混凝土结构损伤渗透式修复机理的理论分析.pdf
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1、第 3 9卷 第 4期 2 0 1 2年 4月 建筑技术开发 Bui l d i n g Te ch n i q u e De v e l o pme n t Vo 1 3 9。 No 4 Ap r 201 2 混凝土结构损伤渗透式修复机理 的 理论 分 析 杨丽娟 宗馗 刘平 ( 1 扬州大学建筑科学与工程学院, 江苏扬 州 2 2 5 0 0 9 ; 2 江苏扬建集 团有限公司, 江苏扬州 2 2 5 0 0 2 ) 摘要 通过理论研究 、 探讨混凝土结构损伤渗透式修复机理 , 分析修补材料中各外掺物 的作用机 理及本课题 主要 的 技术指标 。 关键词 混凝 土结构损伤 ; 渗透式修复
2、; 作 用机 理 ; 技术指标 中图分类号 T U 3 1 2 : 2 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 0 0 1 0 4 THEoRETI CAL ANALYS I S OF PERM EATI ON M ECHANI S M BAS ED oN CoNCRETE S TRUCTURE S DAM AGE Ya n g L i - j u a n Z o n g Ku i L i u P i n g Ab s t r a c t K e y w o r d s By t he o r e t i c a l , s t u d
3、 y o n t h e p e r me a t i o n me c ha n i s m o f c o nc r e t e s t r u c t ur e S d a ma g e, t h e p e r f o rm a n c e o f e x t e r n a l b l e nd s d u r i n g t h e r e p a i r ma t e r i a l a n d t h e ma i n t e c h ni c a l i n de x o f t hi s t o pi c c o n c r e t e s t r u c t u r e
4、S da ma g e; p e rm e a t i o n r e pa i r ; p e r f o r ma nc e; t e c hn i c a l i n de x 在 土 木工 程 结 构 中 , 混 凝 土 是 一种 被 广 泛采 用 的材料 。它 是一 种 多相 颗 粒 复 合 材料 , 从宏 观结 构 看 , 它是 骨料 分散 在水 泥浆 基体 中 的二相材 料 ; 从微 观 看 , 其 是 由水泥 凝 胶 、 氢 氧 化 钙 结 晶 、 未水 化 的水 泥 颗粒 、 毛 细管 、 及 空 隙水 、 空气 泡等 组成 。 混凝土在凝结硬化后的使用过程 中往往会出现 各
5、种裂缝 , 裂缝的存在会 明显降低结构构件 的承载 力 、 持久 强度 和耐 久性 , 有可 能在 结构 未达 到设 计要 求 的荷 载前 就造 成 破 坏 , 影 响整 个 工 程 的安 全 。针 对 这一现 象 , 一般 情况 下要 对混凝 土 裂缝加 以修 复 , 对确 保建 筑 物的安 全 性 、 耐 久 性 和 正 常使 用 功能 有 着重 要 的意义 。 目前 国 内外 对混 凝 土 裂缝 修 复 的方法 主 要 有 : 表 面处 理 法 、 填 充法 、 灌浆 法 、 结 构 补 强法 等 。在 众 多修复方法中, 本文采用渗透式修复机理研究、 探讨 收稿 日期 : 2 0 1
