混凝土结构基本原理 王海军第9章 混凝土结构的耐久性设计.ppt

* 第9章 混凝土结构的耐久性设计 Copyright?沈阳工业大学结构工程研究所 第9章 混凝土结构的耐久性设计 主讲：王海军教授 辽宁省大学共享课程混凝土结构设计原理Fundamentals of Concrete Structure 3个知识点：①耐久性的概念及其影响因素；②混凝土的碳化及钢筋的锈蚀；③耐久性设计。 学习要求：掌握变形和裂缝宽度的验算方法；熟悉减小构件变形和裂缝宽度的措施。 混凝土结构耐久性的概念 §9. 1 ◆耐久性是指结构在预定设计使用年限内，在正常维护条件下，不需要进行大修和加固，而满足正常使用和安全功能要求的能力。 ◆《建筑结构可靠度设计统一标准》对于一般建筑结构，设计工作寿命为50年，重要的建筑物可取100年。 ◆近年来，随着建筑市场化的发展，业主也可以对建筑的寿命提出更高要求。对于其它土木工程结构，根据其功能要求，设计工作寿命也有差别，如桥梁工程一般要求在100年以上。 世界上经济发达国家的工程建设大体上经历了三个阶段： ⑴大规模建设； ⑵新建与改建、维修并重； ⑶重点转向既有建筑物的维修改造。 目前经济发达国家处于第三阶段，结构因耐久性不足而失效，或为保证继续正常使用而付出巨大维修代价，这使得耐久性问题变得十分重要。 我国50年代开始大规模建设的工程项目，由于当时经济基础薄弱，材料标准和设计标准都较低，除一些重要的工程项目目前需要继续维持其使用外，其它大部分工程已达到其使用寿命。 我国真正进入大规模建设是在改革开放以后，因此国外发达国家在耐久性上所遇到的问题应引起我国工程技术人员的足够重视，避免重蹈发达国家的覆辙，对国家经济建设造成巨大浪费。 碳化 内部因素： 混凝土强度 渗透性 保护层厚度 水泥品种 标号和用量 外加剂等 外部因素： 环境温度 湿度 CO2含量 侵蚀性介质等 影响混凝土结构耐久性的因素 §9. 2 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键问题。 9.2.1钢筋锈蚀 （1）钢筋锈蚀的危害？ 钢筋截面面积减少 混凝土保护层开裂剥落 粘结性能退化 ◆ 当混凝土未碳化时，由于水泥的高碱性，钢筋表面形成一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀电化学过程。 ◆ 当混凝土被碳化，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水份和氧气的条件下，就会发生锈蚀的电化学反应。 (a) 混凝土开裂 (b) 水、CO2侵入 (c) 开始锈蚀 (d) 钢筋体积膨胀 ①混凝土碳化引起的钢筋锈蚀 （2）什么原因引起的钢筋锈蚀？ ◆锈蚀是一个电化学过程： 钢筋在水、氧气和电子作用下会形成电池，电子从阳极不断流向阴极，在阳极附近形成铁锈。只要不断有水和氧气供应，就会越锈越严重。 ◆氧气和水份是钢筋锈蚀必要条件。当构件使用环境很干燥（湿度40%）或完全处于水中，钢筋的锈蚀极慢甚至无。 ◆ 钢筋锈蚀产生的铁锈（氢氧化亚铁Fe(OH)3），体积比铁增加2~6倍，保护层被挤裂，使空气中的水份更易进入，促使锈蚀加快发展。 钢筋锈蚀的发生机理？ 钢筋锈蚀引起混凝土结构损伤过程：，首先在裂缝宽度较大处发生个别点的“坑蚀”，继而逐渐形成“环蚀”，同时向裂缝两边扩展，形成锈蚀面，使钢筋有效面积减小。严重锈蚀时，会导致沿钢筋长度出现纵向裂缝，甚至导致混凝土保护层脱落，习称“暴筋”，从而导致截面承载力下降，直至最终引起结构破坏。 ◆ 我们猜想，是不是与裂缝宽度和混凝土密实度有关！！ ◆ 近年来的研究发现，锈蚀程度与横向裂缝宽度无明显关系，在一般大气环境下，裂缝宽度即便达到0.3mm，也只是在裂缝处产生锈点。裂缝的出现仅是使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。 ◆ 由于钢筋锈蚀是一个电化学过程，因此锈蚀主要取决于氧气通过混凝土保护层向钢筋表面的阴极的扩散速度，而这种扩散速度主要取决于混凝土的密实度。 ◆ ◆ 因此，防止钢筋锈蚀最重要的措施是在增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度。 钢筋锈蚀的快慢与什么有关？ 增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度 采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋 对钢筋采用阴极防护法 防止钢筋锈蚀措施 除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。 ①氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀 氯离子引起的锈蚀 除增加混凝土的密实度和保护层厚度外，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施来防止钢筋的锈蚀。 钢筋阻锈剂形成保护膜 在阳极，保护膜阻止铁离子的流失;在阴极，保护膜形成对氧的屏障 9.2.2混凝土的碳化 ◆混凝土碳化是混凝土中性化的形式，是指大气中的二氧化碳（CO2）不断向