溷凝土结构的耐久性与安全性PPT课件

混凝土结构的劣化，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在混凝土结构的劣化，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入到混凝土水和离子渗入到混凝土内部内部时就会发生。相互隔离的微裂缝、可见裂缝与时就会发生。相互隔离的微裂缝、可见裂缝与孔隙相连通，就产生渗透。因。因此，此，开裂开裂-渗透-侵蚀是紧密相关的是紧密相关的， 开裂的原因很多开裂的原因很多。自然环境的温度湿度是最基本因素，但这需要很长时间。自然环境的温度湿度是最基本因素，但这需要很长时间。导致混凝土结构较快开裂的原因，往往是为满足现代高速施工所采用的高流动性导致混凝土结构较快开裂的原因，往往是为满足现代高速施工所采用的高流动性和高早强的混凝土拌合物。让我们先从环境基本因素开始。和高早强的混凝土拌合物。让我们先从环境基本因素开始。 P. K. Mehta. Building Durable Structures in The 21st Century. CI. Mar,2001 混凝土结构劣化加速的原因混凝土结构劣化加速的原因第1页/共41页一个不透水，但存在非一个不透水，但存在非连续微裂缝，且多孔的连续微裂缝，且多孔的钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构环境作用（第一阶段）环境作用（第一阶段）（无可见损伤）（无可见损伤）1. 1. 侵蚀作用侵蚀作用（冷热循环、干湿循环）（冷热循环、干湿循环）2. 2. 荷载作用荷载作用（循环荷载、冲击荷载（循环荷载、冲击荷载） 由于微裂缝和孔隙由于微裂缝和孔隙连通起来，不透水性逐连通起来，不透水性逐渐丧失渐丧失环境作用（第二阶段）环境作用（第二阶段）（损伤的开始与扩展）（损伤的开始与扩展）水的渗入水的渗入O O2 2、COCO2 2渗入渗入酸性离子（酸性离子（ClCl- , - , SOSO4 4- -) )渗入渗入A：以下原因使孔隙内静水以下原因使孔隙内静水压增大、混凝土膨胀：钢筋压增大、混凝土膨胀：钢筋锈蚀、碱锈蚀、碱- -骨料反应、水结骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀冰、硫酸盐侵蚀B：混凝土强度与刚度降低混凝土强度与刚度降低开裂、剥落与整体性丧失开裂、剥落与整体性丧失混凝土受环境因素产生劣化的混凝土受环境因素产生劣化的“整体论整体论”模型模型第2页/共41页 适当的原材料组分，良好的浇筑和养护下的混凝土基本上是不透水的，在适当的原材料组分，良好的浇筑和养护下的混凝土基本上是不透水的，在大部分环境条件下应该具有足够长的使用寿命。大部分环境条件下应该具有足够长的使用寿命。 然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，然而，由于环境的作用，出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是丧失对于上述劣化过程的抵抗力也就是丧失对于上述劣化过程的抵抗力。 现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术中控制开裂控制开裂的基的基本道理给予足够的重视。本道理给予足够的重视。第3页/共41页 长期以来，人们一直认为混凝土的强度与耐久性直接相关，这种长期以来，人们一直认为混凝土的强度与耐久性直接相关，这种观念主宰着耐久混凝土的配合比设计观念主宰着耐久混凝土的配合比设计。 20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律：即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建料科学的基本规律：即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。第4页/共41页 在认识和控制混凝土劣化的主要原因，包括钢筋锈蚀、冻融循环作用、在认识和控制混凝土劣化的主要原因，包括钢筋锈蚀、冻融循环作用、碱碱骨料反应和硫酸盐侵蚀方面，已经取得很大进展。骨料反应和硫酸盐侵蚀方面，已经取得很大进展。 然而然而根据规范、指南修建的大量结构物，在远未达到预计的使用寿命之前根据规范、指南修建的大量结构物，在远未达到预计的使用寿命之前就已经破坏。