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碱骨料反应对混凝土耐久性影响研究_周莉桦

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碱骨料反应对混凝土耐久性影响研究

周莉桦

(中冶建筑研究总院有限公司,北京󰀁100088)

摘󰀁要:碱骨料反应是影响混凝土耐久性的主要因素之一。根据近年来国内外在碱骨料反应方面的研究现状,从普通混凝土的组成出发,阐述了碱骨料反应的分类、反应机理、影响因素诊断及鉴定方法、预防措施等。在综合分析现状的基础上,指出了碱骨料反应控制工作中有待解决的问题,并提出了相关建议,可供工程应用参考。

关键词:碱骨料反应;混凝土;耐久性

RESEARCHONINFLUENCESOFALKALI-AGGREGATEREACTIONS

ONDURABILITYOFCONCRETE

ZhouLihua

(CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo󰀁Ltd,MCC,Beijing100088,China)

Abstract:Concretealkal-iaggregatereactionisoneofthemainfactorsinfluencingconcretedurability󰀁Basedontherecentresearchprogressinalkal-iaggregatereactionachievedbothathomeandabroad,fromthecompositionofconcrete,itisclearlyexpoundedtheclassifiction,mechanism,impactingfactors,diagnosismethodsandpreventionmeasuresofthealkal-iaggregatereaction󰀁Aftercomprehensiveanalysisofthepresentstatus,itisalsopointedouttheproblemsthatneedtoberesolvedandsuggestionsincontrollingthealkal-iaggregatereaction,whichprovidesareferenceforuseofactualprojects󰀁Keywords:alkal-iaggregatereaction;concrete;durability

󰀁󰀁碱骨料反应(简称AAR)是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应,是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。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结构中,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。

半个多世纪以来,碱骨料反应已经在全世界近20多个国家造成了严重的损失

[1-9]

[1]

1󰀁普通混土碱骨料反应

1󰀁1󰀁普通混凝土组成材料及微观结构

普通混凝土的基本组成材料是水泥、水、天然砂和石子,另外,还常掺入适量的掺合料和外加剂,按适当比例配合、拌制成拌合物,经一定时间硬化而成的人造石材。混凝土是一个宏观匀质、微观非匀质的堆聚结构,混凝土的质量和技术性能尤其是混凝土耐久性,很大程度上是有原材料的性质及其相对含量所决定,同时也与施工工艺(配料、搅拌、捣实成型、养护等)有关。其微观结构是:水泥和水形成水泥浆,包裹在砂粒表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆;水泥砂浆又包裹石子,并填充石子间的空隙而形成混凝土拌合物;该拌合物经过一定时间的凝结硬化,形成坚硬的石状材料即普通混凝土[4]。1󰀁2󰀁普通混凝土碱骨料反应

第一作者:周莉桦,女,1983年出生,博士,助理工程师。E-mail:zhoulihua1029@sohu.com收稿日期:2011-02-19

。目前,我国发

生混凝土碱骨料反应的情况虽然不十分广泛和突

出,但参照国外的经验和前几十年内我国大量使用的水泥及其他原材料的情况,估计在今后相当长的时期内,我国会出现混凝土碱骨料反应的高发期,原因是我国在19世纪50󰀁90年代生产的水泥,没有水泥碱含量,特别是近20多年大量使用混凝土外加剂(主要是防冻剂和早强剂)和各类混凝土掺加材料。

IndustrialConstructionVol.41,Supplement,2011󰀁󰀁󰀁

工业建筑󰀁2011年第41卷增刊

759

碱骨料反应是指混凝土原材料(包括水泥、骨料、外加剂、混合料及拌和水等)中的碱性物质与活性成分发生化学反应,生成膨胀物质(或吸水膨胀物质)而引起混凝土产生内部自膨胀应力而开裂的现象。

由混凝土的微观结构分析,砂、石作为骨料在混凝土中起骨架作用,但这些骨料通常含有活性的矿物成分,如蛋白石、玉髓、磷石英等含二氧化硅的矿物。这些矿物成分很容易与水泥中的碱(Na2O,K2O)发生反应而生成碱硅酸凝胶。该碱硅酸凝胶在有水的条件下吸水膨胀而发生混凝土破坏。因此,混凝土发生碱骨料反应必须具备以下3个条件:1)水泥及外掺料中碱(以Na2O当量计算)含量高;2)砂、石骨料中含有活性SiO2成分;3)有足够的水。1󰀁3󰀁混凝土碱骨料反应的类型及机理

依据参与碱骨料发应的岩石种类与反应机理,碱骨料发应反映可分为碱硅酸反应、碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应。

