对既有结构混凝土耐久性及其优化的研究本科土木论文.docx
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对既有结构混凝土耐久性及其优化的研究本科土木论文
毕业设计（论文）
题目：
对既有结构混凝土耐久性及其优化的研究
姓名
专业土木工程
班级
学号
指导教师
2013年11月
目录
目录i
摘要ii
前言iii
第一章影响混凝土耐久性的要素-1-
1.1渗漏-1-
1.2钢筋锈蚀-2-
1.3碳化-3-
1.4碱骨料反应-3-
1.5侵蚀-4-
1.6外观质量缺陷-5-
1.7其他-6-
第二章既有结构混凝土耐久性改善与优化措施-7-
2.1原材料选择-7-
2.2配合比优化与控制-8-
2.3施工质量控制-8-
2.4混凝土养护温控要求-9-
2.5新技术的应用-9-
结束语-11-
参考文献-12-
致谢-13-
对既有结构混凝土耐久性及其优化的研究
摘要
混凝土的耐久性决定了由其构成的建（构）筑物的耐久性和服役寿命。
浙江省作为建筑业快速发展地区，既有结构混凝土的耐久性并未引起足够的关注和重视。
这显然有悖于当前所倡导的“建筑节能”“低碳经济”等发展战略。
本文以服役年限为20～30年的典型混凝土建（构）筑物为对象，以描述和评定混凝土耐久性的物性参数为主要内容展开分析论述，依据分析结果针对混凝土的六类主要弊病进行实地收集各项数据和信息并进行了详尽具体的分析和探讨。
最后通过查阅文献资料和专家访谈，总结了改善和优化混凝土材料耐久性的可行性和实用性较强的方法和措施。
混凝土耐久性的研究不仅对在役钢筋混凝土结构耐久性评定和剩余寿命预测，还可以揭示潜在危险及时做出拆除决策，避免重大事故的发生，而且研究成果可直接用于结构设计。
通过对结构的耐久性分析研究，使所建结构具有足够的耐久性，从而做到防患于未然。
进而对于提高在建钢筋混凝土结构的设计水平和施工质量有重大意义。
关键词：
既有结构；混凝土；既有建（构）筑物；耐久性；耐久性弊病
前言
混凝土作为当今土木建筑业用途最广、用量最大的建筑材料，其耐久性近年来备受业内人士的密切关注，混凝土的耐久性决定了由其构成的建（构）筑物的耐久性和服役寿命。
混凝土的耐久性指其在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。
混凝土耐久性是指结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力。
曾有调查表明，国内大多数工业建筑在使用25～30年后即需大修，环境中的建筑物或构筑物的使用寿命仅为15～20年。
主要以混凝土建造的桥梁、港口、码头等基础设施在建成数年后即出现混凝土开裂、钢筋锈蚀等耐久性问题。
有关专家指出，近年内随着政府的大力投入，我省基础设施建设的高潮仍将延续。
由于片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性，建设高潮过后必将迎来大修高潮，且维修耗资将远大于兴建投资，这方面发达国家和地区已有前车之鉴。
因此，伴随着“可持续发展”“建筑节能”“低碳经济”等思想和战略的提出和实施，建筑物和建筑材料的耐久性问题必将引起全社会的广泛关注。
正是基于这些原因，笔者就浙江省范围内既有建（构）筑物混凝土的耐久性开展了广泛、深入的调查，拟本论文给大家充分了解我省既有建（构）筑物混凝土材料耐久性弊病的现状、诱发原因和机理、所采用的改善和优化措施。
本文从影响混凝土耐久性的各要素进行详述，第一章内容其中包括渗漏，钢筋锈蚀，碳化，碱骨料反应，侵蚀和客观施工质量对混凝土耐久性的影响，更合理的去分析建筑材料降低耐久性的原因和机理。
第二章内容根据其上章详细阐述的影响因素，结合施工中的案例对混凝土的耐久性改善与优化措施给出方案，其中包括原材料的改善，各材料之间配合比优化，管控施工质量，混凝土的定期严格养护温控，采用新一代的优良技术等措施。
