第二章建筑结构检测鉴定与加固课件.pptx
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1、2.1 建筑结构损伤原因概述建筑结构损伤原因概述u建筑物是现代文明社会赖以生存和发展的条件,建筑物的安全则是人民生命财产安全的重要保证。但实际工程中的一些服役建筑,甚至某些新建筑都难免存在质量缺陷和内外损伤,这会影响建筑结构的耐久性,危及结构的安全。u引起建筑结构损伤的原因很多,可以归纳人为因素人为因素和自然因素自然因素两方面。人为因素人为因素所致结构损伤常见的有:工程设计的欠缺与错误,施工质量差、偷工减料、使用低劣材料,建筑用地规划错误,勘察工作失误、未能发现重要隐患,相邻场地施工引起建筑破坏,维修、保护不当,地下水抽取过渡引起建筑物倾斜或下沉,以及火灾导致建筑物破坏等。u自然因素自然因素导
2、致结构损伤主要表现为:地震、水灾、龙卷风、泥石流及山体滑坡等地质灾害、腐蚀性气体等导致结构的损坏。2.2 混凝土结构损伤机理与危害混凝土结构损伤机理与危害混凝土结构混凝土结构是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构的总称,由于混凝土结构具有承载能力高、耐久性能较好承载能力高、耐久性能较好等显著优点,在工程中得到广泛应用。由于设计、施工、环境、使用维护等诸多原因,引起混凝土结构各种损伤破坏,降低其使用寿命。为了确保混凝土结构的安全工作并延长使用寿命,有必要了解其损伤机理及各相关影响因素。2.2.1 混凝土的碳化混凝土的碳化 混凝土周围环境和介质中的CO2、SO2、Cl2 、HCl等深入混
3、凝土表面,与水泥石中弱碱性物质发生反应从而使pH值降低,引起水泥石化学组成及组织结构发生变化,从而对混凝土的化学性能和物理性能产生明显的影响,这一过程称为混凝土的碳化混凝土的碳化。 碳化碳化会导致混凝土碱度降低,减弱其对钢筋的保护作用,可能导致钢筋锈蚀,同时还会加剧混凝土的收缩,可能导致收缩裂缝的产生和加大。因此,混凝土碳化对钢筋混凝土结构的耐久性有很大的影响。1. 混凝土碳化的机理混凝土碳化的机理机理: 混凝土是一个多孔体,在其内部存在大小不同的毛细管、孔隙、气泡,甚至缺陷。空气中的CO2首先渗透到混凝土内部充满空气的孔隙和毛细管中,与水泥水化过程中产生的氢氧化钙(Ca(OH)2)和硅酸三钙
4、(3CaO2SiO23H2O)、硅酸二钙(2CaOSiO24H2O)等水化产物相互作用,形成碳酸钙(CaCO3)。一般空气中的CO2的浓度很低(其体积分数约为0.03,工业车间稍高),因而混凝土的碳化过程非常缓慢。混凝土的碳化速度主要取决于如下三个过程的速度:1) 化学反应过程速度2) CO2等的渗入速度3) Ca(OH)2等的扩散速度通常,上述三个过程中,CO2在混凝土中的扩散速度最慢,它决定了混凝土碳化过程的速度,此外,混凝土的碳化速度还与混凝土的含水量、温度等因素有关。 2. 影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素可分为周围环境因素、材料组成因素周围环境因素、材料组
5、成因素和施工因素施工因素三大类。(1) 周围环境因素周围环境因素主要是指周围介质的相对湿度、温度及二氧化碳的浓度等。环境介质的相对湿度直接影响混凝土的润湿状态和抗碳化能力。 (2) 材料组成因素包括:1) 水泥用量2) 水灰比3) 粉煤灰取代量4) 水泥品种此外混凝土的骨料品种、养护方法、施工质量对混凝土的碳化也有影响,提高混凝土的质量对提高其抗碳化性能十分重要。 3. 混凝土碳化深度预测混凝土碳化深度预测混凝土碳化是一个由表向内扩展的过程,在非侵蚀介质正常的大气条件下,混凝土碳化深度随时间变化规律可用下式计算: (2-2)式中 D 混凝土碳化深度(mm);t 混凝土碳化龄期(d);Kc 碳化
