工程结构鉴定与加固2结构损伤机理.ppt

2.1.1 混凝土中的钢筋腐蚀 混凝土中钢筋锈蚀已成为世界关注的大问题，被认为是当今影响混凝土结构耐久性的首要原因。钢筋锈蚀已经或正在给国民经济带来巨大经济损失。基于此，美国总结正反两个方面的经验教训，提出了“立足前期措施,着眼长远效益”，并强行实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”()。2.1.1 混凝土中的钢筋腐蚀 世界一些国家的腐蚀损失,平均可占国民经济总产值的2%4%;其中,被认为与钢筋腐蚀有关者可占40%（至今我国尚无确切统计数据)。美国1984年报道，仅就桥梁而言,57.5万座钢筋混凝土桥,一半以上出现钢筋腐蚀破坏,40%承载力不足和必须修复与加固处理,当年的修复费为54亿美元;1998年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费,一年要2500亿美元,其中桥梁修复费为1550亿美元(是这些桥初建费用的4倍);还有报道说,到本世纪末,美国要花4000亿美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程。-20世纪50年代，我国北方为使冷天施工的混凝土早强，曾普遍掺加氯盐，致使大量工业厂房因钢筋严重锈蚀而过早破坏；-北京、天津的许多钢筋混凝土立交桥使用时间不长，却因在冬天撒盐融化冰雪而使得钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象日益加剧。锈蚀使钢筋受力截面减小，锈蚀层膨胀使混凝土保护层沿钢筋方向“顺筋”开裂，而后脱落，以致不得不花费大量的经费对结构进行修补和加固。某立交墩柱钢筋锈蚀情况 某立交桥栏杆破损、露筋 2.1.1 混凝土中的钢筋腐蚀钢筋腐蚀机理 钢筋锈蚀的条件：在钢筋表面存在电位差电位差，不同电位的区段之间形成阳极阴极；阳极区段的钢筋钢筋处于活化活化状态阳极反应：2Fe4e 2Fe2+存在水分和溶解氧水分和溶解氧，在阴极发生以下阴极反应：2H2O+O2+4e 4OH钢筋腐蚀机理 说明：上述三条件必须同时满足同时满足，腐蚀才会产生；由于砼碱度差异、钢筋中元素偏析、加工应力均会形成局部电池局部电池，条件一始终满足始终满足；腐蚀过程：2Fe2+4OH2Fe(OH)2Fe(OH)3 nFe2O3mH2O nFe3O4mH2O (氧化不完全)红锈（膨胀4倍）黑锈（膨胀2倍）影响钢筋腐蚀的主要因素 pH值 Cl含量 氧 混凝土密实性 砼保护层厚度 其他因素影响钢筋腐蚀的主要因素 Cl含量广泛性：海洋；除冰盐；盐碱地；工业环境作用：破坏钝化膜；形成“腐蚀电池”；Cl的阳极去极化作用；导电作用；：3.5.3 设计使用年限为50年的混凝土结构，其混凝土材料宜符合表3.5.3的规定。：钢筋锈蚀破坏的主要破坏特征：混凝土顺钢筋开裂钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时,钢筋锈蚀产物体积发生膨胀,足以使钢筋表面发生混凝土顺钢筋开裂。“握裹力”下降与丧失随着裂缝的不断加宽,混凝土与钢筋之间的粘结力(握裹力)也随之下降(下降速度取决于钢筋锈蚀速度),滑移增大,构件变形。钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀,一般分为局部腐蚀(如坑蚀)和全面腐蚀(均匀腐蚀),常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失,其损失率达到极限时,构件便会发生破坏。由于坑蚀产生的槽口效应会引起应力集中，严重降低钢筋的延性和疲劳强度，它比均匀腐蚀更危险。钢筋应力腐蚀断裂处在应力状态下的钢筋(包括预应力),在腐蚀介质和拉应力共同作用下钢筋产生晶间或穿晶断裂现象。钢筋防腐蚀的措施(1)常规方法：从材料、设计、施工、维护入手：优选配合比，严格控制水灰比控制水灰比，选择合适的水泥用量和外加剂；设计采用一定厚度保护层保护层，防止有害物质渗入；保证砼施工质量，提高密实性密实性、抗冻性和抗渗性，加强养护，防止裂缝产生；防止碱集料反应碱集料反应；严格限制氯离子含量氯离子含量定期检查，发现裂缝裂缝或表面疏松掉皮疏松掉皮时及时处理 钢筋防腐蚀的措施(2)特殊方法：阴极保护环氧树脂涂层钢筋在使用中避免损伤，设计时注意锚固。