混凝土碱骨料反应

混凝土碱骨料反应1940年,Stanton发现California,Bradley的公路AAR破坏碱－骨料反应(Alkali-aggregateReaction，AAR)：混凝土中的碱(Na+、K+、OH-)与具有碱活性的骨料发生的一种膨胀性化学反应，混凝土的“癌症”。国内外概况自Stanton之后，美国其它州也相继发现AAR破坏，目前美国有半数以上州发生了AAR破坏；加拿大1953年发现首例AAR破坏事例，目前几乎遍及各省地区；英国自1975年发现首例AAR破坏事例，近期调查表明在6000座钢筋混凝土桥梁中,有165座已确信受AAR的破坏,有303座被怀疑为AAR所破坏；丹麦早在50年代调查全国431座混凝土建筑物,其中3/4的建筑物遭受了不同程度的AAR破坏;法国北部调查了1970年后建成的860座桥,受AAR破坏者为123座,占14%；中国在1990年后相继发现了立交桥、机场、大型预应力混凝土铁路桥梁和轨枕、工业及民用建筑因AAR而破坏。AAR已成为混凝土工程的全球性灾害问题。指无定形二氧化硅、隐晶质、微晶质和玻璃质二氧化硅。如:蛋白石、玉髓、隧石、受应力变型的石英。一、碱一骨料反应机理1、碱—硅酸反应定义：骨料中的活性二氧化硅与碱发生化学反应生成膨胀性碱硅胶，导致混凝土膨胀性开裂。指孔溶液中的Na+、K+、OH-，来自水泥、外加剂、环境等。＊取决于骨料中SiO2的结晶程度和混凝土中碱含量蛋白石玉髓反应机理：膨胀机理：吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大时体积可增长3倍以上，大量凝胶体在混凝土骨料界面区的积聚、膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。2、碱—碳酸盐反应定义：某些骨料中的碳酸盐矿物与碱发生的化学反应引起混凝土的地图状开裂。指白云石与石灰石含量大致相等，粘土的质量含量约为5%一20%，白云石颗粒粒径约在50μm以下且被微晶方解石和黏土包围。指孔溶液中的Na+、K+、OH-，来自水泥、外加剂、环境等。反应机理：碱与白云石发生反应,去白云化(dedolomitization)。CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3去白云石化反应是一个固相体积减小过程，膨胀破坏如何产生?膨胀机理：Gillott认为：白云石晶体中包裹有干燥的黏土，去白云石化反应使菱形白云石晶体遭受破坏，使黏土暴露出来，黏土吸水膨胀，从而造成破坏作用。唐明述院士认为：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是：微晶方解石和网络状分布的粘土构成了这种岩心的基质，菱形白云石晶体彼此孤立地分布于其中。一方面，Ｒ+、OH-和水等进入受限制的紧密空间产生膨胀，这些离子之所以会挤入受限空间发生反应，主要是由于去白云化反应为自由能降低的过程，ΔG=-12.18kJ/mol。另一方面，去白云石化反应生成的水镁石和方解石晶体颗粒细小，这些颗粒间存在大量孔隙，使固相反应产物的框架体积大于反应物白云石的体积，在限制条件下，固相反应产物的框架体积的增大以及水镁石和方解石晶体生长形成的结晶压，产生膨胀应力。3、碱—硅酸盐反应定义：碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。蛇纹石、伊里石、绿泥石、滑心、白云母、黑云母、铁锂云母、高岭石、微晶高岭石等层状结构的硅酸盐矿物；很多人反对将这种碱—骨料反应划分为新的一类；唐明述院士研究表明：这些层状结构硅酸盐矿物自身不具有碱活性，产生膨胀反应的是其中含有微晶石英或玉髓。碱—硅酸盐反应的实质仍属碱-硅酸反应。二、碱一骨料反应发生条件与影响因素1、发生条件＊混凝土中含有充足的碱(Na2O与K2O)；＊骨料中含有碱活性矿物；＊潮湿环境。(1)混凝土中碱含量：当量Na2O(Na2O+0.66K2O)来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围环境。低碱水泥：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。