建筑结构检测鉴定与加固第二章建筑结构损伤机理与危害.ppt

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1、第2章 建筑结构损伤机理与危害主要内容 n 2.1.1 混凝土中钢筋的锈蚀；n 2.1.2 混凝土的碳化；n 2.1.3 混凝土的腐蚀；n 2.1.4 混凝土的冻融破坏；2.1 2.1 混凝土结构损伤机理及其危害混凝土结构损伤机理及其危害最终影响的是钢筋的锈蚀n 2.1.1 混凝土中的钢筋腐蚀 世界一些国家的腐蚀损失世界一些国家的腐蚀损失,平均可占国民经济总产值的平均可占国民经济总产值的2%4%;其中其中,被认为与被认为与钢筋腐蚀有关者可占钢筋腐蚀有关者可占40%（至今我（至今我国尚无确切统计数据国尚无确切统计数据)。美国美国1984年报道，仅就桥梁而言年报道，仅就桥梁而言,57.5万座万座钢

2、筋混凝土桥钢筋混凝土桥,一半以上出现钢筋腐蚀破坏一半以上出现钢筋腐蚀破坏,40%承载力不足和必须修复承载力不足和必须修复与加固处理与加固处理,当年的修复费为当年的修复费为54亿美元亿美元;1998年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费年报道钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费,一年要一年要2500亿亿美元美元,其中桥梁修复费为其中桥梁修复费为1550亿美元亿美元(是这些桥初建费是这些桥初建费用的用的4倍倍);还有报道说还有报道说,到本世纪末到本世纪末,美国要花美国要花4000亿亿美元美元用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程。用于修复和重建钢筋腐蚀破坏的工程。2.1.1 混凝土中钢筋的锈蚀（1）钢筋电化学腐蚀机理

3、钢筋电化学锈蚀eFeFe22OHeOHO2221222O2OH2O2O2O2O2OeFeFe22（1）钢筋电化学腐蚀机理OHeOHO222122（1）钢筋电化学腐蚀机理222OHFeOHFe3222424OHFeOHOOHFe（2）钢筋电化学腐蚀的动力和速度（3）影响钢筋电化学腐蚀的主要因素外在因素（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OHFeCIOHCIFe2222442OHHCIOHFeOHFeCI222222244234242232423233)(323623262HSOFeSOHFeHFeCIHCIFeOHONOFeHNOFe 钢筋的化学锈蚀24226442H

4、FeONaOHNaOHFe 钢筋的应力腐蚀钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀由于混凝土内的强碱性使得钢筋表面形成钝化膜，从而钢筋在混凝土中不会锈蚀。如果钢筋表面钝化膜被破坏，则钢筋就会发生电化学腐蚀锈蚀破坏混凝土中钢筋锈蚀，引起体积膨胀27倍，导致混凝土保护层开裂破坏混凝土中钢材的钝化会由于下列原因被破坏：混凝土中的混凝土中的Ca(OH)2被空气里的被空气里的SO2、NO2、CO2等酸性氧等酸性氧化物中和而失去碱性；化物中和而失去碱性；道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。道路除冰盐或海水带进来的氯离子的作用。钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式钢筋锈蚀导致混凝土构件破坏的几种形式某立交墩柱钢筋锈蚀情况 某

5、立交桥栏杆破损、露筋2.1.2 混凝土的碳化OHSiOCaCOCOHOHSiOCaOOHSiOCaCOCOHOHSiOCaOOHCaCOCOHOHCaCOHOHCO22332222233222233223222622426233323)(混凝土碳化机理 混凝土碳化深度公式tKDc 混凝土碳化影响因素 混凝土碳化深度合格性指标 混凝土碳化深度计算1123456DK t 23456K（1）水泥用量影响系数1.10710.9542582253CC1C11（2）水水灰比影响系数220.0172.064.151.03WCWC2（3）粉煤灰取代影响系数331.0060.170.9680.32FF3F3（4

6、）水泥品种影响系数4（5）集料品种影响系数5（6）养护方法影响系数6碳化深度小结1 1122 2C tDDC t12,C C12,D D12,t t 我国作为拥有混凝土结构最多的国家，近年来关于混凝土碳化深度预测模型的研究也很多，理论模型与经验模型两类：碳化深度与碳化时间的平方根成正比。虽然这些模型对预测混凝土碳化深度有借鉴作用，但由于一般大气环境下，影响混凝土碳化深度的因素很多，随机性也很大。这些模型都不能反映实际工程中各种影响因素具有时变性的特点。所以：碳化深度预测模型需要改进！如：贝叶斯理论等混凝土碳化深度预测方法混凝土碳化深度预测方法 上图可见，贝叶斯更新能够提高碳化深度的预测精度！事

