部的最高温度,多数发生在混凝土浇筑后的最初3～5天。由于混凝土的导热性能差,浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大,相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。
2.2 外界气温变化的影响
高层建筑混凝土转换层结构在施工阶段,外界气温的变化影响是显而易见的,因为外界气温愈高,混凝上的浇筑温度也愈高;而外界温度下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度差,这对高层建筑混凝上转换层结构是极为不利的
2.3 约束条件与温度裂缝的关系
各种结构物在变形变化过程中,必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形,这就是指的约束条件高层建筑混凝土转换层结构由于温度变化会产生变形,而这种变形又受到约束,便产生了应力,这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值,便引起裂缝。
2.4 混凝土的收缩变形
混凝土的收缩机理比较复杂,其最大的原因,可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的如果混凝上收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。
3 高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的特点
高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝属于变形荷载引起的裂缝。此类裂缝区别于外荷载引起的裂缝有两个显著的特点:
(1)温度裂缝的起因是结构首先变形,当变形得不到满足才引起应力,而应力又与结构的刚度大小有关,只有当应力超过一定数值时才引起裂缝。混凝土开裂后,变形得到满足或部分满足,应力就发生松弛现象。如果材料强度不高,但是有较好的韧性,也可以适应变形要求,抗裂性能较高。混凝土虽然属于脆性材料,但是改善配合比,增加密实度,在允许范围内提高混凝土的变形能力也是控制开裂的一种途径。松弛变形是高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝区别于荷载产生裂缝的主要特点,计算时应充分考虑。
(2)按普通外荷载计算原则,从外荷载作用,结构内力形成,直至裂缝的出现与扩展,似乎都是在一瞬间完成的,是某个“瞬间过程”。但是高层建筑混凝土转换层结构温度变形的作用,从变形的产生到温度变形应力的形成,裂缝的出现、扩展都不是在同一时间瞬时完成的,它有一个“时间过程”,即为“传递过程”,是一个多次产生和发展的过程,这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。因此,高层建筑混凝土转换层结构的温度应力应按分段叠加的方法来求得。
4 混凝土结构裂缝的修补
正在施工中出现的裂缝,修补一般是沿裂缝走向铺设钢筋或钢筋网,并对混凝土结构加强表面保温和养护;对于出现在老混凝土上的深层裂缝应根据建筑物的结构形式、裂缝出现的部位及裂缝发生的原因、性质、宽度,以及结构的受力情况,合理地选择修补材料和方法。
(1)表面修补法。主要用于对承载能力无影响的表面裂缝、大面积细裂缝以及防渗补漏的处理。主要有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥、环氧粘贴玻璃法、表面凿槽嵌补法和表面贴条法等。
(2)内部修补法。主要用于对结构整体性有影响及有防水、防渗要求的深层裂缝及内部缺陷的修补。其最有效的方法是灌浆法,包括水泥灌浆和化学灌浆。
混凝土结构与机理 篇4
关键词：钢筋混凝土结构,腐蚀,机理,防腐,措施