6、2一O 1一l 5 作者简介 : 杨丽娟( 1 9 8 7 - ) , 女 , 盐城 射阳人 , 扬 州大学建 筑科学与 工 程学院硕士 , 现从事混凝土结构损伤修复机理的研究。 无机 复合 材料修 复混 凝土 裂缝 。 1混 凝 土结构 损伤 理论 损 伤概 念 的出现 , 最初 是 由预计 高温蠕 变 、 构件 的寿命 而 发展起 来 的 。具 体 到 混 凝 土类 材 料 , 结 构 中 的损 伤 主要是 由于材料 的损 伤累 积造成 的 。 1 1 混凝 土结 构损伤 的类 型 1 ) 混凝土材料的损伤 : 混凝土材料可能会 出现 裂缝 、 蜂窝 、 麻 面 、 空 洞 、 剥 落 、
7、 游 离石 灰 、 缝 隙夹层 等 损 伤 。裂缝 有很 多 种 , 施 工 阶段 可 能 会 产 生 收缩 裂 缝 、 沉 降裂缝 、 温 度 裂缝 等 , 使 用 阶段 除 了受 力 所 产 生 的结 构性 裂缝 外 , 还 有 耐 久 性 裂 缝 、 纵 向 锈 蚀 裂 缝 、 冻 融循 环引起 的裂 缝 、 碱 骨 料 反应 引起 的裂缝 、 盐 类及 酸类 侵蚀 引起 的裂 缝等 。裂缝 的形态 包括 横 向裂缝 ( 由荷载、 收缩 以及温度作用引起 ) 、 剪切裂 缝 、 斜裂 缝 ( 由荷 载 或 结 构 错 位 移 动 引起 ) 、 X 型 交 叉裂缝( 由地震作用引起) 。
8、2 ) 混凝土碳化: 指气相或水溶 的 C O 与混凝土 中的碱性物质发生反应 , 使碱性物质转化为 p H较 低 的碳 酸盐 。碳 化 会 降低 混 凝 土 的 高碱 性 , 导 致 钢 第 4期 杨 丽娟 , 等 : 混凝土结构损伤渗透式修 复机 理的理论 分析 第 3 9卷 筋 表 面钝化 层失稳 甚至 失效 , 引起钢 筋 的锈蚀 。 3 ) 钢筋的锈蚀 : 可分为两种情况 : 一种是混凝 土开裂 后导 致 的钢 筋锈 蚀 , 即先裂后 锈 ; 另一种 原 因 是 保 护层太 薄或 露筋 而 引 起 的钢 筋 锈 蚀 , 钢 筋锈 蚀 后体积膨胀导致混凝土开裂或表面混凝土成块脱 落 ,
9、 即先锈 后裂 。这 两 种情 况 出现 后都 会 由于锈 胀 作 用 而 出现 恶性循 环 。 4 ) 结构或构件几何变形( 变位 ) 引起的损伤 5 ) 结构 局部 附属 构件 的损 伤 1 2混凝 土 结构损伤 的过程 具体到混凝土类材料 , 损伤的过程为 : 原来成片 的微裂纹区最后汇集成一条主要的宏观裂纹, 形成 结构 断裂 , 宏观 裂纹 外 的微 裂纹 随之 闭合 。 混凝 土 的 损伤 破 坏 过程 大致 可 分 为 四个 阶段 : 初 始损伤 阶段 、 微裂 纹 生 成及 稳 定 扩 展 的连 续 损 伤 阶段 、 微裂纹部分汇合 的损伤开裂 阶段和完全断裂 阶段 。 1 )
10、 初 始微 裂缝 形 成 阶段 : 构 件 形 成 过 程 中 , 由 于水泥浆液硬化干缩 , 水分蒸发造成裂缝等原因, 使 构 件 中形 成初 始微 裂缝 , 它们 大都为 界面裂 缝 , 这些 裂 缝是稳 定 。 2 ) 裂 缝 的 开 裂 阶段 : 在 外 力 作 用 下 , 构 件 内部 的某些 点会 产生应 力 集 中 , 致使 初 始 微 裂缝 延 伸 或 扩 展 , 应 力集 中则 随之缓 解 。如荷载 不再增 加 , 将 不 会 产生新 裂缝 , 卸 载 时 少 量裂 缝 还 可 以 闭合 。这 一 阶段 , 应 力一 应变关 系是 线性 的 。 3 ) 裂缝 的 稳 定 扩
11、展 阶 段 : 当 初 始 微 裂 缝 开 裂 后 , 如继续加载 , 并使荷载保持不变 , 则裂缝将继续 扩展 , 有的延 伸进入砂浆 , 有 的相互闭合形成大裂 缝 , 同时也有 新裂 缝 不 断生 成 , 如 停 止 加载 , 裂 缝 扩 展 将趋 于停 止 。 4 ) 裂缝 的不 稳定 扩 展 阶段 : 当载荷 超 过 临 界应 力时, 裂缝将继续扩展 , 聚合砂浆裂缝将急剧增多 , 即 使 荷载维持不变 , 裂缝也 将失稳继续扩散 , 造成 破坏 。 2渗 透式修 复机 理及 各外掺 物 的作用机 理 2 1 渗 透式修 复机 理 渗 透式 修复指 通过 活性 化学 物质 利用 水泥