第一章影响混凝土耐久性的要素
1.1渗漏
图1某跨江大桥桥面板底面部的孔隙情况。
经统计孔隙分布特征如图1所示，其中2%的孔为大孔，分布呈离散性，孔深1～3mm；9%为中孔，孔深3～45mm，8%为微孔，孔深1～2mm，孔分布不均匀。
孔隙绝大多数为圆形，而且以连通孔居多。
这类连通微孔的存在，大大降低了混凝土的抗渗性。
使得外界溶解于水中的各种有害介质得以侵入混凝土内部，从而与混凝土自身存在的活性物质作用，破坏混凝土的固有属性，使混凝土发生变质。
而且也加速了结构内部钢筋的腐蚀，严重影像了混凝土结构的耐久性和长期性能。
这类孔隙产生的主要原因在于：
混凝土施工过程未充实进行振捣，从而使水泥浆未完全填充孔隙部分；表面抹压操作也不够。
混凝土内部孔隙的存在是导致其抗渗性差的原因之一，但并非唯一原因。
图1某立交桥桥面梁板底部外观特写
混凝土结构（如水池、屋顶、地下室等）出现渗漏现象，首先说明混凝土的抗渗性差。
抗渗性是决定材料耐久性的重要因素。
影响抗渗性的因素有孔的大小和孔结构的形态、配合比、水泥用量、砂率以及灰砂比、骨料及水泥品种。
混凝土发生渗漏的主要原因是其内部孔隙形成连通的渗漏通道。
具有压力的流体将加速通过这些通道，且压力越大，渗漏越严重。
因此影响混凝土抗渗性的内部因素是其自身的密实性和孔隙结构；外部因素则是流体压强的高低。
从内部影响因素分析，只要能提高混凝土密实性的方法和措施都可用于提高混凝土的抗渗性。
事实上，混凝土所遭遇的所有耐久性方面的弊病都可视为源于使用环境中的有害性介质侵入混凝土内部。
1.2钢筋锈蚀
硬化后的混凝土一般呈碱性，混凝土构件中所配置的钢筋在这种碱性环境硬化后的混凝土一般呈碱性，混凝土构件中所配置的钢筋在这种碱性环境中，表面形成一层致密的钝化薄膜，这层钝化膜能有效保护钢筋免于锈蚀。
当碳化深度超过混凝土保护层的厚度到达钢筋表面时，钢筋因表面钝化膜破坏氯离子介入而开始发生锈蚀。
锈蚀生成物因体积膨胀而产生锈胀力，从而导致混凝土保护层开裂，开裂的混凝土又加速了碳化过程，碳化将进一步加剧钢筋锈蚀……如此反复形成恶性循环，最终可能导致混凝土构件的破坏和失效。
钢筋锈蚀的因素很多，混凝土中钢筋锈蚀一般为化学侵蚀，当然也有电化学腐蚀的情形碳化或氯离子侵蚀。
图2某民用建筑现浇混凝土楼板钢筋锈蚀特写
图2反应的是某现浇混凝土楼板底面出现的混凝土保护层胀裂脱落，分析造成此现象的主要原因是钢筋的主要成分是铁碳合金，化学性质活泼，易在潮湿空中发生缓慢氧化——锈蚀。
空气湿度越大，锈蚀越严重。
铁、碳元素之间在一定的条件下形成原电池反应，更加速了钢筋锈蚀。
混凝土呈强碱性，配置于其内部的钢筋因表面形成致密的钝化膜而不易发生锈蚀。
一旦钝化膜遭受破坏，则钢筋就易产生腐蚀。
1.3碳化
混凝土暴露于潮湿空气中时，水泥水化生成的Ca（OH）2易与空气中的CO2作用生成碳酸盐，通常将这一过程称之为混凝土的碳化。
碳化将导致混凝土的碱度降低，因此碳化也被称为中性化。
提高密实度和优化组成材料的成分同样适用于提高混凝土的抗碳化能力。
图3某结构构件混凝土表面碳化测试结果特写
图3是由于混凝土暴露于潮湿空气中时，水泥水化生成的Ca（OH）2（呈强碱性）易与空气中的CO2作用生成碳酸盐（呈中性），通常将这一过程称之为混凝土的碳化。
碳化将导致混凝土的碱度降低，因此碳化也被称为中性化。
碱性指示剂遇碱变红，而碳化后因碱性消失，因此颜色不发生变化。
潮湿的空气与CO2作用形成碳酸（弱酸），因此碳化的本质即酸碱中和反应。
除混凝土呈碱性的内部因素外，潮湿的环境势必加速其碳化速率。
碳化一方面使混凝土的碱性环境被破坏，使得其内部钢筋表面的钝化膜遭受破坏而易发生锈蚀；另一方面，碳化也降导致混凝土发生收缩从而可能开裂。
国内外很多专家学者提出了自己的混凝土碳化模型和碳化深度计算公式，根据碳化深度可初步估计和评价混凝土的耐久性和使用年限。
1.4碱骨料反应