我省的海岸线2610km, 属于海岸线较长的省份之一, 其中有70%的段落位于大连境内, 由于黄海携带高浓度海盐的风力影响, 2008年施工的沈大与大庄高速公路连接线、土羊高速公路很大面积的混凝土结构受到了侵蚀, 病害形态多呈鱼鳞状点蚀, 剥蚀多发生在粗骨料表面。根据调查, 有30%的墩柱发生腐蚀情况。发生腐蚀比较严重的部位主要分布在混凝土的迎风面, 靠近海边的位置。为此, 必须对桥梁混凝土的腐蚀机理及其防护方法进行研究, 并在结构设计、材料配合比设计、养护维修等方面, 充分考虑混凝土结构可能发生的腐蚀和性能劣化的问题。以达到桥梁混凝土结构安全可靠、长期耐用、整洁美观的目的。
1 混凝土结构的腐蚀机理
由于大连地区的海风和冻融循环频繁等因素的影响, 沈大与大庄连接线、土羊高速公路产生的病害是典型的“盐冻”腐蚀。众所周知, 海水含有大量的阴离子 (Cl-, SO
1.1 氯盐的侵蚀
氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质, 即使在强碱性环境中, 氯离子引起的点锈腐蚀依然会发生, 同时由于水往往会渗透到混凝土, 而这种水并非纯水, 是含有一些杂质的电解液, 电化学作用导致锈蚀加快进行。当氯离子渗透到达钢筋表面, 钢筋钝化膜被破坏, 成为活化态。在氧和水充足的条件下, 活化的钢筋表面形成一个小阳极, 大面积钝化膜区域作为阴极, 结果阳极金属铁溶解, 形成腐蚀坑, 一般称这种腐蚀为“点蚀”。点蚀形成的Fe (OH) 3若继续失水就形成水化物红锈, 一部分氧化不完全的变成Fe3O4 (即为黑锈) , 在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层成多孔状, 即使锈层较厚, 其阻挡进一步腐蚀的效果也不大, 因而腐蚀将不断向内部发展。
氯离子除对钢筋有腐蚀外, 对水泥混凝土也可产生腐蚀。氯化钠和氯化钙同水泥中水化铝酸钙作用可产生膨胀性的氯盐, 引起混凝土爆裂而破坏。
3CaO·Al2O3·6H2O+CaCl2+4H2O→3CaO·Al2O3·CaCl2·10 H2O (1)
1.2 硫酸盐的侵蚀
硫酸盐侵蚀也是一种常见的化学侵蚀形式。海水中的硫酸盐与水泥水化生成的Ca (OH) 2反应生成硫酸钙。
Ca (OH) 2+SO
在流动的水中, 反应 (2) 可不断进行。硫酸钙与水泥熟料矿物铝酸三钙C3A水化生成的水化铝酸钙C3AH6和水化单硫铝酸钙3CaO、Al2O3 、CaSO4、18H2O都能反应生成水化三硫铝酸钙 (又称钙矾石) 。
4CaO·Al2O3·19H2O+ 3CaSO4+14 H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+ Ca (OH) 2 (3)
3CaO·Al2O3·3CaSO4·18H2O+2 CaSO4+14 H2O→3CaO·Al2O3·5CaSO4·32H2O (4)
环境水中, SO
1.3 镁盐的侵蚀
镁盐可以与水泥中的硅酸盐矿物水化生成的水化硅酸钙凝胶反应, 使其分解。镁盐首先与硅酸盐矿物水化生成的Ca (OH) 2反应生成Mg (OH) 2。
Ca (OH) 2+Mg2+→Mg (OH) 2+Ca2+ (5)
3CaO·2SiO2·nH2O+3Mg2++mH2O→3Mg (OH) 2+ m Ca2++2SiO2· (m+n-3) H2O (6)
镁盐使水泥中硅酸盐矿物水化生成的水化硅酸钙凝胶处于不稳定状态, 分解出Ca (OH) 2, 从而破坏水化硅酸钙凝胶的胶凝性造成混凝土的溃散。
1.4 氧和水的作用
氧参与钢筋腐蚀电化学过程的阴极反应, 因而钢筋的腐蚀速度受到水中溶解氧扩散过程的控制。
阳极反应: Fe→ Fe+++2e (7)
阴极反应:1/2O2+H2O +2e→2OH- (8)
二次反应:Fe+++2OH-→Fe (OH) 2 (9)
如果氧供应充分的话, Fe (OH) 2会逐步被氧化成含水的四氧化三铁Fe3O4·mH2O和含水的三氧化二铁Fe2O3·nH2O。
水不仅可加速混凝土的碳化作用, 也为钢筋的腐蚀提供了条件。
1.5 其它的作用
影响混凝土的耐久性的其它因素还包括冻融交替、干湿交替、微生物、碱-集料反应等。
2 混凝土结构外防腐措施的选择
为了抑制钢筋腐蚀, 提高混凝土结构的耐久性, 可以采取多种防腐蚀措施, 包括:混凝土结构耐久性设计、混凝土防腐蚀配合比设计、混凝土表面涂覆、钢筋表面涂覆、钢筋阻锈剂、混凝土表面硅烷浸渍、阴极保护等。其中, 混凝土表面专用涂料涂覆具有经济、有效、施工便捷的优点, 是目前得到广泛应用的混凝土结构防腐措施。