发生碱骨料反应的碱含量范围：高活性的硅质骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3;中等活性的硅质骨料，大于3.0kg/m3;碱—碳酸盐反应活性骨料，大于1.0kg/m3。我国标准CECS53:93《混凝土碱含量限制标准》中，提出了防止碱—硅酸反应的碱含量限值。(2)碱活性骨料含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱—碳酸盐反应活性的只有黏土质白云石质石灰石。充分掌握骨科碱活性的情况，建立碱活性骨料分布图。火成岩花岗岩应变石英含量＞30％花岗闪长岩紫苏花岗岩浮石酸至中性富二氧化硅的火山玻璃体、鳞石英流纹石安山石英安岩粗面岩珍珠岩黑耀岩火山凝灰岩低硅玄武岩玉髓、蛋白石变质岩片岩应变石英含量＞30％片麻岩石英岩应变石英含量＞30％，隧石含量＞5％角页岩页硅酸盐、变石英干枚岩泥板岩沉积岩砂岩应变石英、隧石含量＞5％硬砂岩页硅酸岩、应变石英隧石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土蛋白石、微晶石英碳酸岩泥质白云石、页硅酸岩各国已发现碱活性矿物(3)潮湿环境只有在空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境中，AAR破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治AAR破坏的一个有效措施。2、影响因素(1)混凝土中碱含量：碱含量越高，碱骨料反应膨胀开裂越严重；硅质集料的活性越高，其“安全总碱含量”越低；ACR的安全总碱量远低于ASR，更难预防。(2)活性骨料含量：每种活性骨料都存在一个最不利掺量范围，这与混凝土中活性SiO2/碱含量有关．原始SiO2/Na2O与溶胶中SiO2/Na2O当SiO2/Na2O的摩尔比为4.75时，溶胶中SiO2/Na2O的摩尔比达到最大值4.5，此时溶胶中的SiO2含量最高、胶粒尺寸小，具有最强的吸水膨胀性，破坏能力最强。(3)矿物掺合料：可有效抑制碱骨料反应对混凝土的破坏。掺硅灰掺粉煤灰火山灰作用降低水泥石中的大量Ca(OH)2；生成大量低Ca/Si比水化产物，对碱的物理稀释和吸附；物理填充和火山灰反应使水泥石结构更加致密。(4)环境温度与湿度：高温、高湿环境对碱骨料反应有明显加速作用。不同温度下砂浆棒膨胀随时间的增长情况砂浆先干燥蒸发一定水后再湿热养护膨胀率混凝土碱骨料反应主要影响因素混凝土碱含量，增加－－碱活性骨料，最不利含量范围－－矿物掺合料，增加掺量＋＋环境条件，高温、高湿－－掺减水剂、引气剂＋三、碱一骨料反应破坏特征1)时间特征:5~10年内发生破坏,比其它耐久性破坏的速度快。工程名称建设时间发现明显碱骨料破坏破坏年限英国西南部普利茅斯城，老沼泽磨坊桥1969-1970年70年代未，明显裂缝10年左右加拿大康沃尔城，某公路1979年1986年，整个路面呈蛛网状开裂7年加拿大，博赫尔洛依斯水电站1928年开始1940年，发现电站坝体因裂缝而渗漏12年英国普利茅斯，停车场1970年1980年，决定修补10年香港，某水处理厂1980-1982年1991年，明显开裂9-12年香港，NorthPoint公立学校1987年1999年，明显开裂12年香港某水处理厂香港某水处理厂2)膨胀特征:膨胀开裂发生在整个结构物中，使结构物发生整体位移或变形，如膨胀错位、弯曲、扭翘等。3)开裂特征:内部骨料周围膨胀受压，表面混凝土受拉开裂。对于不受约束和荷载或约束和荷载较小的部位，—般形成网状裂缝（表面保护层呈地图状裂缝）。对于钢筋限制力较大的区域，裂缝常常平行于钢筋方向；在外部压应力作用下，裂缝也会平行于压应力方向。碱-骨料反应在开裂的同时，经常出现局部膨胀，使裂缝两侧的混凝土出现高低错位和不平整。混凝土表面网状裂缝4)凝胶析出特征:发生碱—硅酸反应的混凝土表面经常可以看到有透明或淡黄色凝胶析出；碱—碳酸盐反应中未生成凝胶，混凝土表面无凝胶析出。5)内部特征:在骨料间产生网状的内部裂缝，在钢筋等约束或外压应力作用下，裂缝会平行于压应力方向成列分布，与外部裂缝相连；某些骨料周围形成一些深色的反应环；混凝土内部空隙、裂缝、骨料—浆体界面发现凝胶。