用纤维增强塑料（FRP）包括：GFRP、CFRP、AFRP等镀锌钢筋添加防锈剂外加剂的一种，能保持钝化膜的存在。外加电流法牺牲阳极法 选择防腐蚀方法应首先采用常规防腐蚀方法（比较经济），如因条件所限或者需进一步提高防腐性能时，则采用特殊防腐蚀方法。2.1.2 混凝土的中性化1、混凝土碳化机理 混凝土是多孔体，空气中的二氧化碳先渗透到内部孔隙和毛细管中，溶解于毛细管中的液相，与水泥水化过程中产生的氢氧化钙和硅酸二钙、硅酸三钙等水化物相互作用，形成碳酸钙。混凝土碳化化学反应CO2+H2OH2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O3CaO2SiO23H2O+3H2CO33CaCO3+2SiO2+6H2O2CaO2SiO24H2O+2H2CO32CaCO3+SiO2+6H2O反应速度与二氧化碳浓度和砼可碳化物质含量有关。2、影响混凝土碳化的因素（1）周围环境因素相对湿度：当周围介质的相对湿度为50%75%时，混凝土的碳化速度最快。环境温度：环境温度提高，碳化速度加快；CO2浓度：碳化深度（D）与CO2浓度（c）的平方根成正比。t为碳化时间。1 1122 2ctDDc t影响混凝土碳化的因素（2）材料组成因素 水泥用量（1）水灰比（2 ）粉煤灰取代量（3）水泥品种（4）集料品种（5）养护方法（6）影响混凝土碳化的因素（3）施工因素 主要是混凝土搅拌、振捣和养护等条件的影响；这些因素对混凝土密实性的影响很大。3、混凝土碳化深度预测 在非侵蚀性介质的正常的大气条件下，混凝土碳化特征曲线可用幂函数方程表示。中国建筑科学研究院提出了多系数方程：碳化速度系数；t混凝土碳化龄期；Dt123456Dt 4、减小混凝土碳化的措施 合理设计混凝土配合比；在混凝土施工时，应采用机械振捣，以保证混凝土的密实性；采用表面涂层或表面覆盖层的方法，隔绝混凝土与空气中的CO2；混凝土设计时考虑足够的保护层厚度。实际上，工业大气对混凝土的中性化作用，远大于碳化作用，尤其是污染严重的工业区。目前我国存在大面积“酸雨区”，主要是工业、汽车排放出的大量2、2、等酸性气体造成的:2+2+()2=3+22 2+2+()2=3+22 2.1.3 混凝土碱集料反应 (Alkali-Aggregate Reaction，简称“AAR”)混凝土碱集料反应是混凝土中水泥、外加剂、掺合料和拌和水中的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔隙液中，与集料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土开裂和强度降低，严重时会导致混凝土完全破坏。Map/Pattern Cracking Resulting from an Alkali-Aggregate Reaction 1、混凝土碱集料反应的条件 混凝土中有相当数量的碱；来源：配置时形成；环境侵入。混凝土中有相当数量的碱活性骨料；混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度。空气湿度大于80%，或直接与水接触。2、反应类型：碱硅反应(Alkali-Silica Reaction)：蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、方石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英碱微晶氧化硅硅胶体 碱硅酸盐反应：粘土质岩石及千板岩 碱碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction)：白云质石灰岩3、影响碱集料反应的因素 水泥的含碱量 混凝土的水灰比 反应性集料的特性 混凝土孔隙率 环境温湿度影响4、防止碱集料反应的措施 采用低碱水泥 掺用粉煤灰等掺合料降低混凝土的碱性 尽量不用可能引起反应的集料 改善混凝土结构的施工和使用条件 2.1.4 化学介质的腐蚀 混凝土腐蚀是一个复杂的物理、化学过程。按侵蚀介质的性质分：硫酸盐腐蚀；海水腐蚀；酸性腐蚀；盐类结晶型腐蚀。