混凝土表面涂层保护按作用机理分主要有封闭型和隔离型两大类:
(1) 封闭型
将黏度很低的硅烷或水性涂料涂装于已熟化的混凝土表面, 靠毛细孔的表面张力作用吸入深约数毫米的混凝土表层中, 明显降低混凝土的吸水性和氯化物的渗透性, 达到保护混凝土目的。
(2) 隔离型
在混凝土表面涂装有机涂料, 阻隔腐蚀性介质对混凝土表面的侵蚀和渗透。一般作为混凝土表面保护涂料的主要有:环氧涂料、氯化橡胶涂料、丙烯酸涂料、聚氨酯涂料等。 (见图1)
混凝土表面涂覆和混凝土表面硅烷浸渍作为混凝土的两种防护手段, 两者各有利弊。详见表1。
因混凝土表面涂覆防腐技术具有良好的经济性, 现场检测的方便性、可装饰性等特点, 2008年我省沈大与大庄高速公路连接线、土羊高速公路均采用了该种防腐措施。
环氧涂料具有优良的附着力、耐碱性、与其他面漆的良好配套性, 优先选择作为混凝土保护涂料体系的底漆和中间层漆。混凝土保护涂料的面漆目前主要的有聚氨酯面漆、氯化橡胶面漆、丙烯酸面漆、环氧面漆和氟碳树脂面漆等。
2006年我国交通部颁布了《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 (JTG B07-01-2006) , 规定混凝土表面采用油漆涂装进行外防腐方法, 提出环氧系、环氧沥青系、丙烯酸系、聚氨酯系、乙烯系和氯化橡胶系为有效的防腐涂层。
3 混凝土结构外防腐涂料的性能要求
(1) 渗透性
用于混凝土表面的涂料, 其底漆的渗透性必须非常强, 封闭混凝土毛细孔, 粘住混凝土的表面尘土, 增强混凝土表面层强度, 为后道漆的施工提供足够强的基础。
(2) 附着力
底漆与混凝土表面必须具有优良的粘结力。中间漆与底漆和面漆必须相容且附着良好。如果混凝土结构处于潮湿环境或干湿交替环境, 底漆必须具有良好的渗透性和润湿性来牢固地附在混凝土表面。
(3) 耐碱性
混凝土的PH值为12.5, 涂料必须具有良好的耐碱性。
(4) 抗氯离子渗透性
混凝土外防腐涂料复合涂层必须具有良好的抗氯离子渗透性, 以阻截氯离子的渗透。
(5) 耐老化性
面漆不仅要有丰富的色彩可选, 同时还要求在腐蚀大气环境中长期保护良好的耐大气老化性能。
4 结束语
焊接结构的脆性破坏机理与预防 篇5
通过大量焊接结构脆断事故分析发现有下述一些现象和特点。
1.1 破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生, 一般都有断裂碎片散落在事故周围。
断口是脆性的平断口, 宏观外貌呈人字纹和晶粒状, 根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理性断裂。
1.2 脆断时, 裂纹传播速度极高, 当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时, 裂纹就停止扩展。
1.3 若模拟断裂时的温度, 在断口附近材料做韧性实验, 则发现其
韧性均很差, 对离断口较远材料进行力学性能复验, 其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。
2 焊接结构脆断的原因
2.1 影响金属材料脆断的主要因素
同一种金属材料由于受到外界因素的影响, 其断裂的性质会发生改变, 其中最主要的因素是温度、加载速度和应力改变, 而且这三者往往是共同起作用。
2.1.1 温度对材料断裂性质影响很大。
随着温度降低, 材料的屈服应力和断裂应力增加。而反映材料塑性的断面收缩率却随温度降低而降低。温度不仅对材料的拉伸性能有影响, 也对材料的冲击韧度、断裂韧度发生类似的影响。随着温度降低, 其韧性和韧度都下降。
2.1.2 应力状态的影响。
物体受外载时, 在不同截面上产生不同的正应力和切应力, 在主平面上作用有最大正应力, 与另一与之垂直的主平面上作用着的最小主应力与主平面成45°角的平面上作用着最大的切应力, 当最大切应力达到屈服强度后产生滑移, 表现为塑性变形。若先达到材料切断抗力, 则发生延性断裂。若最大拉正应力首先达到材料的正断抗力, 则发生脆性断裂。
2.2 影响结构脆断的设计因素