6)潮湿特征:越潮湿的部位反应越强烈，膨胀和开裂破坏越明显；对于碱—硅酸反应引起的破坏，越潮湿的部位其凝胶析出等特征也越明显。混凝土工程碱骨料破坏特征时间范围：5~10年＊体积变形：整体膨胀＊＊表面裂缝：网状开裂＊＊表面析出物：透明或淡黄色凝胶＊＊＊内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环＊＊外界条件：潮湿环境＊四、碱－骨料反应检测方法骨料的碱活性检测是防止新建混凝土AAR破坏的重要手段。检测方法美国ASTM欧洲RILEM英国加拿大CSA中国岩相法C295AAR-1BS812：Part104--《水工砼试验规程》(SD105-82)化学法C289------砂浆棒法C227------快速砂浆棒法C1260AAR-2DD249:1999A23.2-25A混凝土棱柱体法Cl293AAR-3BS812：Part123A23.2－14A--蒸压法AAR-4(混凝土)----CECS48∶93(砂浆)1)岩相法(ASTMC295)：基于光性矿物学理论，把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定岩相种类、矿物组成及其含量，矿物结晶程度和结构等来判断骨料是否为活性；还可借助于扫描电镜，X-衍射分析、差热分析、红外光谱分析等手段。＊主要特点：操作简单，试验速度快；适用范围广，可直接观察到集料中的活性组分；得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系；需要有相当熟练的技术。应用方面：作为集料碱活性鉴定的首选方法，其鉴定结果对进一步选择合适的检测方法具有重要指导作用．高碱波特兰水泥：碱含量大于0.8%，或外加1.79mol/LNaOH溶液调整；骨料：级配满足下表要求；灰砂比：质量比l:2.25；砂浆流动度：105mm-120mm：试体尺寸：25mm×25mm×285mm。2)砂浆棒法(ASTMC227)：直接测量砂浆长度以反映集料与碱作用所产生的膨胀率大小，是检测骨料碱活性的经典方法。筛孔尺寸/mm质量百分比(%)筛孔尺寸/mm质量百分比(%)5～2.5100.63～0.315252.5～1.25250.315～0.16151.25～0.63251d1m2m3m6m9m12mDemould(L0)L1L2L3L６L９L１２Cureat(38±2)℃andRH＞95%Initial1m2m3m6m9m12m评定标准：3个月膨胀率小于0.05%或6个月小于0.1%，非活性集料。＊主要特点：提出时间较早、技术成熟，可直接观测到膨胀值大小；试验周期较长，时间上不能满足很多情况下工程需要；适用于活性较高、反应较快的骨料，对于反应较慢的活性骨料或活性较低的骨料往往导致误判（英国、日本）；检测结果受水泥碱含量、水灰比、养护容器的湿度控制精度等影响较大，不适于碱碳酸活性骨料。应用方面：遭到国际许多专家质疑，在欧洲、加拿大等国已淘汰，国内各行业标准还沿用。原材料、灰砂比、试件尺寸、制作过程与C227相同；水灰比：0.47；养护制度：先80℃恒温水浴1天，再浸入1mol/L的NaOH溶液在80℃恒温条件下养护．3)快速砂浆棒法(ASTMC1260)：基于ASTMC227发展起来的一种加速试验方法，又称南非法(NBRI法)。评定标准：14d膨胀率小于0.1%，骨料无害；膨胀率大于0.2%，具有潜在有害碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，应用混凝土棱柱体法进一步鉴定。＊主要特点：试验周期缩短，操作性强，测试精度高；实验室结果与工程实际一致性好；由于高温养护条件，测试结果偏大，存在错判危险；只适用于硅质骨料，可作为筛选集料的强有力工具，不可作为拒绝集料的依据。应用方面：各国应用最广，首选方法之一。4)混凝土棱柱体法(ASTMC1293)：类似于ASTMC227方法，通过测量混凝土棱柱体试件的长度变化反映骨料碱活性大小。Ⅰ型波特兰水泥：碱含量(0.9±0.1)%，拌和水中掺加NaOH使水泥碱含量调到1.25%；骨料要求：1)评定粗集料时，集料级配为20~14mm、14~10mm、10~5mm的集料各占1/3，快速砂浆棒法