6、速度系数,对轻集料混凝土Kc=4.18,对普通混凝土Kc=2.32。碳化深度(D)和碳化速度系数(Kc)是用来表征混凝土碳化特征的主要指标,称之为碳化特征值。D和Kc越大,说明混凝土抗碳化性能越差,越易碳化。 cDKt2.2.2 混凝土中的钢筋腐蚀混凝土中的钢筋腐蚀钢筋的锈蚀对钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的耐久性及破坏影响极大,研究并解决钢筋防锈问题是实际工程急切需要的。1. 钢筋腐蚀的机理钢筋腐蚀的机理 以普通硅酸盐水泥配制的密实混凝土未经碳化的pH值一般可达13,这是因为混凝土在水化作用时,水泥中的氧化钙生成氢氧化钙,使混凝土孔隙中含有大量的OH-离子而呈现出高碱性环境。若无CL-存在
7、,则钢筋表面会形成一层由Fe2O3 n H2O或Fe3O4 n H2O组成的钝化膜,其厚度为2001000nm。钝化膜能使阳极反应受到抑制,从而阻止了钢筋的锈蚀。 在钢筋中的碳及其他合金元素的偏析,混凝土碱度差异、CL-浓度差异、裂缝处钢筋表面氧化剧增而形成的氧浓度差异、加工引起的钢筋内部应力等情况下,都会使钢筋各部位的电极电位不同而形成局部电池(阳极-阴极),如图2-1所示。一旦钢筋的钝化膜被破坏,在有水和氧气存在的条件下,就会产生如下腐蚀电池反应 阳极(腐蚀端): (2-3)2242FeeFe阴极(非腐蚀端): (2-4)22244H OOeOH溶液中的Fe2+和OH-结合生成氢氧化亚铁,
8、生成物进一步与水中的氧发生反应,生成氢氧化铁(红铁锈),即: (2-5) (2-6)22242()FeOHFe OH22234()24()FeOHOHOFeOH 随着时间的推移,氢氧化铁进一步氧化生成疏松的、易剥落的沉积物铁锈(Fe2O3 Fe3O4 H2O),铁锈的体积可大到原来体积的24倍。铁锈体积膨胀,对周围混凝土产生压力,使混凝土沿钢筋方向(顺筋)开裂,进而使得保护层成片脱落,而裂缝及保护层的脱落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。因此防止混凝土开裂是防止钢筋锈蚀的关键措施。图图2-1 裂缝处钢筋锈蚀的电化学过程图裂缝处钢筋锈蚀的电化学过程图 2. 影响钢筋腐蚀的因素影响钢筋腐蚀的因素钢筋锈
9、蚀的影响因素可分内在因素分内在因素和外在因素外在因素两大类。内在影响因素是指混凝土的密实度、混凝土保护层厚度及其完好性、混凝土的内部结构状态、混凝土的液相组成(pH值、CL-含量)等;外在影响因素是指周围介质的腐蚀性、周期的冷热交替作用、冻融循环作用等。1)pH值 钢筋锈蚀速度与混凝土液相中的pH值有密切关系。一般来说,当pH10时,钢筋的锈蚀速度很小;当pH4时,钢筋的锈蚀速度急骤增加。 pH值越大,碱性成分在钢筋表面形成钝化膜的保护作用越强,但当碱性成分被溶出并发生碳化作用,混凝土碱度减低,则钝化膜将被破坏而引起钢筋锈蚀。 3) 氧氧钢筋锈蚀的先决条件是所接触的水中含有溶解态氧,这是因为:
10、氧在锈蚀过程中起到促进阴极反应的作用,支配着锈蚀的速度。例如,当海水浸入钢筋表面时,即使氯化物中的氯离子破坏了钝化膜,但只要氧达不到钢筋表面,钢筋锈蚀也不会发生。氧是以溶解态存在于海水中的,其扩散速度很慢。因此,浸没在海水水下区的钢筋混凝土结构,钢筋不易锈蚀,而处于海面上的浪溅区的钢筋混凝土结构,因有充足的氧,钢筋就特别容易锈蚀。 2) CL-含量含量混凝土中CL-含量对钢筋锈蚀的影响极大,当混凝土中含有氯离子时,即使混凝土的碱度还较高,钢筋周围的混凝土还尚未碳化,钢筋也会出现锈蚀的现象。这是因为:CL-离子的半径小,活性大,具有很强的穿透钝化膜的能力,CL-离子吸附在膜结构有缺陷的地方,如位