焊接结构是根据焊接工艺特点和使用要求而设计的。设计上, 有些不利因素是这类结构固有特点造成的。因而比其他结构更易于引起脆断。这些因素如下。
2.2.1 焊接连接是刚性连接。
焊接接头是通过焊缝把两母材熔合成连续的, 不可拆卸的整体, 两母材之间已没有任何相对松动的可能。结构一旦开裂, 裂纹很容易从一个构件穿越焊缝传播到另一构件, 断面扩展到结构整体, 造成整体断裂。
2.2.2 结构的整体性, 因而其刚性大。焊接结构这一特点, 导致对应力集中因素特别敏感。
2.2.3 构造设计上存在有不同程度的应力集中因素。
焊接接头中的搭接接头、T形接头和解接头, 本身就是结构上不连续部位。连接这些接头的角焊缝, 在焊趾和焊根处便是应力集中点。
2.2.4 结构细部设计不合理。尤其是细部设计考虑不周, 也会导致缺陷处或几何形状突变、就独联体和应变集中处开始的。
2.3 影响结构脆断的工艺因素
焊接结构在生产过程中一般要经历下料、冷 (或热) 成形、装配、焊接、矫形和焊后热处理等工序。金属材料经过这些工序其材质可能发生变化, 焊接可能产生缺陷, 焊后产生残余应力和变形等, 都对结构脆断有影响。
2.3.1 应变时效对结构脆断的影响。
许多低强度结构钢应变时效引起局部脆化非常严重, 它大大降低了材料延性, 提高了材料的脆性转变温度, 使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降。热 (动) 应变时效对脆性的影响比作硬化后的应变时效更大, 即前者的脆性转变温度高于后者。
2.3.2 焊接接头非均质性的影响。
焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题, 以及焊接的快速加热与冷却, 使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这种非均质性对结构脆断有影响。
1) 焊缝金属与母材性能不匹配。结构钢焊接在选择焊接填充金属时, 总是以母材强度为依据。由于焊材供应或焊接工艺需要等原因, 可能有三种不同强度匹配情况, 即焊缝金属强度略高于母材, 等于母材强度, 略低于母材强度的匹配。这三者只考虑了强度问题, 因而不够全面。通常强度特别高的钢材其延性和韧性相对较差。相反, 强度级别低的钢材其延性的韧性相对都较好。很难做到既等强度又等韧性的理想匹配。
2) 接头金相组织发生变化。焊接局部快速加热和冷却的特点, 使焊缝和热影响区发生一系列金相组织的变化, 因而相应地改变了接头部位的缺口韧性。
4) 焊接工艺缺陷的影响
焊接接头中易产生三种缺陷:平面缺陷、体积缺陷、成形不佳。这三类缺陷中以平面缺陷对结构断裂影响最为严重, 而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响最甚。
平面缺陷中若裂纹位于高值拉应力区, 就更容易引起低应力破坏。体积缺陷也同样是削减工作截面而造成结构不连续, 也是产生应力集中的部位, 它对脆断的影响程度决定于缺陷的形态和所处位置。焊接角变形越大, 破坏应力也越低。
3 防止焊接结构脆性破坏的措施
材料在工作条件下韧性不足, 结构上存在严重应力集中和过大的拉应力是造成结构脆性破坏的主要因素。若能有效地解决其中一方面因素所存在的问题, 则发生脆断的可能性将显著减小。通常从选材、设计和制造三方面采取措施来防止结构的脆性破坏。
3.1 正确选用材料
所选钢材和焊接填充金属材料应保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。通常是从缺口韧性和断裂韧度两方面进行材料选定。
3.1.1 按缺口韧性试验选择材料。
对某一用途的钢材, 在什么温度下, 用什么冲击试样以及冲击值应达到多少才符合设计要求, 各国家和部门都有标准和规定。
3.1.2 按断裂韧度来选择材料。
当选择某一用途的结构材料时, 必须综合考虑强度和韧度两方面的要求。抗裂比大的材料, 容易因强度不够而失效, 这属于传统强度条件解决的问题。抗裂比小的材料, 则容易因断裂韧度不足而引起低应力的脆性断裂, 而使强度未得到充分发挥。所以选材最理想的情况是同时满足传统的强度条件和断裂力学断裂准则, 这样确定材料的屈服极限可达到最优的强度水平。
3.2 合理的结构设计