1󰀁3󰀁1󰀁碱硅酸反应

碱硅酸反应(ASR)是指混凝土中碱与骨料中微晶或无定形硅酸(主要为活性氧化硅)发生反应,生成硅酸盐类,反应方程式见式(1):

2NaOH+SiO2+nH2O󰀁Na2󰀁SiO2󰀁nH2O

(1)

碱硅酸类呈白色凝胶固体,且具有强烈吸水膨胀的特征,这种反应一般发生在骨料与水泥石界面处,混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。能使碱发生反应的活性氧化硅矿物除蛋白石和含蛋白石的页岩等外,还有结晶有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等,而这些活性矿物广泛存在于多数岩石中。因此,迄今为止,世界各国发生的碱骨料反应绝大多数为碱硅酸反应。1󰀁3󰀁2󰀁碱碳酸盐反应

碱碳酸盐反应(ACR)是指混凝土中的碱与具有特定结构的粘土质细粒白石质石灰岩或粘土质细粒白石岩骨料发生反应,进行所谓的去(脱)白石化作用,反应方程式见式(2)、式(3):

CaMg(CO3)2+2NaOH󰀁Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3(2)

Na2CO3+Ca(OH)2󰀁2NaOH+CaCO3

(3)

去白石化反应将持续进行,直到白云石被完全作用或碱的总量被持续发生的反应所消耗,使碱浓度降到足够低为止。碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应不同,其特点是反应较快,一般在混凝土浇注后3个月就有膨胀或开裂现象,反应物中很少见凝胶产物,760

多呈龟裂或开裂,反应的岩石周边反应环界限不很清晰。

1󰀁3󰀁3󰀁碱硅酸盐反应

碱硅酸盆反应是指混凝土中的碱与骨料中某些多状结构的硅酸盐发生反应,使层状硅酸盐层间间距增大,骨料发生膨胀,致使混凝土膨胀开裂。能发生这类反应的岩石有:页状硅酸盐岩石、石英质岩石、混合性硅酸盐岩等。碱硅酸盆反应的特点是:在混凝土中膨胀的速度非常缓慢,一般经过30~50d才会出现膨胀开裂现象,骨料颗粒周围少见反应环,凝胶产物也不多见。由于岩石发生碱性反应的过程缓慢,用传统的检测手段,尚不能检测出其碱活性,因此,这一方面的问题,还有待进一步的研究。2󰀁碱骨料反应的诊断方法2󰀁1󰀁外观诊断2󰀁1󰀁1󰀁裂缝特征

碱骨料反应所产生的混凝土裂缝与结构钢筋的数量、分布所形成的约束有关。钢筋、约束作用强的混凝土,其裂缝往往发生在平行于约束力的方向。、约束作用力弱或不受约束(无筋或少筋)的混凝土,其裂缝往往呈网状(龟背状或地图形),典型的裂缝网接近六边形,裂缝从网节点三岔分开,在较大的六边形之间还可再发展出小裂缝。、约束作用较均匀的混凝土部位,裂缝分布也较均匀。

混凝土碱骨料反应裂缝出现较晚,多在施工后数年以上。此外,环境越干燥收缩裂缝越扩大,而碱骨料反应裂缝则随湿度增大而增大。由碱骨料反应引起的裂缝往往发生在混凝土截面大、受雨水或渗水影响、受太阳照射而引起环境湿度、温度变化大的部位。

2󰀁1󰀁2󰀁渗流物特征

混凝土碱骨料反应的产物碱硅凝胶可顺裂缝渗流出来,凝胶多半为半透明的乳白色或黄褐色,在流经裂缝、孔隙的过程中吸收钙、铝、硫等化合物也可变为茶褐色以至黑色,流出的凝胶多有较湿润的光泽,长时间干燥后变为无定形粉状物。2󰀁1󰀁3󰀁结构变形特征

碱骨料反应膨胀常使混凝土结构发生整体变形或移位病象,如有的桥梁支点因膨胀增长而错位,有的大坝因膨胀导致坝体升高,有些横向结构在两端的条件下因膨胀而发生弯曲、扭翘等现象2󰀁2󰀁检测诊断2󰀁2󰀁1󰀁取芯检测法

[7]