12、 混凝 土本身固有的化学特性及多孑 L 性 , 以水做载体 , 借助 渗透作用, 在混凝土微孔及毛细管中传输、 充盈, 使其 溶液充满 整个微裂缝 , 从 而形成不溶性 的枝蔓 状结 晶 并与混凝土结合成整体 , 从而使任何方向来的水及其 它 液体被堵塞 , 达 到修 复混凝土裂缝 的 目的 。 渗透式修复的渗透过程受多种因素的影响 : 如 溶 液 的表面 张 力 ( 或表 面能 ) 、 动 态 粘 滞 系 数 、 混 凝 2 土的孔隙率、 孔径分布和孔相互连通情况等。另外 , 混 凝土 与浆体 是否 发生化 学反应 也很 重要 。 渗透修复的七个阶段包括 : 1 ) 溶 液通 过吸 附和表
13、面扩散 进入 材料 的孔 隙 ; 2 ) 溶 液在 孔壁 上形 成 吸 附层 , 通 过 蒸 汽扩 散 深 入材料 孔 隙内部 ; 3 ) 随着相 对湿 度 的增加 , 蒸汽 开 始 在孔 中冷 凝 并形成水膜 , 水膜两侧出现压差 , 于是促使水膜在孔 中渗透 ; 4 ) 孔壁出现屈服, 溶液渗透并伴有蒸汽扩散 ; 5 ) 孔中局部溶液饱和, 溶液渗透流动 ; 6 ) 孔完全 饱和 , 溶液 流动 ; 7 ) 离子 扩散 。 2 2各外掺 物 的作 用机 理 2 2 1 粉煤灰 的作 用机理 粉煤 灰 是一 种 高分 散度 的 固态集 合 体 , 是人 工 火 山灰质材 料 , 其 中除含
14、有 一 部 分未 烧 尽 的细小 碳 粒外 , 大 部 分 是 S i O :和 A 1 0 ,的 固溶 体 及 石 英 砂 粒、 莫来石 、 石灰 、 残余煤开石 、 铁矿物等 。 粉煤 灰 的活 性一般 包括 物理活 性 和化学 活性 : 1 ) 粉煤 灰 的物 理 活 性 产 生 的效 应 包 括 减 水 效 应 、 微 集料 效应 和 密实 效 应 。减 水效 应 是 球 形 颗粒 产 生的 , 球 形玻璃 微珠 的 “ 滚 珠 ” 作 用 使掺 粉 煤 灰体 系的流动性提高, 降低 了水需 量。微集料效应是粉 煤灰颗粒 ( 尤其是惰性的晶体颗粒) 充当微小集料 , 使集料的匹配更加合
15、理, 填充率提高 , 水泥的分散更 加均匀。密实效应是微集料效应和火山灰效应的共 同作用的表现 , 火 山灰效应使粉煤灰形成类似托勃 莫来石次生晶相 , 填补水膜层和水泥骨架孔隙, 提高 密 实度 。一般认 为 , 粉 煤灰 的物 理 活性 是 粉 煤 灰体 系早期活 性和强 度 的主要来 源 。 2 ) 粉 煤 灰 的化 学 活 性 来 源 于熔 融 后 被 迅 速 冷 却 而形成 的玻 璃 态 的颗 粒 ( 多孔 玻 璃 体 和 玻 璃 珠 ) 中可溶性 的 S i O 和 A 1 0 等活性组分 , 活性 S i O 和 A 1 : 0 , 在有水存在 时, 可以与 C a ( O H)
16、 反应 , 生成 水 化硅 酸钙 ( C S H) 和水 化硅 酸铝 ( A S H) 。 2 2 2 矿 粉 的作 用机 理 矿粉 是冶 铁工业 的副 产 品 , 其 颗粒 呈球 状 , 表 面 光滑致密, 是分相结构的非 晶态玻璃体 , 主要成分是 S i O : 、 C a O、 A 1 : 0 。 和 Mg O。它 具 有 潜 在 的水 硬 性 和 较强的混凝土活性 , 将 其掺入水泥 中, 水化 时活化 S i O : 、 A 1 0 , 与混合 胶 凝 体 系 中产 生 的 C a ( O H) ,反 应 , 进一 步形成 水化 硅酸钙 产物 , 填充 于空 隙 中。同 时矿粉包
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