设计有脆断倾向的焊接结构, 应注意以下几个原则。
3.2.1 尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。
1) 应尽量采用应力集中系数小的对接接头, 避免采用搭接接头。2) 尽量避免断面有突变。3) 避免焊缝密集, 焊缝之间应保持一定的距离。4) 焊缝应布置在便于施焊和检验的部位, 以减少焊接缺陷。
3.2.2 减小结构刚度
在满足使用要求下, 尽量减小结构的刚度。刚度过大会引起对应力集中的敏感性和大的拘束应力。
3.2.3 避免过厚截面
不采用过厚的截面, 厚截面结构容易形成三向拉应力状态, 约束塑性变形, 而降低断裂韧性并提高脆性转变温度, 增加了脆断危险。
3.3 制造
有脆断倾向的焊接结构制造应注意以下几点
3.1对结构上任何焊缝都应看成是工作焊缝, 焊缝内外质量同样重要。
3.2在保证焊透的前提下减少焊接热输入, 或选择热输入量小的焊接方法。
3.3 充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响。尤其是结构上受拉边缘, 要注意加工硬化, 一般不用剪切而用气割或刨边机加工边缘。
3.4 减小或消除焊接残余内应力。
焊后热处理可消除焊接残余应力。同时也能消除冷作引起的应变时效和焊接引起的动应变时效的不利影响。
4 结束语
为防止重要焊接结构发生脆性破坏, 除采取上述措施外, 在制造过程中还要加强质量检查, 采用多种无损检测手段, 及时发现焊接缺陷。在使用过程中也应不间断地进行监控。发现不安全因素及时处理, 能修复的须及时修复。才能有效防止脆断事故的发生。
摘要：焊接结构应用以来, 曾发生过一些脆性断裂事故。这些事故无征兆, 是突然发生的。一般都有灾难后果, 所以必须予以高度重视。引起焊接结构脆断的原因是多方面的, 它涉及材料选用、构造设计、制造质量和运行条件等。防止焊接结构脆断是一个系统工程, 光靠个别试验或计算方法是不能确保安全使用的。
混凝土硫酸盐侵蚀机理与影响因素 篇6
研究混凝土硫酸盐侵蚀作用的重要意义在于硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的关键性因素。混凝土是由水泥、水、骨料、外加剂等组成的三相堆聚结构。其中, 核心原料水泥是由硫酸三钙C3S、硅酸二钙C2S、铝酸三钙C3A、铁铝酸四钙等组成, 与其他填料混合搅拌后, 发生水化反应, 生成水化硅酸钙3Ca Og2Si O23H2O、水化硅酸钙凝胶C-S-H、氢氧化钙Ca (OH) 2、水化铝酸钙4Ca Og Al2O3g3Ca SO4g3l H2O等水化产物。这些水化产物使得混凝土强度得到发展的同时, 部分也成为了硫酸盐侵蚀破坏作用的“元凶”。1892年Michalis提出, 在当时被称为“水泥杆菌”, 其实质就是钙矾石。在100多年的研究过程中, 越来越多的问题得到科学的阐释, 今后研究人员也将面临更多问题的挑战。
1. 侵蚀机理
1.1 物理硫酸盐侵蚀
硫酸盐侵蚀作用是极其复杂的反应过程, 从研究结果看, 既包括化学反应, 又包含物理作用。
如Na2SO4和Mg SO4吸收水分后, 其浓度超过其溶解度, 使其析出晶体, 体积膨胀, 产生结晶压力, 引起混凝土产生裂缝, 这些裂缝成为了离子通道, 在一定程度上加快了腐蚀作用。这种破坏常发生在干湿交替区和冻融循环区。
1.2 产生石膏晶体侵蚀破坏 (G岩破坏)
目前, 在学术界的普遍共识是, SO42-的浓度高低决定晶体形成的种类, 在SO42-浓度低于1000ppm/L时, 只有钙矾石晶体形成, 随着SO42-浓度的逐渐增大, 钙矾石晶体形成量和石膏晶体形成量呈此消彼长的趋势, 并存在过渡区, 只有当SO42-相对较高时, 石膏晶体才会成为主导因素。
由离子平衡原理可知, SO42-和Ca2+浓度大于Ca SO4浓度时, 石膏晶体会析出, 其离子反应方程式为:
由此可见, 二水石膏晶体的体积膨胀不仅造成了裂缝产生, 同时为离子提供了移动通道, 对混凝土防腐工程产生不利影响。
1.3 钙矾石晶体的产生 (E盐破坏)
侵蚀溶液中SO42-小于1000ppm/L时, 认为只有钙矾石晶体生成, 以Na2SO4水溶液为例, 其离子反应方程式为:
