关于混凝土碱集料反应(AAR)病害问题及对策的探讨

关于混凝土碱集料反应（AAR）病害问题及对策的探讨－－－－兼述北京地区混凝土碱集料反应预防规程2004.12.19李亚铃内容提要混凝土工程的合理寿命混凝土工程的病害分类混凝土碱集料反应病害的定义及分类混凝土碱的来源，检定方法及含量限制混凝土砂石（集料）的碱活性意义及检定方法混凝土工程的分类设防规定抑制混凝土碱集料反应病害的机理市建委、市规委关于混凝土碱集料反应预防规程的实施一、混凝土工程的合理寿命波特兰水泥专利（1824、英J.阿普斯丁）钢筋混凝土桥（1875、法、宽3.96m、长16m）钢筋混凝土理论（1879、法F、埃纳比克）唐山水泥厂投产（1889、启新水泥厂）中国现存混凝土建筑物山东刘公岛炮台（1894年前）上海电话大楼（1908年）北京东郊民巷水泥柱（1917年）在合理使用维护条件下混凝土工程100年二、混凝土病害分类1.新浇混凝土硬化早期的裂纹2.冻融开裂、剥蚀3.钢筋锈蚀开裂、剥蚀4.化学剥蚀5.高温烘烤（300℃以上温度）6.碱集料发应胀裂、剥蚀三、碱集料发应（AlkaliAggregateReaction简写作AAR）定义碱指K、Na通常按Na2OE=Na2O+0.658xK2O活性集料（砂石）：指玻璃质、隐晶质、微晶质的岩矿或晶格扭曲、损坏的岩矿碱凝胶产生、聚集、吸水膨胀开裂现场建筑物多种病害的综合症状西直门原老桥在1999年春拆除前留影西直门原老桥在1999年春拆除前留影混凝土碱凝胶的微观放大图碱集料反应（AAR）分类碱硅酸反应（ASR）美国D.E.Standon19402NaOH+XSiO2-----Na2O.XSiO2.H2O碱碳酸发应（ACR）加拿大E.G.S.Wenson1957CaMg(CO3)2+2NaOH-----Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3+Ca(OH)2-----2NaOH+CaCO3北京地区以ASR为主体（ACR待勘定）碱硅凝胶的化学组成(EDAX能谱法)(显示硅、钠等的明显集聚)样品Na2OESiO2CaOAl2O3等111.3365.260.9116.90211.5257.792.7822.04326.8134.825.5419.09410.7447.202.5235.52水泥熟料1%20%65%6%碱碳酸反应生成物Mg(OH)2水镁石的基本技术特征三方晶系、层状构造比重2.3－2.4硬度莫氏2.5晶体常数L63L2PC33四、混凝土碱的来源，检定方法及含量限制1.水泥含碱0.5－1.0%,来自石灰石，粘土和富集K＋Na＋烟道灰，以及水渣等混合物（按100％全碱计）2.粉煤灰含碱1.5-4%，来自原煤（按15％全碱计）3.高炉水淬渣，含碱1.5-4%，来自矿石，耐火材料（按50％全碱计）4.硅灰含碱1－3%，来自矿石，耐火材料（按50％全碱计）5.化学外加剂含碱较高的Na盐，硫酸钠,亚钠，硝钠等（按100％全碱计）6.砂石水洗一般不含可溶K,Na7.碱检定用火焰光度计（有效碱用ASTMC311）五、混凝土用砂石(集料)的碱活性及检定方法1.岩相法ASTMC295,JGJ532.化学法ASTMC289,JGJ533.砂浆棒法ASTMC227,JGJ53(6个月周期)ASTMC1260(16天周期)(只适用于ASR)4.岩石柱法ASTMC586,JGJ53(84个周期)(只适用于ACR)5.混凝土棱柱法CSAA23214A(一年周期)（ASRACR通用）6.小砂浆棒法（推荐使用，ASR,ACR通用）7.