7、实上，混凝土碳化在一定程度上对混凝土构件的强度提高是有益的！但其受压应力-应变曲线上升和下降段变陡，混凝土脆性变大。碳化前后混凝土应力应变曲线关系 在混凝土结构耐久性研究中，一个极为关键的问题就是混凝土碳化速度的准确评定，不同的碳化深度预测模型指导着不同国家的耐久性设计规范。影响混凝土碳化深度的因素很多，随机性也很大！问题提出：问题提出：1994年，英国学者年，英国学者Parrott试验发现：当用酚酞试剂测定试验发现：当用酚酞试剂测定的的碳化深度发展到距离钢筋表面一定深度而并未到达钢筋表面时，钢碳化深度发展到距离钢筋表面一定深度而并未到达钢筋表面时，钢筋便开始锈蚀筋便开始锈蚀，而且随着碳化深度

8、的增加，钢筋诱蚀速度加快，直到，而且随着碳化深度的增加，钢筋诱蚀速度加快，直到碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时，锈蚀速度才稳定下来碳化深度发展到超过钢筋位置某个长度时，锈蚀速度才稳定下来 问题答案问题答案：混凝土碳化过程中混凝土碳化过程中部分碳化区部分碳化区的存在是钢筋锈蚀速度随碳化深度的存在是钢筋锈蚀速度随碳化深度加深而增大的根本原因。加深而增大的根本原因。混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响事实上，混凝土碳化事实上，混凝土碳化的最大危害就是促使的最大危害就是促使钢筋的锈蚀！钢筋的锈蚀！l钢筋锈蚀的速度在PH911.5的区段内随pH值下降而增大，pH值在9以下时锈蚀速度保

9、持稳定不变pH值在11.5以上时钢筋处于钝化状态；l受碳化混凝土试件中，pH值由外到内是逐渐升高的，特别是当环境湿度较低时更加明显。碳化深度检测方法 碳化处理方法2.1.3 混凝土的腐蚀 混凝土化学腐蚀22442()2Ca OHSOCaSOH OOH41226332216C ASHCSHHC AS H 混凝土化学腐蚀 混凝土酸侵蚀222223423422)(2)(,(),(2)(OHmSinCaCIHCImSiOnCaOOHNOCaCaSOCaCIHNOSOHHCIOHCa 碱骨料反应32322322222)(2)()(2COKCaCOOHMgKOHCOCaMgOHSiOONaSiOOHNa

10、碱骨料反应扫描电镜下的碱性反应凝胶常见的碱骨料反应破坏形式 海水侵蚀22222424)()()()(OHMgCaCIOHCaMgCIOHMgCaSOOHCaMgSO 混凝土腐蚀防治措施2.1.4混凝土冻融破坏n混凝土结构或构件在正常使用和维护条件下，随时间的延续仍能满足预定功能的能力。个人定义个人定义n 显然，混凝土用于结构才具有耐久性要求；混凝土结构耐久性能通过混凝土耐久性体现。n 正像新拌混凝土工作性一样，混凝土耐久性也是一个综合性指标。优点：取材广泛、造价低廉、施工简单等；缺点：开裂、渗漏及基础沉降。2.2 砌体结构砌体结构云南大理千寻塔，建于南诏时期，距今千年，为聚乙烯醇水泥压力灌浆法

11、加固砖塔。荷载裂缝有：受压裂缝、受弯裂缝、局部受压裂缝、受拉裂缝以及受剪裂缝。荷载裂缝的出现，表明砌体承载力安全度不够，应及时进行加固。2.2.1 砌体裂缝的种类和原因分析 种类：种类：一是由荷载引起，反应了砌体的承载力不足或稳定性不够；二是由于温度变化或地基不均匀沉降引起。后者引起的砌体开裂约占90%左右。3.1.1 砌体的荷载裂缝裂缝顺轴向力方向，砌体中有断砖现象，当竖向裂缝连续长度超过4皮转时，砌体接近破坏。偏心受压构件，裂缝垂直于荷载作用方向；砖砌平拱抗弯强度不足产生竖向或斜向裂缝。水池池壁、筒仓等结构，裂缝与拉力方向垂直或呈马牙状。挡土墙或拱座处，裂缝呈水平或阶梯状态。大梁或梁垫下的