其中, 3Ca Og A12O3g3Ca SO4g31H2O为钙矾石, 从其分子式中不难看出, 其结合了大量结晶水, 所以比原来水化铝酸钙4Caog Al2O3gl2H2O体积增加了1.5倍, 并产生了240Mpa的局部应力, 加之针状结晶产生的微观应力集中, 会综合作用于混凝土结构, 造成破坏作用。其破坏特征为混凝土表面呈白色, 棱角首先破坏, 后发展产生开裂和剥蚀, 最终使混凝土易碎并且松散, 从宏观上看, 破坏由延性瞬间变为脆性, 对工程的危害不言而喻。
1.4 镁盐侵蚀
一般认为镁盐侵蚀是混凝土硫酸盐侵蚀中破坏作用最大的一种, 因为它不仅发生普通硫酸盐侵蚀, 更有镁盐侵蚀, 两者相互叠加, 加大了破坏作用。其反应原理如下:
侵蚀溶液中Mg2+和SO42-都与Ca (OH) 2发生反应, 这使得环境PH值不断降低, 由化学平衡原理可知, 水化硅酸钙胶体C-S-H分解生成越多Ca (OH) 2就会有越多的Mg2+和SO42-与其发生化学反应, 而由石膏晶体和钙矾石晶体造成的体积膨胀使离子通道产生和扩大, 又加快镁盐侵蚀的破坏作用。作为水泥中主要胶凝剂的C-S-H不断分解势必降低混凝土强度, 严重时, 会造成混凝土结构溃败。
2. 硫酸盐侵蚀影响因素
2.1 内因
2.1.1 混凝土的种类和组成
铝酸三钙和硅酸三钙是影响硅酸盐系水泥硫酸盐侵蚀的两个重要指标。铝酸三钙过多会生成过多的钙矾石, 而硅酸三钙过多会生成石膏晶体, 因此为防止混凝土硫酸盐侵蚀, 水泥中铝酸三钙和硅酸三钙的量需根据相关要求严格控制。
2.1.2 水灰比和密实度
水灰比越小、密实度越大则水泥浆体的致密程度越高, 混凝土间隙小则离子渗透作用发生较慢, 有助于减缓硫酸盐侵蚀速度。
2.1.3 掺料的种类和用量
粉煤灰、矿渣、硅灰活性掺合料的合理掺入对混凝土抗硫酸盐性能有很好的提高。粉煤灰掺量较大时, 抗硫酸盐性能更好, 但掺大量粉煤灰混凝土在干湿交界处由于盐结晶作用更容易产生表面剥蚀。矿渣量达到60%时才能有利于提高混凝土的抗硫酸盐性能;硅灰掺量5%比掺量10%表现更好。
2.2 外因
2.2.1 侵蚀溶液中SO42-的浓度
Biczok认为, SO42-浓度不同导致硫酸盐侵蚀作用的生成物也不同, 低浓度硫酸盐溶液与含铝酸三钙的水泥生成钙矾石, 在高浓度的硫酸盐溶液与低含量硅酸盐生成石膏, 含量介于两者之间时, 产物为石膏和钙矾石, 在硫酸纳环境中, SO42-浓度小于1000ppm/L时, 产物主要是钙矾石, 大于8000ppm/L时, 产物主要是石膏, 浓度处于中间便两者都有。在硫酸镁环境下, SO42-浓度小于4000ppm/L时, 则产物主要是钙矾石, 大于7500ppm/L时, 产物为石膏, 浓度介于两者之间, 则两者都有。
2.2.2 PH值和温度
PH值和温度的变化不仅会影响混凝土硫酸盐侵蚀的速度, 同时也影响其破坏程度。相关实验表明, PH值的降低, 混凝土的抗侵蚀性能下降;温度升高会加速硫酸盐的侵蚀。
2.2.3 氯离子
Cl-的渗透作用大于硫酸根离子, 在硫酸根离子与Cl-共存时, 水泥石中水化氯酸钙先与硫酸根离子反应生成钙矾石, 当硫酸根离子被耗尽后再与Cl-反应, 由于Cl-的渗透速度大于SO42-, 因此Cl-先行渗入并与氢氧根置换
当氯离子浓度较高时, 氯离子与水化铝酸钙反应生成三氯铝酸钙:
由于水化氯酸钙的减少, 使钙矾石结晶数量减少, 从而减轻硫酸盐侵蚀破坏程度。
参考文献
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[3]元强等.混凝土硫酸盐侵蚀机理及影响因素[J].河南建材, 2005.
[4]李庆伟.从化学反应角度看混凝土中的硫酸盐侵蚀[J].商丘职业技术学院学报, 2008.
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[6]H.T.Cao, L.Bucea, A.Ray, S.Yozghatlian.The effect of cement combisition and PH of environment on sulfate resistance of Poftland cements and blended cements.Cem Conor Com.1997.