在混凝土工程现场钻取芯样,进行有关项目的检查。1)用肉眼或立体显微镜观察,再用偏光显微镜观察光薄片,一般碱骨料反应造成的破坏常会损伤骨料颗粒,裂缝多从骨料延伸至浆体。有时还能明显观察到骨料裂开,或边缘被撕裂。因为冰冻、盐腐蚀、化学腐蚀、碳化、机械荷载不会使骨料颗粒受到损伤(除非使用不抗冻的多孔骨料)。因此这是区分碱骨料反应与其他破坏因素的重要特征。2)依靠电子显微镜加上能谱分析和X光衍射分析可观察骨料周围自色胶状物(碱硅酸凝胶)的化学成分,如含有钾、钠元素,这是发生碱骨料反应的直接证明。3)芯样的长期养护与观察,将芯样置于实验室室温下的潮湿容器,长期养护和观察。芯样裂缝的显著扩大是碱骨料反应破坏作用最有说服力的证据。2󰀁2󰀁2󰀁非破损检测法

研究表明,碱骨料反应会使工程结构的回弹值降低;用超声波仪测得的弹性模量也会降低,且降低率比抗压强度降低率更显著。因此,可用回弹法、超声波等无损检测方法来检验。2󰀁2󰀁3󰀁从混凝土中取出骨料鉴定碱活性

一个受损害的工程是否由于碱骨料反应引起,还需鉴定骨料是否具有碱活性以及水泥的碱含量。将混凝土的骨料用机械方法和化学方法(一般是盐酸溶液处理)分离并鉴定其碱活性。根据普通混凝土用砂石标准的规定,骨料碱活性的鉴定有4种方法:岩相法、化学法、砂浆长度法及岩石柱法。

由于碱骨料发生反应的时间(一般在混凝土成型后8~10d)与产生破坏的时间(一般在混凝土成型数年后)不同,因此在判定混凝土是否发生碱骨料反应时,不可能完全按实际情况进行模拟。目前采用的主要方法是快速试验法。其做法是采用高碱拌合物或将试样浸入碱溶液以增加碱的浓度;将试样置于较高的温度环境或采用压蒸处理;将试样置于高压环境;将试样置于高湿度或水溶液中;将骨料破碎成粉末或砂粒状以提高其比表面积等。

3󰀁碱骨料反应的预防措施

实践证明,混凝土工程一旦发生碱骨料反应膨胀破坏,几乎无法修补。因此,有关预防和抑制碱骨料反应的研究倍受工程和学术界的重视。预防和抑制碱骨料反应的措施包括两大类:物理措施和化学措施,前者主要通过对混凝土表面进行防水处理、选择不含活性组分的集料和使用低碱水泥等,后者包括使用矿物掺合料和掺加化学外加剂等,虽然原理有所不同,但实际应用中往往采用几种途径综合处

理。3󰀁1󰀁混凝土碱含量

使用低碱水泥,从而将混凝土的总碱量控制在足够低的水平,可以有效防止碱骨料反应破坏的发生。通常所说的低碱水泥是指其碱含量低于水泥重量0󰀁6%(以Na2O当量计算)的水泥。目前,在碱骨料反应较严重的国家或地区如南非、美国、口本、加拿大等,均将使用低碱水泥作为预防碱骨料反应的重要措施。该措施与使用低碱水泥的目标一致,但它将混凝土中各组分所带入的总碱量作出规定,控制条件更严格,技术上也更合理。但根据研究认为控制有效碱的含量才是碱骨料反应的关键。3󰀁2󰀁使用非活性骨料

骨料的活性及矿物成分是混凝土产生碱骨料反应的重要要素。使用非活性骨料可以防止碱骨料反应的发生,但其实施需要有良好的资源和可靠的检验方法为基础。在有些地区,使用非活性骨料需要付出昂贵的经济代价。如果对骨料无选择余地,则应采取其他相关措施或者在混凝土中掺加部分多孔轻集料以减少碱骨料反应的膨胀能。3󰀁3󰀁使用掺合剂降低混凝土碱性

使用矿物掺合料是目前国内外最广泛应用的、最经济有效的抑制碱骨料反应的技术措施,通常使用的矿物掺合料有硅灰、矿渣、粉煤灰和沸石粉。矿物掺合料之所以能有效抑制或延缓碱骨料反应主要在于其部分替代水泥后的稀释作用,二次水化反应降低反应产物中氢氧化钙的含量,并形成较多能吸附一定量碱的低碱性水化硅酸钙,提高混凝土的密实度,改善混凝土内部孔结构。矿物掺合料对碱骨料反应的抑制效果与其组成和性能有关,相对而言,在几种常用矿物掺合料中,对碱骨料反应抑制能力的强弱次序为:硅灰、粉煤灰、矿渣、沸石,这与它们对碱的滞留能力强弱一致。

应该指出,在混凝土中掺加粉煤灰掺合料必须防止钢筋锈蚀,为此除应注意检查粉煤灰的质量外,还应选用超量取代法,以保证掺粉煤灰混凝土等强度、等稠度。掺硅灰的混凝土必须同时掺入高效减水剂,以免因硅灰颗粒过细而引起混凝土需水量的增加。