原因是就已经破坏。原因是基于现代知识基础上的规范以及试验方法，基于现代知识基础上的规范以及试验方法，仍然是以简化耐仍然是以简化耐久性问题的混凝土科学为依据的久性问题的混凝土科学为依据的。如果我们的结构设计、材料标准和施工实践都符合要求，为什么还面临如此如果我们的结构设计、材料标准和施工实践都符合要求，为什么还面临如此众多的耐久性问题呢？众多的耐久性问题呢？第5页/共41页混凝土结构为什么会提前开裂混凝土结构为什么会提前开裂? 为了控制混凝土的开裂，首先要对产生开为了控制混凝土的开裂，首先要对产生开裂的原因有充分的了解。事实上，混凝土是否裂的原因有充分的了解。事实上，混凝土是否出现开裂，总体上取决其出现开裂，总体上取决其内应力的积累与抗拉内应力的积累与抗拉强度（更确切地说，是断裂能）的相对大小强度（更确切地说，是断裂能）的相对大小。影响混凝土的内应力，除了收缩及膨胀变形外，影响混凝土的内应力，除了收缩及膨胀变形外，还有还有徐变徐变能力，以及在结构中所受能力，以及在结构中所受约束约束大小程大小程度。度。第6页/共41页混凝土的收缩与开裂 混凝土在水化硬化过程中要产生混凝土在水化硬化过程中要产生、自生收缩自生收缩、温度收温度收缩缩、干燥收缩干燥收缩等变形，其中哪一种收缩为主，取决水化龄期、环境的温等变形，其中哪一种收缩为主，取决水化龄期、环境的温度和湿度、混凝土体自身温度、构件尺寸大小、混凝土所用材料的特性度和湿度、混凝土体自身温度、构件尺寸大小、混凝土所用材料的特性以及拌合物配合比。以及拌合物配合比。混凝土自身是一种收缩性的材料混凝土自身是一种收缩性的材料第7页/共41页 指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩，与其沉降、泌水程度和指新拌混凝土浇注后尚在塑性状态发生的收缩，与其沉降、泌水程度和表面水分向外蒸发速率相关。表面水分向外蒸发速率相关。 高水灰比混凝土的塑性收缩往往是表面泌水造成。低水灰比（水胶比）高水灰比混凝土的塑性收缩往往是表面泌水造成。低水灰比（水胶比）混凝土拌合物体内自由水少，水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，混凝土拌合物体内自由水少，水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，但表面由于浆体的离析，仍然易于出现塑性收缩开裂。但表面由于浆体的离析，仍然易于出现塑性收缩开裂。（1）塑性收缩塑性收缩第8页/共41页塑性收缩裂缝塑性收缩裂缝第9页/共41页(2)干燥收缩干燥收缩 混凝土与周围环境存在混凝土与周围环境存在湿度梯度湿度梯度，引起水分向外蒸发产生体积收缩的，引起水分向外蒸发产生体积收缩的现象。机理研究认为主要是现象。机理研究认为主要是毛细孔的表面张力作用毛细孔的表面张力作用。由于水分是通过表。由于水分是通过表面向外蒸发，因此表面积面向外蒸发，因此表面积/ /体积比大的构件，干缩就大。体积比大的构件，干缩就大。第10页/共41页（3） 热收缩热收缩（温度收缩）（温度收缩） 混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而膨胀，到达温峰后降温时产混凝土硬化期间由于水化放热产生温升而膨胀，到达温峰后降温时产生收缩变形。升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，且因徐生收缩变形。升温期因混凝土模量还很低，只产生较小的压应力，且因徐变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模增长，而松弛作用减小，受约束时变作用而松弛；降温期收缩变形因弹模增长，而松弛作用减小，受约束时形成大得多的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。形成大得多的拉应力，当超过抗拉强度（断裂能）时出现开裂。第11页/共41页热收缩与热应力 混凝土的抗拉强度很小，因此在冷却时产生的拉应力很容易超过它的强度。例如： 混凝土的热膨胀系数为10106 / 由于水化热产生的温升为1515 则混凝土冷却时的热收缩为150150106 而其弹性模量设为21GPa 如果被完全约束，冷却时的拉应力达3.15MPa 超过一般混凝土的抗拉强度 因此，如果不是由于应力松弛，很可能要开裂第12页/共41页(4)自生收缩自生收缩 混凝土在没有温度变化，没有和外界发生水分交换，也不受力的条件下发生的表观体积变形称自生变形，自生变形时体积减小称自生收缩。