3_钢筋混凝土结构损伤机理

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1、土建学院防灾科学与安全技术研究所李耀庄2656625，liyz@mail.csu.edu.cn结构损伤鉴定与诊断第三章钢混凝土结构损伤机理主要内容3.1混凝土中钢筋的锈蚀；3.2混凝土的碳化；3.3混凝土的腐蚀；3.4混凝土的冻融破坏；3.1混凝土中钢筋的锈蚀电化学腐蚀化学腐蚀应力腐蚀混凝土中钢筋锈蚀种类3.1.1钢筋电化学锈蚀（1）钢筋电化学腐蚀机理阳极阴极混凝土钢筋阳极表面阴极表面钢筋金相组织和表面不均存在电位差水分和氧气进入混凝土形成碱性溶液3.1.1钢筋电化学锈蚀（1）钢筋电化学腐蚀机理普通硅酸盐水

2、泥密实未碳化混凝土的PH值为13，无CI-存在，形成钝化膜(Fe2O3.nH2O或Fe3O4.nH2O),阻止钢筋锈蚀。如钝化膜破坏(在PH<11.5将不能稳定存在)，在有水和氧气存在时，产生腐蚀电池反应阳极阴极3.1.1钢筋电化学锈蚀红铁锈进一步氧化形成疏松易剥落的沉积物铁锈Fe2O3.Fe3O4.H2O,铁锈体积比铁增加2－4倍，将保护层胀开造成钢筋外露。褐锈（1）钢筋电化学腐蚀机理3.1.1钢筋电化学锈蚀腐蚀电池存在是腐蚀发生的必要条件，而腐蚀发展动力和速度与电极之间的电流速度有关。腐蚀电流阳极电位－

3、阴极电位阳极与阴极的电阻阳极控制：砼高碱度在钢筋表面形成钝化膜阻止铁离子化阴极控制：氧气不足或缺乏可阻止阴极反应电阻控制：干燥环境、砼密实，存在涂覆层，电阻大（2）钢筋电化学腐蚀的动力和速度3.1.1钢筋电化学锈蚀外在因素周围介质腐蚀性周期冷热交替作用冻融循环作用干湿交替作用海水海盐渗透作用（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素－外在因素3.1.1钢筋电化学锈蚀内在因素PH值影响(PH>10慢，PH<4快)氯离子含量(超过一定含量在不均匀砼中容易形成坑蚀)砼密实度和保护层厚度裂缝影响(>0.2mm影响大)水泥品

4、种及粉煤灰掺合料影响(降低砼碱性)（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素－内在因素知识点：氯离子锈蚀机理绿锈褐锈混凝土钢筋阳极表面阴极表面氯离子易渗入钝化膜，形成易溶绿锈，绿锈向砼孔隙液中迁徙，分解为褐锈，褐锈沉积于阳极区，同时释放氯离子和氢离子，回到阳极区，使阳极区附近孔隙液局部酸化，带出更多铁离子。氯离子不构成最终锈蚀产物，也不消耗，但促进锈蚀，起到催化作用。绿锈褐锈3.1.2钢筋的化学锈蚀钢筋与酸、碱、盐等发生化学反应，形成锈蚀钢筋在稀碱溶液中形成钝化膜，在高碱和高温下则产生碱裂或碱脆化的溶解腐蚀3.1.

5、3钢筋的应力锈蚀钢筋的应力腐蚀是电化学腐蚀和高应力复合作用结果。当钢筋中存在较高拉应力时电化学方面比低应力时活跃得多。如果因氯离子侵蚀形成蚀坑，则会形成明显应力集中。对于低韧性高强度钢筋而言，应力集中很难通过塑性变形消除，从而形成微裂缝，可能突然断裂而发生脆性破坏。没有任何征兆，一般发生在预应力混凝土构件中，破坏后果很严重。钢筋锈蚀将引起混凝土与钢筋粘结性能的退化3.2混凝土的碳化砼结构周围介质存在酸性物质，渗入混凝土内与水泥石中的碱性物质发生反应的过程叫做中性化。混凝土碳化是中性化最常见的形式，是CO2与

6、混凝土中碱性物质相互作用的一种复杂物理化学过程。混凝土碳化将导致混凝土碱度降低，破坏钢筋钝化膜，同时加剧砼混凝土的收缩，导致收缩裂缝产生和加大。3.2.1混凝土碳化机理混凝土碳化的化学反应(空气中CO2含量低，碳化过程缓慢)混凝土碳化速度取决于化学反应速度(取决于CO2含量和可碳化物的含量)CO2向砼扩散速度(取决于CO2和酸性物质浓度、孔隙结构)Ca(OH)2扩散速度(取决于混凝土含水率和Ca(OH)2浓度)上述三个过程均与砼含水量、周围介质相对湿度、温度有关3.2.2混凝土碳化深度公式混凝土碳化后体积增

7、加17%，混凝土中孔隙率和透气性降低，表面硬度增加。由于混凝土碳化降低混凝土碱度，特别是混凝土保护层碱度，减弱对内部钢筋的保护作用，最终导致钢筋锈蚀。混凝土碳化是导致混凝土耐久性降低的主要原因。混凝土碳化导致孔隙部分被堵塞，此外随着龄期增加，混凝土水化作用不断增强，砼孔隙率降低，混凝土碳化速度降低。碳化深度(mm)碳化速度系数砼龄期(d)3.2.3混凝土碳化影响因素水泥品种（普通水泥比矿渣水泥和火山灰水泥等好）混凝土碳化影响因素水泥用量（大好－改善和易性、提高密实性、增加碱性）粉煤灰（小好－与Ca(OH)2

8、结合，降低碱度）水灰比（小好－降低孔隙率和渗透性、增加密实性）集料品种影响(普通集料如火成岩等和人造集料如粉煤灰陶粒等比天然集料如浮石及火山渣好)养护方法影响(标养和蒸养比普通养护差）3.2.4混凝土碳化深度合格性指标目前无统一标准，普遍观点：混凝土碳化深度到达保护层厚度定为安全使用期，即在正常大气条件下，50年内混凝土碳化深度不允许超过混凝土保护层厚度。级别使用条件允许碳化深度(mm)轻集料混凝土普通混凝土Ⅰ正