11、错区或晶界区,使难溶的氢氧化铁转变成易溶的氯化铁,致使钢筋表面的钝化膜局部破坏。钝化膜破坏后,露出的金属变成为活化的阳极。由于活化区小,钝化区大,构成一个大阴极、小阳极的活化钝化电池,使钢筋产生所谓的“坑蚀”现象。CL-通过两种途径进入混凝土。一是施工过程中添加的外加剂(含有氯盐成份);二是使用环境中CL-的渗透,如沿海地区。工程中,按照氯盐占水泥重量的百分比将钢筋的锈蚀分为轻度锈蚀(1.0%)三种。4) 混凝土的密实性及保护层厚度混凝土的密实性及保护层厚度混凝土对钢筋的保护作用主要体现在两个方面。一是混凝土的高碱一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜;二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水性使钢
12、筋表面形成钝化膜;二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入的阻止作用分等渗入的阻止作用。后者作用主要取决于混凝土的密实性及保护层厚度。混凝土的密实性越好,内部孔隙和毛细管道越小,有效地阻止外界腐蚀介质、氧气及水分等的渗入,从而加强了钢筋的防腐蚀能力。混凝土的密实度主要与混凝土的水灰比有关,降低水灰比可提高钢筋的抗腐蚀能力,因此,国内外一般把混凝土的水灰比控制在0.40.45以下。增加混凝土保护层厚度可以显著地推迟腐蚀介质渗透到钢筋表面的时间,也可提高对钢筋锈蚀膨胀的抵抗力。混凝土结构设计规范中给出了保护层的最小厚度取值,其与钢筋混凝土结构种类、重要程度、所处环境、混凝土强度等级等有关。 概念
13、:概念: 在正常使用条件下,混凝土具有较好的耐久性。但在某些腐蚀性的介质作用下,水泥石的各种水化产物会与介质发生各种 物理化学作用,导致混凝土的结构逐渐遭到破坏,强度下降以致全部溃裂,这种现象称为混凝土的腐蚀。混凝土的腐蚀。2.2.3 混凝土的腐蚀混凝土的腐蚀1. 混凝土腐蚀的机理混凝土腐蚀的机理混凝土腐蚀是一个很复杂的物理化学过程,其腐蚀的原因可能是单一的也可能是多种原因造成。按其侵蚀性介质的性质或腐蚀的原因可分为硫酸盐硫酸盐腐蚀、海水腐蚀、酸腐蚀腐蚀、海水腐蚀、酸腐蚀和碱腐蚀碱腐蚀四种类型。(1) 硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀,常指硫酸钠、硫酸镁等盐腐蚀,其实质上是膨胀性化学腐蚀。在一般
14、的河水和湖水中,硫酸盐含量不多。但在海水、盐沼水、地下水及某些工业污水中常含有钠、钾、铵等的硫酸盐,它们与水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙反应生成石膏和硫铝酸钙(常称为“水泥杆菌”),其体积膨胀2.344.8倍,并同时产生内应力,最终导致混凝土开裂破坏。混凝土遭受硫酸盐腐蚀的特征是表面发白,损害通常在棱角处开始,接着裂缝展开并剥落,混凝土成为一种易碎的松散状态。 (2) 海水腐蚀海水腐蚀由于海水的化学成分复杂多变,造成混凝土的腐蚀形式也是多样化的。根据海洋工程结构与海水接触部位不同,可将其分为以下几种:1) 建(构)筑物与海水不直接接触部位,钢筋易受海洋上空含大量渍盐的潮湿空气作用而锈蚀。2)