混凝土发生自生变形的原因，是由于化学减缩水泥（及掺合料）和水发生水化反应绝对体积减小的现象。第13页/共41页洞庭湖大桥边梁上的裂缝（C60砼）第14页/共41页洞庭湖大桥边梁上的裂缝（C60砼）第15页/共41页洞庭湖大桥为什么开裂？洞庭湖大桥为什么开裂？1.盲目地提高设计强度等级盲目地提高设计强度等级,致使混凝土早期强度发展更加迅速，弹性模量随之很快上致使混凝土早期强度发展更加迅速，弹性模量随之很快上升，产生很大的弹性拉应力；升，产生很大的弹性拉应力；2. 高强混凝土徐变对变形受约束产生的应力松弛作用差；高强混凝土徐变对变形受约束产生的应力松弛作用差；3. 高强混凝土水胶比低，早期自生收缩剧烈；高强混凝土水胶比低，早期自生收缩剧烈；4. 混凝土浇注时间长，湿养护不及时；混凝土浇注时间长，湿养护不及时；5. 浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。浇注时节气温高，加速水泥水化，温升大。第16页/共41页混凝土的延伸性与开裂 外界荷载和温湿度作用引起混凝土变形的重要性，主要在于它们的交叉影响是否会导致开裂。收缩应变大小仅仅是导致混凝土开裂的一方面原因，另一方面还有： 弹性模量 弹性模量越小，一定量收缩引起的弹性拉应力越小，因此，早期的塑性阶段开裂机会较少。 徐变 徐变越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小，因此，徐变减少开裂。 抗拉强度 抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险越小，因此，晚期开裂机会减少。 第17页/共41页徐变徐变 硬化混凝土收缩应变受约束的条件下，引起弹性拉应力产生，可近硬化混凝土收缩应变受约束的条件下，引起弹性拉应力产生，可近似地看作弹模与应变的乘积；当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，材料出现似地看作弹模与应变的乘积；当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，材料出现开裂。但是由于混凝土的粘弹性（徐变），一部分应力释放（徐变产生的应开裂。但是由于混凝土的粘弹性（徐变），一部分应力释放（徐变产生的应力松弛），因此残余应力才决定混凝土是否会开裂。力松弛），因此残余应力才决定混凝土是否会开裂。第18页/共41页 收缩受约束产生的拉应力和由于徐变释放的应力之间的相互影响，是硬收缩受约束产生的拉应力和由于徐变释放的应力之间的相互影响，是硬化混凝土出现早期开裂的核心。混凝土由于收缩受约束而开裂的趋势可因为化混凝土出现早期开裂的核心。混凝土由于收缩受约束而开裂的趋势可因为下列因素减小：抗拉强度高、收缩应变小、弹性模量低、高徐变松弛能力。下列因素减小：抗拉强度高、收缩应变小、弹性模量低、高徐变松弛能力。第19页/共41页无松弛作用时出现开裂混凝土的抗拉强度开裂延迟应力松弛后的实际应力应力松弛时间收缩应变受约束时产生的弹性拉应力第20页/共41页路面板路面板收缩受底部基层强烈的连续约束收缩受底部基层强烈的连续约束柱柱梁收缩受端部约束梁收缩受端部约束梁梁约束约束种类和程度种类和程度第21页/共41页 裂裂 缝缝 1）可见与不可见裂缝）可见与不可见裂缝 不可见裂缝是绝对存在的，可见裂缝是相对存在的。不可见裂缝是绝对存在的，可见裂缝是相对存在的。 2）表面表面裂缝和贯穿裂缝裂缝和贯穿裂缝 a）表面裂缝：体积变化不均匀受内部约束产生，）表面裂缝：体积变化不均匀受内部约束产生，通常在浇注后几天内出现，降温阶段可能闭合，但通常在浇注后几天内出现，降温阶段可能闭合，但也可能引发贯穿裂缝；也可能引发贯穿裂缝； b）贯穿裂缝：体积变化受外部约束产生，通常在）贯穿裂缝：体积变化受外部约束产生，通常在浇注后较长时间才产生且不会闭合。浇注后较长时间才产生且不会闭合。 