碱骨料反应及预防措施

主讲人：陈海华混凝土碱骨料反应1.1混凝土碱骨料反应简介碱骨料反应开始是在30年代美国西部地区的堤坝、公路、桥梁等混凝土结构物发生异常膨胀，产生裂缝而发现的。进入70年代后，不断从欧洲、南非等地传来碱骨料反应引起的结构损伤报告，碱骨料反应作为个世界性的普遍问题被提了出来。由于碱骨料反应一般是在混凝土成型后的若干年后逐渐发生,其结果造成混凝土耐久性下降,严重时还会使混凝土丧失使用价值,且由于反应是发生在整个混凝土中,因此,这种反应造成的破坏既难以预防,又难于阻止,更不易修补和挽救,故被称为混凝土的“癌症”。1.2混凝土碱骨料反应概念碱骨料反应（AlkaliAggregateReaction简写作AAR）是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。1.3混凝土碱骨料反应危害碱骨料反应导致混凝土破坏特征均表现为混凝土膨胀开裂,大量微裂缝的产生不仅降低混凝土的力学性能,更重要的是加速了水、腐蚀离子渗入混凝土内部,从而诱发碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻融破坏协同效应,严重影响了混凝土工程耐久性能。再有碱骨料反应是在混凝土碱活性骨料周围缓慢、长期发生的,不仅无法阻止其破坏继续发展,且破坏后不宜修复,因此被称为混凝土的“癌症”。1.3.1破坏特征（1）时间性受碱骨料反应影响的混凝土需要几年或更长时间才会出现开裂破坏。（2）表面开裂如果混凝土没有施加预应力，裂缝呈网状，每条裂缝长约数厘米。在预应力作用区域裂缝将主要沿预应力方向发展，形成平行于钢筋的裂缝。（3）膨胀（4）渗出凝胶Si-ONa（5）内部凝胶碱骨料反应后的膨胀是由反应生成碱-硅酸凝胶吸水引起的，因此凝胶的存在是发生了碱-硅酸反应最直接的证明。（6）反应环有些骨料在与碱发生反应以后，会在骨料周围形成一个深色的薄圈，称为反应环。（7）内部裂纹当碱骨料反应引起超量膨胀时，会在混凝土中心形成内部裂纹，裂纹常常充满凝胶。混凝土暴露面限制了内部混凝土的膨胀，因此导致了面层的拉应力。如果反应程度足够大，在此情况下就会产生大的裂纹。1.4碱骨料反应发生条件及分类和机理（1）碱骨料反应发生条件发生碱骨料反应需要具有三个条件①混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高。②骨料中有相当数量的活性成分；③潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。（2）碱骨料反应的分类和机理按照活性材料及其产生破坏时的反应机理不同，一般将碱－集料反应分为三种：①碱－硅酸反应（Alkali-SilicaReaction）,即最早的AAR或经典的碱骨料反应。具体是指混凝土中的碱与骨料中微晶或无定型硅酸发生反应，生成碱硅酸类2NaOH+SiO2+nH2O→Na2O·SiO2·(n+1)H2O碱硅酸类会在混凝土表面形成凝胶（如图），干燥后为白色的沉淀物，具有强烈吸水膨胀的特性，此类反应一般发生在骨料与水泥石界面处，致使混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。②碱－硅酸盐反应（Alkali-SilicateReaction，ASR）,活性骨料是结晶良好的硅酸盐岩石。碱－硅酸盐反应是指混凝土中的碱与骨料中的某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间距增大，集料发生膨胀致使混凝土开裂。③碱－碳酸盐反应（Alkali-CarbonateReaction，ACR）,其活性骨料是指某些碳酸盐岩石。碱－碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩集料发生下列反应，进行的所谓去（脱）白云化作用CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3这种反应持续进行，直至白云石被完全作用或碱浓度降到足够低为止，其特点是反应较快，而且反应少见凝胶产物，多呈龟裂或开裂。1.5碱-骨料反应的检测与评价方法碱骨料反应具有很长的潜伏期，尽早确定含岩石骨料是否具有碱活性具有非常重要的意义。大体上分为三类：一是通过岩相鉴定检验骨料中是否有活性组分的岩相法；二是以骨料与碱作用后所产生的膨胀率大小作为判断的依据；三是依骨料在碱液中的反应程度作为判据的化学法。下面介绍通用的碱骨料反应实验方法。（1）岩相法该方法借助光学显微镜，X射线衍射分析等岩相分析方法，鉴定骨料的岩石种类，矿物组成及各组分含量，并以此判断骨料的碱活性。该方法的优点是速度快，可直接观察到骨料中的活性组分。岩相鉴定法对其后选择合适的检测方法有重要的指导作用，一直作为骨料碱活性的鉴定首选。