15、在海水浪溅区,混凝土遭受海水干湿循环的作用,可能造成盐类膨胀型的腐蚀,加速钢筋的锈蚀。3) 在潮汐涨落区,直接遭受海水冲刷、干湿循环、冻碰循环、浴蚀等综合作用,混凝土往往受到最严重的腐蚀。4) 长期浸泡在海水中的部分,易产生化学分解,造成混凝土腐蚀,但遭受冻碰破坏及钢筋锈蚀较小。(3) 酸腐蚀酸腐蚀混凝土是碱性材料,在使用过程中常会受到酸性水的侵蚀。由于酸的种类不同,在反应过程中可能产生不同的盐类,其腐蚀破坏速度取决于钙盐的溶解度。一般来说,生成物的溶解度很大时,其破坏速度也很大。例如盐酸的CL-离子会侵蚀混凝土生成易于溶解的钙盐(CaCl2),同时溶液中的CL-离子对钢筋锈蚀也起着重要的加速
16、作用,因此,盐酸的侵蚀破坏作用也是极大的。(4) 碱腐蚀碱腐蚀固体碱如碱块、碱粉等对混凝土无明显的作用,而溶融状碱或碱的溶液对混凝土有侵蚀作用。但当碱的浓度不大(15%)、温度不高(50oC)时一般是无害的。碱对混凝土的侵蚀作用主要有化学侵蚀和结晶侵蚀两种。 2. 混凝土腐蚀的防治措施混凝土腐蚀的防治措施根据以上腐蚀原因分析,可采取下列有效措施防止混凝土腐蚀。(1) 根据侵蚀环境特点,合理选用水泥品种根据侵蚀环境特点,合理选用水泥品种 表表2.1 各种水泥抗化学腐蚀性能比较各种水泥抗化学腐蚀性能比较 (2) 提高混凝土密实性和抗渗性提高混凝土密实性和抗渗性由于各类侵蚀性介质都是通过混凝土的孔隙
17、、毛细管进入混凝土内部的,因此提高混凝土密实性和抗渗性是阻止侵蚀介质渗入混凝土内部的有效措施。因此,我国有关标准通过规定在不同侵蚀性等级中混凝土的最大水灰比和最小水泥用量,以保证混凝土的密实性和抗渗性。(3) 增加混凝土保护层厚度增加混凝土保护层厚度混凝土的腐蚀容易引起钢筋的锈蚀,而钢筋锈蚀则引起混凝土开裂,这必将使混凝土的腐蚀加剧。为了防止这个恶性循环的产生,我国相关规范规定:混凝土除了应有足够的密实性外,还应保证钢筋具有最小的保护层厚度。(4) 掺用火山灰质等活性掺合料掺用火山灰质等活性掺合料若在混凝土中掺入适量火山灰质等活性掺合料(如火山灰、粉煤灰等),这些活性掺合料与氢氧化钙结合形成难
18、溶的化合物,可提高混凝土的抗腐蚀能力。但火山灰的掺入可能会妨碍铝酸钙的水化作用,因此国外有关规范规定,在一些抗硫酸盐腐蚀的重要结构中,不允许采用粉煤灰与抗硫酸盐水泥混合使用。(5) 混凝土表面处理混凝土表面处理在混凝土硬化初期,采用人工碳化、表面压实抹光、热沥青涂层或加做饰面层等方法处理混凝土的表面,对防止或减小混凝土溶蚀型的腐蚀效果都是有效的。在可能的条件下,对重要部位采用浸渍混凝土,其效果将更好。 2.2.4 混凝土的碱混凝土的碱-骨料反应骨料反应 碱碱-骨料骨料反应主要是指水泥中的碱(Na2O、K2O)与骨料中活性二氧化硅发生化学反应,在骨料表面生成复杂的碱-硅酸凝胶,吸水后体积膨胀(体
19、积可增加3倍以上),从而导致混凝土产生膨胀开裂而破坏的现象。1.碱碱-骨料反应的机理骨料反应的机理 混凝土发生碱-骨料反应必须具备以下3个条件:(1) 水泥石中碱含量高。水泥中碱含量按(Na2O + K2O)%计算值大于0.6%。(2) 砂、石骨料中含有活性二氧化硅成分,含活性二氧化硅成分的矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英等。(3) 混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度,空气中相对湿度必须大于80%,或直接与水接触,在无水或湿度较低的环境下,混凝土不可能发生碱-骨料反应。 2. 影响碱影响碱-骨料反应的主要因素骨料反应的主要因素 (1) 水泥的含碱量水泥的含碱量碱-骨料反应引起的膨胀值与水泥石的Na