第22页/共41页 京珠高速第23页/共41页 京珠高速第24页/共41页 京珠高速第25页/共41页 京珠高速第26页/共41页 京珠高速第27页/共41页 京珠高速第28页/共41页京珠高速开裂原因分析1）基层为水泥稳定碎石，刚度大，对路面板约束强烈；基层为水泥稳定碎石，刚度大，对路面板约束强烈；2）路面板强度高、模量大，变形受基层约束产生高应力；）路面板强度高、模量大，变形受基层约束产生高应力；3）纵缝切得过浅（）纵缝切得过浅（23cm），未发展断开，从侧面形成进一步的约束；），未发展断开，从侧面形成进一步的约束；4）受超载重负和填方段路基沉降影响。）受超载重负和填方段路基沉降影响。第29页/共41页重庆綦江彩虹桥重庆綦江彩虹桥第30页/共41页第31页/共41页第32页/共41页第33页/共41页第34页/共41页第35页/共41页 许多已经试验过的，对混凝土耐久性问题的简化或者严密的解决许多已经试验过的，对混凝土耐久性问题的简化或者严密的解决办法都没有多少成效。必须认识到：没有一个整体论方法就达不到耐办法都没有多少成效。必须认识到：没有一个整体论方法就达不到耐久的目的。久的目的。 P. K. Mehta. Building Durable Structures in The 21st Century. CI. Mar,2001四、运用运用整体论提高结构耐久性整体论提高结构耐久性( (安全性安全性) )第36页/共41页 科学思想分为两大派系：整体论（综合）与还原论（分解），过去整体科学思想分为两大派系：整体论（综合）与还原论（分解），过去整体论用得最普遍论用得最普遍中医辨证施治可为一例。近代科研手段精进，还原论用得更中医辨证施治可为一例。近代科研手段精进，还原论用得更为普遍。即将科研对象还原或分解到可能达到的最小单位，进行具体的量化研为普遍。即将科研对象还原或分解到可能达到的最小单位，进行具体的量化研究，还原论对当代自然科学与技术科学的发展，已产生很大作用，但缺点是分究，还原论对当代自然科学与技术科学的发展，已产生很大作用，但缺点是分得愈细，愈易脱离整体和实际，因此无法从整体来全面有效地解决问题或认识得愈细，愈易脱离整体和实际，因此无法从整体来全面有效地解决问题或认识事物的本质。事物的本质。吴中伟 绿色高性能混凝土与科技创新 建筑材料学报 第1卷第1期 1998年3月 第37页/共41页 毫无疑问，今天的社会正享受着科学和工业革新为它带来的好处。原因分毫无疑问，今天的社会正享受着科学和工业革新为它带来的好处。原因分析法已成为现代科学思维的主要特征，并在科学理论的发展和许多引人注目的析法已成为现代科学思维的主要特征，并在科学理论的发展和许多引人注目的技术成果实施上证明很有用。但是，过分强调科学的还原论技术成果实施上证明很有用。但是，过分强调科学的还原论相信一个复杂相信一个复杂结构的所有方面和一种复杂现象可以通过将整体分解为许多部分而充分认识结构的所有方面和一种复杂现象可以通过将整体分解为许多部分而充分认识导致了知识的破碎性和局限性。导致了知识的破碎性和局限性。 结构混凝土耐久性的整体论结构混凝土耐久性的整体论第38页/共41页 美国混凝土学会美国混凝土学会ACI 318建筑规范建筑规范正是忽略了开裂正是忽略了开裂- -耐久性关系，耐久性关系，而又过分强调强度而又过分强调强度- -耐久性关系，因此无助于建造耐用和环境中持久耐久性关系，因此无助于建造耐用和环境中持久的混凝土结构。营造结构设计人、材料工程师和施工人员之间比今天的混凝土结构。营造结构设计人、材料工程师和施工人员之间比今天密切得多的工作关系，转变成整体论方法，以控制混凝土结构的开裂密切得多的工作关系，转变成整体论方法，以控制混凝土结构的开裂是必要的。是必要的。 Building Durable Structures in The 21st Century. CI. Mar,2001第39页/共41页 混凝土科学技术的整体论观混凝土科学技术的整体论观 首先在混凝土技术的研究中必须是整体论的，而如果今天工程教育的首先在混凝土技术的研究中必须是整体论的，而如果今天工程教育的主导思想在总体上没有大的转变，特别是混凝土科学的教育没有大的转变，主导思想在总体上没有大的转变，特别是混凝土科学的教育没有大的转变，那么混凝土技术的研究要适合整体论是办不到的。显然，要发展整体论的那么混凝土技术的研究要适合整体论是办不到的。显然，要发展整体论的混凝土技术，改革的过程必须从大学开始。大学是否正在正确地培训下一混凝土技术，改革的过程必须从大学开始。大学是否正在正确地培训下一代的工程师和技术人员？代的工程师和技术人员？ 第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页