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1、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-aggregate Reaction，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
2、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
3、-，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50m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(dedolo
4、mitization)。 CaMg(CO3)2 + 2ROH =Mg(OH)2 + CaCO3 + R2CO3 R2CO3+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，+、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，
5、主要是由于去白云化反应为自由能降低的过程，G= - 12.18 kJ /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
6、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
7、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。,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
8、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
9、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,三、碱一骨料反应破坏特征,1) 时间特征: 510年内发生破坏, 比其它耐久性破坏的速度快。,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
10、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,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
11、土AAR破坏的重要手段。,1) 岩相法(ASTM C295)： 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/L NaOH溶液调整； 骨料：级配满足下表要求
12、； 灰砂比：质量比l:2.25； 砂浆流动度：105 mm-120 mm： 试体尺寸：25mm 25mm 285mm。,2) 砂浆棒法 (ASTM C227)： 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。,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
13、，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 (ASTM C1260)： 基于ASTM C227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；
14、 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(ASTM C1293)： 类似于ASTM C227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。,型波特兰水泥：碱含量(0.90.1)%，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、105mm的集料各占1/3，快速砂浆棒法的14d膨胀率小于0.1%的细集料； 2)评定细集料时，应使用快速砂
15、浆棒法的14d膨胀率小于0.1%的粗集料。 配合比：水泥用量420kg/m3，粗集料:细集料=60: 40，水灰比0.420.45： 试体尺寸：75mm75mm350mm。,评定标准：半年膨胀率超过0.03%或3月膨胀率超过0.02%，一年膨胀率超过0.04%，为活性骨料。,采用混凝土试件，更接近实际工程情况； 可同时适用于硅质骨料和碳酸盐骨料碱活性检验； 经多个实验室研究，表明水泥碱含量、试体尺寸等参数对结果无明显影响； 实验周期较长。,主要特点：,应用方面：值得推广应用，作为最终判据,5)蒸压法(CECS48:93)：快速法，中国法,硅酸盐水泥：碱含量0.40.8%，净浆膨胀值不大于0.0
16、2%，外加KOH溶液调整水泥碱含量达1.5%； 骨料：0.630.16mm，小于0.15mm的粉料不超过0.5%； 灰砂比：分别为10:1、5:1、2:1； 水灰比：0.3; 试体尺寸：10mm 10mm 40mm。,主要特点：快捷，试验周期为3d；适用于碱硅酸活性骨料；各国相继采用类似方法。,250ml 的10%浓度KOH溶液,三个配比中最大膨胀值大于等于0.1%为活性骨料，小于时为非活性骨料。,6) 小结：,岩相法是其他方法的前提； 快速砂浆棒法和压蒸法是发展的主流； 化学法和砂浆棒法有逐渐被淘汰的趋势； 混凝土棱柱体法通常不用，但可作为最终检验依据,五、碱骨料反应预防措施,控制混凝土中含碱量 ； 选择低碱活性骨料； 改善混凝土所处环境，隔绝湿气进入； 掺混合材； 掺特殊外加剂,1) 控制碱含量：,水泥：混凝土中碱的主要来源，严格控制水泥含碱量及水泥用量，水泥碱含量0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限； 外加剂：使用低碱外加剂； 掺合料：硅灰、粉煤灰碱含量低