海水腐蚀 海水的化学成分复杂 结构与海水接触部位不同，腐蚀形式不同：高潮线以上非接触区；浪溅区；潮汐涨落区；低潮位下。形成可溶性盐类 生成带有膨胀性的钙矾石 氯离子的渗入加速钢筋锈蚀；硫酸盐侵蚀 硫酸盐一般指：硫酸钠、硫酸镁等 存在于地下水、海水、工业废料 特征：混凝土表面发白，易碎、甚至松散。酸侵蚀 工业环境、沼泽地、尾矿堆场地下水、工业废料以及化工废料；硫酸、硝酸、盐酸、碳酸作用形成可溶性盐，侵蚀强烈；磷酸等也会使混凝土强度降低。碱类侵蚀 固体碱对混凝土无明显作用，熔融状碱或碱浓溶液有侵蚀作用；化学侵蚀：生成胶结力不强、易浸析的产物；结晶侵蚀：生成10水碳酸钠晶体，体积膨胀。2.1.5 混凝土的冻融破坏原因：混凝土微孔隙中的水，在温度正负交替作用下，形成冰涨压力和渗透压力联合作用的疲劳应力。从而使混凝土产生由表及里的剥蚀破坏。发生：水工结构混凝土（“三北”地区）；港口码头工程；桥涵工程、城市立交桥；混凝土路面工程。说明：WC=0.65；二级配混凝土；含气量1.5%。影响混凝土抗冻性的因素 水灰比 含气量 饱和水状态 受冻龄期 水泥品种及集料质量 外加剂和掺合料的影响提高混凝土抗冻性的措施 引气剂、减水剂或引气型减水剂 控制水灰比，提高密实度 加强早期养护 加防冻剂防止混凝土早期受冻 2.1.6 混凝土结构的裂缝原因：水化热引起 塑性收缩裂缝 塑性塌落裂缝 混凝土干缩裂缝 碱集料裂缝 温度变化引起 基础不均匀沉降引起 钢筋腐蚀引起 荷载作用引起危害：改变受力模式，降低承载力；可能引起渗漏，影响正常使用；结构刚度降低，变形增加；降低结构安全度；结构耐久性下降。控制标准：宽度0.05 mm以下，无任何危害；宽度0.3(0.2)mm以下，对耐久性有影响 宽度0.3 mm以上，结构性能影响：典型混凝土结构构件的裂缝：预应力混凝土空心板；预应力混凝土大型屋面板；钢筋混凝土梁；钢筋混凝土柱；钢筋混凝土挑檐、雨蓬、阳台；钢筋混凝土墙体 2.1.7 混凝土强度不足的原因(1)原材料质量差：水泥质量：活性，安定性 集料（砂石）质量 拌和水 外加剂配合比不当 随意套用配合比；用水量加大；水泥用量不足；砂石计量不准；外加剂品种用错，掺量不准 混凝土强度不足的原因(2)施工工艺：拌制：加料顺序、搅拌时间 运输条件：离析、漏浆 浇注方法：已初凝、离析 模板漏浆 振捣不密实养护 水泥水化需要适当的温度、湿度；保持潮湿，避免高温；防止混凝土中水分蒸发过快；混凝土强度不足的原因(3)低温影响：零度以下，水化停止 早期受冻，强度大降 冬季施工，保温养护缺陷影响 麻面、蜂窝、露筋、孔洞、掉角、缝隙夹层等；其他原因；环境侵蚀、火灾、水灾等；2.2.1 砌体结构的裂缝地基不均匀沉降温度变形结构受力建筑构造施工质量相邻建筑影响其他 2.2.2 砌体结构的变形沿墙面的变形 倾斜：施工、地基沉降、刚度不足 弯曲：施工、地基沉降出墙面的变形 施工：灰缝厚度不均、冻结法不当、纵横墙连接差等原因；刚度：高厚比过大 填充墙、维护墙出墙面变形 出墙面强度不足 地基不均匀沉降：水平荷载、堆载、挖土 2.2.3 砌体承载力不足的原因设计 截面偏小、材料强度低、未设梁垫、高厚比过大 随意加层、改变使用用途施工 砖的质量不合格 砂浆强度偏低 砂浆饱满度不够 组砌不合理 随意打洞或洞口位置不合理 2.3.1 钢结构稳定分整体失稳和局部失稳两类整体失稳原因：设计：长细比大 初始缺陷 受力条件改变 施工支撑体系不够 2.3.1 钢结构稳定分整体失稳和局部失稳两类局部失稳原因：构件：组合截面加劲肋布置和构造 受力部位加劲肋构造 吊点位置不当 2.3.2 钢结构的疲劳破坏主要是吊车梁和桥梁吊车梁疲劳破坏原因：钢轨偏心 应力集中 工字梁变截面处裂缝 锈蚀 材料 使用 2.3.2 钢结构的疲劳破坏疲劳问题的防止：选材：化学、力学性能，无缺陷 制作：按图施工，不产生外表划痕、切痕 使用：避免锈蚀、碰撞，不随意打孔、焊接 局部疲劳：更换构件，加固构件 焊缝破坏：原焊缝清除干净重新焊接 经常检查，发现疲劳破坏先兆 2.3.3 钢结构的脆性破坏 可分为：低温脆断、应力腐蚀、氢脆、疲劳破坏和断裂破坏等。低温脆断（冷脆）桥梁、船舶、储罐等常见，建筑物较少见 冲击韧性试验、缺口静弯试验、撕裂试验和落锤试验等方法检测 应力腐蚀：长期高应力钢材，阳极腐蚀区撕裂。氢脆：阴极腐蚀造成，钢材局部开裂破坏 上述两者一般与低温、反复荷载同时