缺点是得不到活性成分含量与膨胀率的定量关系，并且此法需要相当熟练地技术。（2）混凝土棱柱体法试件尺寸为75mm*75mm*（275-405mm），试件成型后用塑料膜覆盖，放于23度，100%相对湿度条件下预养护24h，脱模测其初长。然后38度，100%相对湿度下养护，测定1,2,4,8,13,26,39,52周各龄期的膨胀率。若半年超过0.03%或三个月膨胀率超过0.02%，1年膨胀率超过0.04%，则骨料为活性骨料。该法既能用于硅质骨料，又可鉴定碳酸盐骨料。另外，由于它可以使用粗骨料，因而更接近混凝土实际。但膨胀结果受水泥细度，水灰比和养护条件（温度，湿度）及配合比影响。(3)砂浆棒法取试件尺寸为25mm*25mm*385mm。成型后1d脱模，测其初始长度，然后在38度，100%相对湿度下养护，并测定不同龄期试件长度变化。若3个月膨胀率小于0.05%，6个月小于0.1%，则为非活性骨料。该方法仅适用于一些高活性的快膨胀的岩石和矿物，对慢膨胀的骨料则不能快速的提出鉴定成果。（4）快速砂浆棒法由于砂浆棒法周期长，时间上不能满足大多数工程需要，而且存在漏判例子，尤其是不能鉴定出许多慢膨胀骨料的活性，所以提出该法。试件原材料及制备程序和（3）法一样，只是采用了不同的养护制度。用试件浸泡在80度的1mol/l的NaOH溶液中，测其12d的膨胀值作为评定骨料潜在活性的依据。规定依据：膨胀率小于0.1%为非活性，膨胀率大于0.2%为活性。该法过于严格，某些被证明是无害的骨料可能被判为有害。1.6碱-骨料反应的主要因素（1）水泥的含碱量碱骨料反应引起的膨胀值与水泥中的Na2O的含量紧密相关；混凝土总碱含量规定不大于3.0Kg/m3,另外规定水泥中碱含量小于0.6%。（2)混凝土的水灰比在通常的水灰比范围内，随着水灰比减小，碱骨料反应得膨胀值有增大的趋势，在水灰比为0.4时膨胀量最大。（3）反应骨料的特性其中包括骨料的矿物成分，粒度和集量有关。随着反应性骨料含量的增加，混凝土的反应膨胀量加大；粒度过大过小都能使反应膨胀量减小，中间粒度（0.15~0.6mm）的骨料引起的反应膨胀量最大，因为此时反应性骨料的总表面积最大；反应性骨料孔隙率对其反应膨胀量也有影响。（4）混凝土的孔隙率混凝土的空隙也能减缓碱骨料反应时胶体吸水产生的膨胀压力，因而随孔隙率增加，反应膨胀量减小，特别是细孔减缓效果最好。因此，加入引气剂能减缓碱骨料反应的膨胀。（5）环境温湿度的影响混凝土的碱骨料反应离不开水，因此环境湿度对其有明显影响。虽然说在低湿度条件混凝土空隙中的碱溶液浓度增大会促进碱骨料反应，但如果环境相对湿度低于85%，外界不供给混凝土水分，就不会发生混凝土中反应胶体的吸水膨胀，它的最不利相对湿度为90%-95%。。每种反应性骨料都有一个温度限值。在该温度以下，随温度增高膨胀量增大，当超过该温度限值时，反应膨胀量明显下降，最不利温度在37.8-40度之间。四、碱骨料反应的预防措施1、控制水泥碱含量，优先选用碱含量小于0.6％的低碱水泥。一般情况下，把水泥碱含量低于0.6％氧化钠当量（即Na2O+0.658K2O）作为预防碱骨料反应的安全界限。当然，低碱水泥本身并不能控制碱－集料反应。2、确定最小水泥用量。在满足工程要求的强度及耐久性前提下选择合适的水泥用量。3、控制混凝土中总含碱量。混凝土中碱的来源不仅有水泥，还包括混合材、外加剂、水以及骨料等，因此控制混凝土中各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更为科学，目前已为许多国家所接受。如我国建设的南水北调中线工程，对具有碱活性或疑似碱活性的集料，规定干燥环境下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类工程，其混凝土中总碱量不得大于3.0Kg/m3；潮湿环境下的Ⅰ类工程混凝土总碱量不大于3.0Kg/m3，Ⅱ、Ⅲ类不大于2.5Kg/m3。4、避免使用活性骨料。如果混凝土的含碱量低于3.0Kg/m3，可以不做骨料碱活性检验，否则应对骨料进行碱活性检验，如检验判定为碱活性材料，则不能使用，或经试验将其于非活性骨料按一定比例混合后确定对工程无损害的，方可使用。5、采用掺合料，用天然沸石，硅粉、粉煤灰、火山灰或磨细矿渣微粉取代水泥拌制混凝土。硅灰添加量为5％～1O％时混凝土的膨胀量可减少1O％～2O％，其控制效果根据反应性骨料及硅灰的种类而不同。掺用粉煤灰或火山灰质材料时，它们对水泥的置换率不应小于25％，最大取代率宜控制在40％左右，因为高掺量既给施工造成困难，又使混凝土早期强度降低。6、隔绝水和潮湿空气。在可能发生碱骨料反应的部位采取措施有效地隔绝水和空气的来源，可以缓和碱骨料反应对工程的损害。7、掺用外加剂。如锂盐外加剂可有效的减少ASR膨胀破坏，引气剂可使混凝土具有4％-5％的含气量，增加其中的细微孔隙，可以容纳一些反应物，从而缓解碱骨料反应的膨胀压力，减轻碱骨料反应对工程的损害。