20、2O含量紧密相关,一般来说,碱含量越高,膨胀量越大。(2) 混凝土的水灰比混凝土的水灰比水灰比对碱-骨料反应的影响是错综复杂的。水灰比增大,混凝土的孔隙率增大,各种离子的扩散及水的移动速度加大,会促使碱-骨料反应的发生。但从另一方面看,混凝土水灰比大其空隙量大,又能减小空隙水中碱液浓度,因而减缓碱-骨料反应。在通常的水灰比范围内,随水灰比减小,碱-骨料反应的膨胀量有增大的趋势,当水灰比为0.4时,膨胀量最大。(3) 反应性骨料的特性反应性骨料的特性混凝土及砂浆的碱-骨料反应膨胀量与反应性骨料本身的特性有关,其中包括骨料的矿物成分及粒度、骨料用量等。一般来说,增加骨料含量会使碱-骨料反应膨胀量加
21、大,粒度过大或过小都能使反应膨胀量大为减小。(4) 混凝土孔隙率混凝土孔隙率混凝土及砂浆的孔隙也能减缓碱-骨料反应时胶体吸水产生的膨胀压力。因而随空隙量增加,反应膨胀量减小,特别是细孔减缓效果更好。(5) 环境温湿度的影响环境温湿度的影响当空气中相对湿度低于80%,且外界不供给混凝土水分时,混凝土不能发生碱-骨料反应,这说明环境湿度对混凝土碱-骨料反应是否发生有明显的影响。3. 防止碱防止碱-骨料反应的措施骨料反应的措施 在实际工程中,为抑制碱-骨料反应的发生,可采取以下方法:(1) 采用低碱水泥(含碱量0.6%),降低混凝土总的含碱量;(2) 尽量不用可能引起碱-骨料反应的骨料;(3) 在混
22、凝土配合比设计中,尽量降低单位水泥用量,从而进一步控制混凝土的含碱量。当掺入外加剂时,必须控制外加剂的含碱量,防止其对碱-骨料反应的促进作用;(4) 掺入火山灰质活性混合材料降低混凝土的碱性,减小膨胀值;(5) 改善混凝土结构的施工及使用条件。2.2.5 混凝土的冻融破坏混凝土的冻融破坏 混凝土受冻融混凝土受冻融作用破坏的主要原因是混凝土微孔隙中的水在温度正负交替作用下形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力。这种疲劳应力会使混凝土产生了由表及里的剥蚀破坏,从而降低混凝土强度,影响建筑物安全使用。1. 混凝土冻融破坏的机理混凝土冻融破坏的机理混凝土是由水泥砂浆及粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制
23、混凝土时为了获取施工时必要的和易性,加入的拌合水常比水泥水化所需的水多,当混凝土硬化后,多余的水便以游离水的形式留在混凝土中形成连通的毛细孔,并占有一定的体积。当游离的自由水遇冷结冰会发生体积膨胀,形成膨胀挤压应力,引起混凝土内部结构的破坏。一般正常情况下,毛细孔中的水解冻并不致于使混凝土内部结构遭到严重破坏。但当混凝土处于饱水状态(含水量达到91.7%极限值)时,且水因过冷使混凝土毛细孔壁同时承受膨胀压力及渗透压力作用,如压力产生的应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会开裂。在反复冻融循环作用后,混凝土中的损伤会不断扩大,裂缝也会相互贯通,其强度也逐渐降低,最后甚至完全丧失,使混凝土结构由表
24、及里遭受破坏。2. 影响混凝土抗冻性的主要因素影响混凝土抗冻性的主要因素(1) 水灰比水灰比水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。随着水灰比的增大,不仅开孔总体积增加,而且平均孔径也增大,因而混凝土的抗冻性必然降低。(2) 含气量含气量含气量也是影响混凝土抗冻性的主要因素,特别是掺入引气剂形成的微细气孔对提高混凝土抗冻性尤为重要。因为这些互不连通的微细气孔在混凝土受冻初期能使毛细孔中的净水压力减小,起到减压作用。此外,在混凝土受冻结冰过程中这些孔隙可阻止或抑制水泥浆中微小冰体的生成。(3) 混凝土的饱水状态混凝土的饱水状态混凝土的冻害与其孔隙的饱水程度紧密相关。一般认为含水量小于孔隙总体积的9
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