矿物外加剂抑制AAR评价法ASTMC441ASTMC227(JGJ53)(用于检定ASR)5.00-2.502.50-1.251.25-0.630.63-0.3150.315-0.16010%25%25%25%15%1、粒级2、水泥比集料1：2.25(水泥含碱1.2%)3、水量以流动度105～120mm计4、24H脱模（模40×40×160mm）测基长5、在40＋2℃，100％湿度下养护6、6个月膨胀量≥0.1%为活性0.1%为非活性ASTM1260(用于检定ASR)1、粒级：同ASTMC2272、水泥比集料：1：2.25(水泥含碱不限)3、水量：以水灰比0.47计4、24H脱模（模24.5×24.5×285mm）80℃热水中养护24H测基长5、在80℃1MNaOH溶液中养护14d6、膨胀量0.2%为活性0.1%为非活性当0.1-0.2%时再延长养护到28d，检查膨胀量变化ASTMC586(用于检定碳酸岩的ACR)1.用5％稀HCl，检定碳酸岩2.在岩石样本上钻取岩芯（Φ9＋1mm长35＋5mm）3.在20＋2℃的水中浸泡岩芯，每24H测长一次约3－5d后，测长度变化0.02%时为基长4.在20＋2℃，1MNaOH溶液中浸泡岩芯，84d后，膨胀量≥0.1%为活性0.1%为非活性CSAA23.2-14A(用于检定ASRACR)1.粒级：取混凝土常用石子，非碱活性砂，砂率735%2.水泥：按310＋5Kg/m3计（水泥碱含量1.25%）3.水量：按坍落度80＋10mm计4.模：120×120×450mm，24H脱模，测基长5.养护：碳酸岩集料23℃，100％湿度硅质岩集料38℃，100％湿度6.膨胀量：一年后碳酸集料：冰冻有盐环境0.025％为安全不冻无盐环境0.040为安全硅质集料：冰冻有盐环境0.04％为安全不冻无盐环境0.075为安全ASTMC441(用于制定矿物外加剂抑制ACR效能)1.粒级：同ASTMC227,集料采用活性玻璃或活性石子2.水泥比集料：1：2.25（水泥含碱1＋0.5%）3.水量：以流动度105－120mm计4.矿物外加剂按体积计取代水泥25％（按重量计约相当于20％左右）5.模：24.5×24.5×285mm，24H脱模测基长6.在40＋2℃，100％湿度条件下养护14d7.当采用活性玻璃作集料时，其膨胀量不掺矿物外加剂应0.25%掺有矿物外加剂应0.02，则判定该矿物外加剂有抑制AAR效能推荐小砂浆棒法（ASR、ACR通用法）1.粒级：4.25-12.5mm(连续级配)2.水泥比集料：900g：900g（水泥含碱不限）3.水量：300g（水泥比0.33）4.模：40×40×160mm，23℃条件下24H＋2H脱模，再在80℃水中养护24H,测基长5.在80℃，1MNaOH溶液中养护30d6.膨胀量：0.04%为非活性集料（对硅灰岩可适当放宽到0.14%为非活性集料）7.本方法也可用于评定矿物外加剂对ASR的抑制效能北京地区砂石（集料）碱活性特点及其演化1990－1993普查砂石碱活性1989秋唐明述院士对京津地区AAR评价1990冬北京市科委，建委下达北京地区砂石碱活性及AAR对策的研究任务1993冬提出北京地区AAR情况及对策的报告北京地区砂石在90年代初年产2000万t，1年耗水泥450万t，年产商品混凝土200万m3取样2.8t(永定河、温榆河、潮白河及南口)岩石薄片33，XRD16，化学检定82砂浆棒7494条先检定活性岩石（8类岩石有5类为活性）再检定砂砾中活性岩石比率判定永定河石子活性最高，温榆河次之，潮白河最低，南口石子活性也高而沙子活性低北京地区常见岩石碱活性检定表类岩石类别6个月膨胀量（％）活性判定及活性矿物1长英沉积岩0.218活性（微晶晶体受伤）2长英岩浆岩0.042非活性（花岗岩）3条状硅质岩0.254活性（微晶隐晶）4块状硅质岩0.236活性（微晶隐晶）5中酸岩浆岩0.078非活性6中基岩浆岩0.071非活性7碳酸岩0.151活性（微晶）8硅质碳酸岩0.207活性（微晶）北京地区混凝土用石子碱活性检定表分类活性岩石含量％膨胀量13478小计6个月16天永定河12541321550.1070.136永定河13531614510.1190.127温榆河162355310.0440.098潮白河153266300.0500.066潮白河143256300.0470.087南口0005951000.1470.132（北京砂子为非活性）2000－2004年演变情况(ASTMC1260法)1.