混凝土结构与机理 篇7
从工程应用的角度上讲, 阻尼是描述工程结构如何将广义振动的能量转换成可以耗损的能量的术语, 是振动结构能量耗散的各种因素的总称。混凝土是一种弹塑性材料, 其基本组成为胶凝材料 (如水泥) 、水、砂子和石子, 另外还常加入适量的掺合料和外加剂, 它至少包含7个相, 即粗骨料、细骨料、未水化水泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔和引进的气孔。当混凝土材料受到振动时, 内部质点之间, 甚至相之间产生摩擦和振动, 振动能与内部孔壁发生摩擦等, 使振动能被衰减, 这些都是混凝土产生阻尼的原因。
混凝土材料是土木工程中的主要材料, 良好减振性能 (高阻尼) 的混凝土, 可较好地缓解偶然荷载、风载、海浪、地震等对建筑物引起的危害, 可增强建筑结构的可靠性和舒适性[1], 近年来它的研究内容正在发生重大转变, 新型高阻尼、高强度混凝土材料的研究是当前功能材料领域的一个热点课题[2,3]。
2 混凝土界面与界面弱化的提出
众所周知, 混凝土的物理力学性能及其耐久性主要取决于水泥石、骨料及二者的界面结合性能, 而水泥石与骨料之间的界面粘结区域是混凝土的薄弱环节, 界面的结合情况对混凝土的性能有着重要影响。1962年, J Lyubimove等人[4]首先在细观级上对界面进行深入研究, 提出界面过渡区的概念。他们用显微硬度测试技术发现在靠近骨料表面处, 硬度最小, 向基体方向移动, 硬度逐渐增加, 呈梯度变化, 到100μm以后达到常数。界面过渡区内从骨料表面到水泥浆本体, 孔隙率由大到小、晶体粒子由多到少及择优性逐渐变弱等不利的梯度分布现象的叠加构成了界面薄弱区。可以推断, 骨料-水泥界面同样是影响混凝土阻尼性能的重要因素之一, 本文现就曾有试验数据的基础上对混凝土界面因素的影响机理做出一定分析。
目前主要界面研究文献主要旨于提高混凝土强度性能和耐久性能, 所以改善这一界面的组成、结构与性能, 即界面强化, 是大量研究文献的研究内容。目前改善界面区微观结构的方法主要有两种[5]:一是掺入矿物掺合料;二是从集料表面入手改变这一薄弱的区域。比如用酸碱溶液对集料表面进行处理, 用有机偶合剂或环氧树脂涂抹在集料的表面, 用矿渣作为集料。
如果减弱骨料-水泥石界面的粘结强度, 混凝土抗压强度将降低, 同时增加相之间的摩擦和振动机会, 混凝土消耗能量的能力增加, 则对提高阻尼性能有利。所以, 在不改变普通混凝土的组成成分的条件下, 笔者曾通过试验从骨料界面入手, 提出界面弱化的思想, 以期为配制高阻尼混凝土打下基础, 并研究界面粘结强度与阻尼比的关系。
3 不同类型骨料界面对阻尼比的影响机理
3.1 不同抗压强度的骨料界面机理
混凝土内各相之间的振动和摩擦是产生阻尼的主要原因之一, 骨料与水泥石之间的界面粘结区域是混凝土的薄弱环节, 骨料与水泥石的接触界面越大, 之间振动和摩擦的机会越多, 混凝土阻尼比就越大。
随着混凝土抗压强度的降低, 混凝土试件中的细骨料用量增加, 水泥用量减少, 所以混凝土的密实度降低, 骨料界面的粘结面积增大, 在外界激励下, 混凝土内产生阻尼的机会增加。试验测试结果[6]证明, 混凝土阻尼比值随抗压强度的提高而降低。
注:第*组表示在不同响应频率条件下 (即试件尺寸不同) , 以下同。
3.2 骨料表面特征的影响
界面的粘结强度很大程度上取决于骨料表面的粗糙程度, 表面越粗糙, 水泥石与骨料在界面的剪切强度越大, 同时粘结区面积越大, 当骨料从规则的几何体到毫无规则的几何体时, 界面粘结强度约提高了3倍[7]。