如果混凝土的组分选用和配方设计不合理，也可能诱发耐久性弊病（如图4）。
此处不妨以混凝土的碱－骨料反应为例加以说明。
当混凝土原材料（主要指水泥）中所含的碱（Na2O和K2O）与骨料中可能含有的活性成分（如活性SiO2）在混凝土硬化数年后，二者逐渐发生化学反应（即碱骨料反应）。
反应生成物吸水膨胀，产生的膨胀力可能导致混凝土开裂。
因此，为了避免这一因原材料相容性问题而诱发的耐久性弊病的发生，应注意控制原材料的碱含量和骨料的活性。
图4某跨江大桥因混凝土碱骨料反应导致的结构表面龟裂特写
造成图4的主要原因是由于接缝部位初始标高一致，接缝两侧相平，一旦两侧混凝土因碱骨料反应发生的膨胀不一致时，接缝即出现错台。
表面泛白主要是由于混凝土内部的Ca（OH）2溶出风干而成的晶体。
1.5侵蚀
混凝土的抗侵蚀性与所用水泥和其他胶凝材料的抗腐蚀性直接相关。
相比之下，骨料是惰性的，一般不易被侵蚀。
视实际需要不同，混凝土的使用环境复杂多变，在这些或恶劣或温和的环境中，或多或少地存在着各种不同的侵蚀性介质。
当这些侵蚀性介质通过连通孔隙侵入混凝土内部，与水泥石中的易被腐蚀的成分（Ca（OH）2和水化铝酸盐等）接触，
图5某近海混凝土公路桥桥墩侵蚀实况
随即发生化学反应，从而破坏了水泥石的有机构成和微观结构。
很显然，水泥石被腐蚀破坏后，混凝土的强度必然受到严重影响。
从图5中容易看出，常规水位以下部分的混凝土受海水腐蚀严重。
显然这类腐蚀若不加以控制降继续恶化。
富含钠、钾和铵等阳离子的硫酸盐的地下水、盐沼水或海水侵入到混凝土表面和空隙内，产生了下述反应生成硫酸钙：
Ca（OH）2+Na2SO4→CaSO4+2NaOH生成的硫酸钙继续与水化铝酸三钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙晶体（又称钙矾石）3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaSO·2H2O）+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·3lH2O所生成的钙矾石晶体呈针状且体积剧烈膨胀，从而导致水泥石结构破坏。
1.6外观质量缺陷
（1）麻面。
模板表面粗糙，拆模板时混凝土表面被粘坏。
模板未浇水湿润或湿润不够，构件表面混凝土的水分被吸去，使混凝土失水过多出现麻面。
模板隔离剂涂刷不匀，
混凝表面与模板粘结造成麻面。
混凝土振捣不实，气泡未排出停在模板表面形成麻面（如图6）。
图6某写字楼麻面现象
处理方法：
在浇灌混凝土前，模板表面要清理干净，不得粘有干硬水泥砂浆等杂物；模板缝应浇水充分湿润；模板缝隙应用包装胶带纸或腻子等堵严，模板隔离剂应选用长效的涂刷均匀，不得漏刷；混凝土分层均匀振捣密实，并用木锤敲打模板外侧使气泡排出为止。
表面作粉刷的可不处理，表面无粉刷的就在麻面局部浇水充分湿润后，用原混凝土配合比去石子砂浆，将麻面抹平压光。
（2）蜂窝。
混凝土配合比不当，石子、水泥材料加水不准造成砂浆少，石子多。
混凝土搅拌时间不够，末拌均匀，和易性差振捣不密实。
下料不当或下料过高，末设串简使石子集中，造成石子、砂浆离折。
混凝土末分层下料，振捣不实或漏振或振捣时间不够。
模板缝隙不严密，水泥浆流失。
钢筋较密，使用石子粒径过大或坍落度过大。
基础、柱子、墙根部位末稍加间歇就继续灌上层混凝土（如图7）。
图7某住宅楼蜂窝现象
处理方法：
严格控制混凝土配合比，经常检查作到计量准确，混凝土拌合均匀，坍落度适合，砼下料高度超过2m应设串筒或溜槽浇灌应分层下料、振捣，防止漏振，模板应堵塞严密，基础、柱子、墙根部应在下部浇完间隔1~1.5h沉实后再浇灌上部混凝土，避免出现“烂脖子”。
小蜂窝：
先洗刷干净后，用1:
2或1:
2:
5水泥砂浆抹平压实，较大的蜂窝：
先凿去蜂窝处薄弱松散颗粒刷洗净后，用高一级的细石砼填塞捣实，较深的蜂窝如清除困难，可埋压浆管、排气管，表面抹砂浆或灌筑混凝土封闭后进行水泥压浆处理。