永定河，潮白河停采温榆河砂石枯竭新供应点军庄－门头沟、涿州、三河、怀来2.军庄－门头沟石灰岩为非活性涿州砾石（拒马河）为活性三河硅质灰岩为活性怀来石灰岩为非活性3.按膨胀量分类：非碱活性石子0.04%低碱活性石子≥0.04-0.1%碱活性石子0.1-0.2%高碱活性石子0.2%六、混凝土工程的分类及预防AAR规定I.类工程：干燥环境，不直接同水接触的环境的厂房、仓库、居室、办公室等II.类工程：同水有接触，长时间处于潮湿环境的水池，桥墩，轨枕，地下构筑物等III.类工程：潮湿且接触化冰盐水，或处于海水浸害中的盐碱浸蚀的桥梁，道路，码头，污水厂，化工厂等设计单位应按上述分类设计工程构筑物规定所用材料的限制要求混凝土工程预防AAR的规定I.类工程可不作预防AAR的措施（卫生间、厨房等要作防水措施）II.类工程一般是采用非碱活性石子时可以不作预防AAR的措施否则混凝土的总碱量应控制在3kg/m3同时采用矿物加外加剂取代水泥20％（粉煤灰，沸石粉）或50％（高炉水渣粉）或10％（硅灰）III.类工程除Ⅱ类的要求外，还需作混凝土构筑物的表面防水层七、预防混凝土AAR病害的机理探讨北京地区目前已证实的只有ASR病害ASR病害概念的演化原有传统的三元素论（活性集料、碱、水）近年研究表明，要进一步深化认识1)碱：全碱、有效碱、总碱水溶碱（Na2SO4、NaNO3、NaNO2等，和水泥）非水溶碱（矿物外加剂所含硅酸盐碱）在HF中全溶碱与混凝土中部分溶碱，进入凝胶的碱。进入CSH的碱进入沸石晶格中的碱(游离碱转化作非游离碱)2)凝胶的集聚(Focus)概念用非Focus凝胶抑制AAR的新说非Focus凝胶抑制AAR的实例法国图卢兹市的M.Moisson(莫瓦森)（国际混凝土AAR会议～2004.10.北京）％SiO2Al2O3CaONa2OE细度cm2/g石英岩95.22.60.20.54000硅灰岩17.01.942.20.66000蛋白石93.60.30.10.056500活性玻璃67.61.94.216.34000采用4种活性集料并研磨成细粉使用(活性集料产生膨胀，而加入活性细粉反会抑制)混凝土试件配比（kg/m3）石子（活性集料）粒径4－16mm砂子（非活性）中砂，矿粉（活性）水泥水矿粉(%)砂子石子石英岩1467207061811022453201120(26)4801062硅灰岩3467208056611554458203111(24)4461129蛋白石5458204062410486429190116(22)4661000活性玻璃744319706659478429210133(30)5309181.3.5.7不加矿粉2.4.6.8加入矿粉混凝土试件强度及膨胀效果对比抗压（MPa）对比％膨胀(%)对比石英岩1601000.30100.02711180.0826.6硅灰岩3581000.16100.04671150.1168.8蛋白石5471000.24100.06811720.014.2活性玻璃7451000.9010087115800混凝土试件制备程序1.水泥中原有碱加入NaOH调整到混凝土总碱量5kg/m3(按Na2OE计)2.模子：70×70×280mm3.成型后20℃，24H脱模，测基长4.在60℃，100％湿度条件下养护5.每周测膨胀变化（1－34周止）6.从70×70×280mm试件中切割出70×70×70试块立方体做抗压试验结论：抑制混凝土AAR的指导思路1.重视混凝土AAR问题（做为耐久性问题的重要部分去对待）但也不要过分紧张2.首要掌握所用砂石碱活性的基本资料3.其次要掌握水泥，化学外加剂，矿物外加剂的碱来源资料，特别要关注有效碱（有害碱）4.采用矿物外加剂要特别关注SiO2含量和细度500