12、斜向或竖向裂缝。砌体的温度裂缝 温度变化所引起的裂缝，在砌体裂缝中所占的比例是最大的。温度裂缝的特点：温度裂缝的特点：一般对称分布；温度裂缝始自房屋的顶层，偶尔才向下发展；温度裂缝经一年后即可稳定，不再扩展。温度裂缝顶层斜裂缝因日照及气温变化，材料的线膨胀系数不同，并存在较强的约束，造成屋盖与砖墙变形不一致所产生的裂缝。呈正八字或倒八字形态。顶层水平裂缝砂浆强度较低时，在屋顶顶层圈梁下四角出现水平裂缝，是由屋盖的热胀或冷缩作用所致。砌体的沉降裂缝 因地基不均匀沉降引起。一般呈450的斜裂缝。沉降裂缝的特点：沉降裂缝的特点：1、多层房屋中、下部的裂缝较上部的裂缝大，有时甚至仅在底层出现裂缝；2、

13、沉降缝向上指向哪里，那里下部的沉降量必然是较大的。长高比较大的砖混结构房屋,中部地基沉降大于两端时产生八字裂缝。地基两端沉降大于中部时,产生倒八字裂缝。房屋一端处在软土地基上或较差地基上，该端产生较大沉降而产生裂缝.地基突变,一端沉降较大时,产生竖向裂缝。地震引起的裂缝 冻胀引起的裂缝。由由钢板钢板、热轧、热轧型钢型钢或冷加或冷加工成型的薄壁工成型的薄壁型钢型钢以及钢索为以及钢索为主材建造的工程结构，如房屋、主材建造的工程结构，如房屋、桥梁等，称为桥梁等，称为钢结构钢结构。钢结构是土木工程的主要结构形式之一。钢结构与钢筋混凝土结构、砌体结构等都属于按材料划分的工程结构的不同分支。结构：结构：基

14、本构件基本构件组组成的成的受力受力体系体系，建筑物建筑物(构筑物构筑物)的的骨架骨架2.2 钢结构损伤机理及其危害钢结构损伤机理及其危害钢结构的发展简史钢结构的发展简史钢钢(steel)是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼是铁碳合金，人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。钢技术的发展是密不可分的。早在公元前早在公元前20002000年左右，在人类古代文明的发祥地之一的年左右，在人类古代文明的发祥地之一的美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和美索不达米亚平原（位于现代伊拉克境内的幼发拉底河和底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁术底格里斯河之间）就出现了早期的炼铁

15、术 。早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行。我国是最早用钢铁建造承重结构的国家我国是最早用钢铁建造承重结构的国家1.铁桥墩铁桥墩(始皇始皇)2.铁链桥铁链桥3.铁塔铁塔公元公元6565年，汉明帝时代建造了铁链年，汉明帝时代建造了铁链悬桥悬桥云南云南“兰津桥兰津桥”17051705年建成的四川泸定大渡河桥，桥年建成的四川泸定大渡河桥，桥宽宽2.8m2.8m，跨长，跨长100m100m，由，由9 9根桥面铁链根桥面铁链和和4 4根桥栏铁链构成，两端系于直径根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm20cm、长、长4m4m的生铁铸成的锚桩上。的生铁铸成的锚桩上。公元公

16、元10611061年（宋年（宋代）在湖北荆州代）在湖北荆州玉泉寺建成的玉泉寺建成的1313层铁塔层铁塔 建国以来钢结构的发展概况建国以来钢结构的发展概况5050年代年代,为为初盛时期初盛时期（156156项援建工程大部分为重型钢结构）项援建工程大部分为重型钢结构）。60-7060-70年代年代,为为限制使用限制使用时期时期，当时中国钢产量仅当时中国钢产量仅1 12 2千万吨，主要千万吨，主要用于国防用于国防.机械业。当时国家政策建筑业中机械业。当时国家政策建筑业中 “凡是可用其它材料代替的，凡是可用其它材料代替的，均不用钢结构建造均不用钢结构建造”。由于受到钢产量的制约，。由于受到钢产量的制约，钢结构仅在钢结构仅在重型厂房、大重型厂房、大跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构跨度公共建筑、铁路桥梁以及塔桅结构中采用。中采用。二十世纪钢筋混凝土结构成二十世纪钢筋混凝土结构成为中国主导结构。为中国主导结构。80-9080-90年代年代后后,出现了出现了新的发展时期新的发展时期（钢产量自钢产量自19961996年起连续多年超亿吨年起连续多年超亿吨),),国家鼓励建筑用钢鼓励建筑用钢。中国钢结构应