1.7其他
（1）混凝土柱“软顶”现象
柱顶部砂浆多，石子少，表面疏松、裂缝。
其主要原因是：
混凝土水灰比大，坍落度大，浇捣速度过快，未分层排除水分，到顶层未排除水分并二次浇捣。
（2）缺棱掉角
处理方法为：
模板面清理干净，不得粘有干硬水泥砂浆等杂物。
板模在混凝土浇筑前应充分湿润，混凝土浇筑后应认真浇水养护；混凝土必须按操作规程分层均匀振捣密实，严防漏浆；拆除柱模板时，混凝土也具有足够的强度；拆模时不能用力过猛、过急，注意保护棱角；加强成品保护，对于处在人多运料等通道时，混凝土阳角要采取相应的保护措施。
第二章既有结构混凝土耐久性改善与优化措施
影响混凝土耐久性的主要因素有抗渗性，钢筋锈蚀，碱骨料反应，碳化和侵蚀等，而导致这些反应的共同因素是材料和配合比的选择以及施工的方法和控制。
所以为了改善耐久性，应根据不同的环境选择原材料，控制配合比选用合理的养护方式，并把研究出的可以提高耐久性的材料技术运用到实际施工中。
2.1原材料选择
在制配混凝土中，水泥的强度和品种、骨料、减水剂各种掺加材料对混凝土的强度都会产生影响，水泥宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合材宜为矿渣或粉煤灰。
除水泥国标外，原材料应满足除国标外，应满足下表1、表2规定：
表1原材料技术要求表
序号
项目
技术要求
1
比表面积
≤350m2/kg（硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥）
2
80µm方孔筛筛余
≤10.0%（普通硅酸盐水泥）
3
游离氧化钙含量
≤1.0%
4
碱含量
≤0.80%
5
熟料中的C3A含量
≤8%，氯盐环境下≤10%
6
氯离子含量
不宜大于0.10%（钢筋混凝土）
≤0.06%（预应力混凝土）
注：
1、当骨料具有碱—硅酸反应活性时，水泥的碱含量不应超过0.60%。
2、C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。
表2混凝土材料检验要求表
检验项目
进场检查
复检
日常检验
项目
频次
项目
频次
项目
频次
水
泥
烧失量
氧化镁含量
三氧化硫含量
碱含量
比表面积
√
更换料源或每批进货时核查供应商提供的报告
√
下列任一情况为一批，每批检验一次：
任何新选货源；
②同厂家、同编号、同品种、同出厂日期的水泥出厂日期达3个月。
同厂家、同编号、同品种、同强度等级、同出厂日期的散装水泥每500t（袋装水泥每200t）检验一次，当不足500t或200t时，也需检验一次。
细度
凝结时间
安定性
强度
√
√
√
游离氧化钙含量
助磨剂名称及掺量
石膏名称及掺量
混合材名称及掺量
氯离子含量
熟料C3A含量
√
2.2配合比优化与控制
选择合理的水灰比及灰砂比，骨料级配提高其耐久性。
水灰比：
硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥为0.44；火山灰水泥、粉煤灰水泥为0.46。
一般灰砂比在1：
2.0～1：
2.5之间。
控制混凝土中砂浆的数量和质量，控制混凝土结构的形成，改善混凝土结构的内部构造。
2.3施工质量控制
提高混凝土的密实度是优化其耐久性的最有效手段，且采用这一手段所产生技术经济效果也将是最好的。
密实度的提高主要依靠施工阶段对混凝土浇筑、振捣工艺的严格控制和改进。
一方面施工期间应严格控制混凝土的配合比，特别是杜绝随意给混凝土加水的方法增大混凝土的坍落度；另一方面加强振捣，既不漏振，也不过振，控制好振捣时间。
必要时（如钢筋特别密集部位、结构构件断面较小情况）优先采用自密实混凝土。
此外，混凝土的养护控制也十分关键，若养护不当，则混凝土不能在规定龄期内达到需要的强度，更重要的是其耐久性也会因“先天不足”而难尽如人意。