我们以常见的3种粗骨料:碎石、卵石和轻骨料来分析, 其中卵石的表面相对最光滑, 且呈惰性, 混凝土拌合过程中, 骨料表面易形成水膜, 阻碍水泥砂浆在骨料表面的附着, 所以界面粘结强度相对最小;碎石经过破碎加工, 其表面有新鲜的缺陷、扭折和错位以及由于“断健”而存在表面剩余键力, 有利于与水泥浆体进行化学反应形成强粘结的界面;而轻骨料粒径相对最小, 则总粘结表面积最大, 且轻骨料本身多孔, 在新拌混凝土中具有吸水和供水作用, 吸水作用使得轻集料附近处于局部低水灰比状态, 因此减少或避免了集料下部由于内分层作用而形成的“水囊”, 避免了界面处Ca (OH) 2的富集和定向排列, 提高了集料与水泥的界面粘结力, 有试验研究发现[44]:普通高强水泥混凝土界面过渡区板状Ca (OH) 2晶体量多于水泥石基体, 界面区存在Ca (OH) 2富集现象, 界面区存在较多的裂纹和孔洞;而轻集料混凝土界面区水泥水化产物的组成与基体基本相同, 不存在Ca (OH) 2晶体富集和定向排列现象, 界面区基本没有裂纹, 水泥水化产物嵌入轻集料内, 形成了水泥与轻集料“嵌套”在一起的整体结构。所以, 轻骨料与水泥石的粘结强度较前两种骨料高。界面粘结模型如图2所示。
同样, 试验数据[6]证明:在抗压强度相近的条件下, 卵石混凝土阻尼比>碎石混凝土阻尼比>轻骨料混凝土阻尼比。所以, 界面粘结强度对混凝土阻尼比有重要的影响, 阻尼比随骨料粘结强度的减小而提高, 进一步设想, 如果对各骨料的表面进行弱化处理, 阻尼比应该提高。
3.3 骨料表面涂油对阻尼比的影响机理
对粗骨料表面进行弱化处理有多种方法, 从经济角度出发, 可尝试采用在骨料表面涂抹普通机油的方法。对粗骨料涂油, 至少产生两个方面的影响:第一, 机油包裹骨料表面形成油膜, 阻碍了骨料的吸水作用, 使骨料表面更容易生成水膜, 从而阻碍了骨料与水泥石之间化合作用, 使骨料与水泥石之间的化学结合层变薄、变弱;第二, 涂油后的骨料表面变光滑, 与水泥石的机械啮合力减小。随着界面粘结强度的减小, 涂油后混凝土抗压强度下降, 骨料与水泥石之间的滑动摩擦和振动增加, 提高了混凝土消耗能量的能力。
从试验测得的数据[8]得出, 在配合比不变的情况下, 对粗骨料 (以卵石为例) 涂油后, 混凝土试件抗压强度下降, 而阻尼比明显提高, 结果验证, 界面弱化后阻尼比提高的理论是正确的。
然而弱化界面导致混凝土力学性能下降, 这与提高阻尼比形成一对矛盾, 混凝土作为土木工程中承重结构材料, 研究混凝土阻尼特性时, 必须兼顾其抗压强度和弹性模量等力学性能。试验[6]也曾选取强度相近的混凝土试件做比较, 其中粗骨料涂油试件阻尼比略高于普通试件阻尼比, 这体现了高阻尼混凝土的一定优势, 但还不够理想、明显。所以, 如何通过改变骨料界面来配制高阻尼高性能的混凝土, 将是混凝土阻尼研究以后的目标, 比如对骨料表面进行涂抹环氧树脂、沥青、固化剂、羧基丁苯胶乳等高分子材料。
4 结语
混凝土作为主要的承重结构材料, 广泛应用于各种土木工程中, 高阻尼混凝土对建筑物的防震减灾, 以及降低城市噪声污染和桥梁风振危害等方面有重要意义, 另外随着高新技术飞速发展, 在航空航天、核技术工程和高精密机床等设备安装方面, 建造有良好减振性能的混凝土基础和构件, 减少外界干扰的影响, 确保安装在混凝土上的仪器设备高精度运行, 亦具有极其重要的作用。
高阻尼混凝土材料的研究是从材料的角度出发, 通过提高结构材料的阻尼提高结构自身阻尼, 达到改善结构物的动力性能的目的, 从而有效地抵抗地震等外部冲击。骨料-水泥界面同样是影响混凝土阻尼性能的重要因素之一, 当前, 从各种角度探寻高阻尼混凝土的研究已悄然兴起, 可以相信, 这将成为未来混凝土的一个重要发展方向。
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