当然，养护的方法、制度及措施很多，适用条件也各有不同，应结合具体情况选用合理有效的养护方法。
2.4混凝土养护温控要求
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（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℃。
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，同时不同混凝土潮湿养护的最低期限也应满足表3要求：
表3不同混凝土不同养护期限表
混凝土类型
水胶比
大气潮湿（50%＜RH＜75%）,无风，无阳光直射
大气干燥（RH＜50%）,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
潮湿养护期限
T（℃）-+
（d）
胶凝材料中掺有矿物掺合料
≥0.45
5≤T＜10
21
5≤T＜10
28
10≤T＜20
14
10≤T＜20
21
20≤T
10
20≤T
14
＜0.45
5≤T＜10
14
5≤T＜10
21
10≤T＜20
10
10≤T＜20
14
20≤T
7
20≤T
10
注：
大体积混凝土的养护时间不宜小于28d。
2.5新技术的应用
（1）橡胶轻集料混凝土。
它是指用普通轻集料、胶结材料及一定量、一定细度的橡胶细集料配置而成的,干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土。
橡胶微粒连成网状细微的连通孔洞，增大了毛细孔阻力，可以降低混凝土的渗透性。
另外橡胶微粒有憎水性,在橡胶微粒的表面形成了一层憎水膜,增大了液体渗流的阻力,降低了毛细孔的抽吸作用,从而使混凝土的抗渗性得以提高。
掺入橡胶集料会使抗渗性进一步的提高。
（2）防裂纤维的应用。
其是一种防止混凝土产生裂缝较好的新型材料,已在柳州市防洪工程中得到应用。
防裂纤维可以在对抗裂要求严格的;对抗渗要求较高的，对抗冲击要求较高的，对抗震要求较高的，对表面要求严格的，对温度裂缝、抗冻要求较高的，对混凝土内部粘结性能要求较高的，对抗酸、抗碱、抗腐蚀要求严格等的混凝土工程中应用。
（3）掺矿物外加剂。
为了提高混凝土的耐磨性可掺入粉煤灰，掺粉煤灰和矿渣均可提高混凝土的抗渗性，掺入复合外加剂可以抑制混凝土的收缩，减少混凝土的收缩量。
（4）掺入氨基磺酸盐高效减水剂。
混凝土含气量的增加，孔结构的变化，抗冻性能、抗渗性能的提高，使混凝土的耐久性得到了很大的改善。
结束语
由于混凝土材料自身缺陷的存在，耐久性弊病往往难以避免，而只能有效的减轻或缓和。
因此采取有效的措施或手段优化或改善混凝土的耐久性是今后研究和探索的重要方向。
本片论文笔者针对既有建（构）筑物的混凝土耐久性进行了实地调研，综合以上分析，可得出如下结论：
（1）调研发现，既有建（构）筑物的混凝土耐久性弊病主要包括渗漏，钢筋锈蚀，碱骨料反应，碳化和侵蚀等6种类型。
（2）针对具有代表性的既有建（构）筑物的混凝土耐久性进行实地调研发现，混凝土的内部孔隙结构和裂缝是影响混凝土抗渗性的关键因素；钢筋锈蚀主要受混凝土保护层厚度和质量的影响；碱骨料反应的诱因在于混凝土组成材料自身的活性（即水泥的碱含量和骨料的活性成分）；碳化就是混凝土内部氢氧化钙的消耗和碱度的降低；混凝土的化学侵蚀主要内因是氢氧化钙和水化铝酸钙的存在，当然这些内因还得通过周围环境中酸性介质和盐类产生作用。
（3）由于混凝土材料自身缺陷的存在，耐久性弊病往往难以避免，而只能有效减轻或缓和。
因此采取有效的措施或手段优化或改善混凝土的耐久性是今后研究和探索的重要方向。
此外影响结构建筑物混凝土结构耐久性因素很多，我们在今后施工过程中还应尽可能地利用本文所述的提高耐久性的方法，采取加固措施的避免再出现同类问题。
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