3󰀁4󰀁掺加纤维材料

在混凝土中掺入钢纤维、碳纤维等材料,对碱骨料引起的膨胀有、约束作用,能使破坏性膨胀转化为预应力的效果。

混凝土中掺钢纤维后,可降低AAR膨胀,减小AAR造成的强度损失;在无法采用其他预防措施的

761

场合,可考虑掺钢纤维抑制小膨胀范围的AAR破坏。当纤维体积率为1󰀁0%~1󰀁5%时,混凝土安全碱量可提高2kg/m3左右。掺钢纤维可提高安全碱量的原因在于它可在一定范围内约束AAR膨胀,减少混凝土中AAR缺陷。当AAR膨胀很大时,钢纤维可阻止AAR裂纹扩展,使裂纹数量减少,长度和宽度减小,从而改善混凝土的使用性能。钢纤维的形状对AAR的抑制效果有影响,长径比越大,其抑制效果越差。3󰀁5󰀁掺加化学外加剂

碱骨料反应是一种化学反应,其过程可以通过掺加化学外加剂予以抑制。研究表明含碱金属锂的盐类(如锂)、氢氧化锂以及氟硅酸钠、磷酸盐、部分盐等对碱骨料反应具有一定抑制作用。通过高压注入方式使外加剂溶液渗透到混凝土内部可以治理已经发生碱骨料反应的混凝土结构,外加剂也可以在拌制混凝土时加入。

在混凝土中掺用引气剂也能缓解碱骨料反应所导致的膨胀破坏。掺用引气剂使混凝土保持4%、5%的含气量,可容纳一定数量的反应产物,从而可以缓解碱骨料反应的膨胀压力;另外掺加引气剂还可以改善混凝土内部孔隙结构,阻断孔溶液渗流通道,从而局部抑制碱骨料反应。3󰀁6󰀁隔绝水和湿气的渗入

混凝土发生碱骨料反应的原因之一是水分存在。混凝土内部相对湿度低于80%,则碱骨料反应会停止膨胀;相对湿度低于75%时,碱骨料反应就不会发生。因此通过提高混凝土的抗渗能力,做防水面层等方法,来阻止水和湿空气的进入,可以缓和碱骨料反应带来的不利影响,但完全断绝水和湿空气的进入,也是很难实现。另外,在发现AAR损害后,即使进行很好的防水处理,也由于混凝土内含水分能使碱骨料反应膨胀继续发展,防水处理往往无济于事。

3󰀁7󰀁改善混凝土结构的施工和使用条件

保证混凝土结构的施工质量,防止其因振捣不实产生的蜂窝麻面以及因养护不当引起的干缩裂缝等,能防止外界水分浸入混凝土,从而能起到抑制碱骨料发应的作用。从使用条件方面来看,应尽量使混凝土结构处于干燥状态,特别是防止经常受干湿交替作用也能防止碱骨料反应。必要时还可以采用防水或憎水涂层,或施加装饰层如混凝土外墙等做好饰面层,也能防止混凝土手外界雨水等作用。762

[5]

4󰀁碱骨料反应与其他耐久性破坏的协同作用

迄今为止影响混凝土耐久性的主要因素有[6]:1)冻融作用;2)侵蚀性化学作用;3)磨损;4)钢筋锈蚀;5)碱骨料反应;6)延迟性钙钒石的形成。

实际工程的破坏往往是多种因素协同作用的结果。以AAR与延迟钙矾石反应(简称DEF)为例。Grattan[8-10]等系统研究了6种不同集料(玄武岩、白云石、花岗岩、石灰石、硅质石灰石和纯石英晶体)对DEF膨胀的影响。研究表明,硅质骨料能对DEF膨胀产生影响,这将ASR与DEF联系在一起。一方面,在研究方法与膨胀机理等方面,二者的研究可以互相促进、互为补充;另一方面,这也为正确区分和评判二者在实际破坏(尤其是工程混凝土)中的作用增加了难度。由此可见,工程混凝土耐久性方面的研究是一个系统的工程。实际工程破坏往往是多种因素共同作用,相互促进的结果。正确区分和评价不同因素在实际破坏中的作用,是研究者面临的挑战。已有学者正在这方面展开了研究工作5󰀁结󰀁语

人们对碱骨料反应的研究已经有数十年之久,对其反应的机理、必要条件已逐步了解,对其鉴定、诊断的方法也比较丰富,但要从根本上进行有效的抑制仍然还处于探索阶段,对其发生后有效的治愈方式还处于起步阶段。造成这样的原因在于

[7][10]

:1)

碱骨料反应的潜伏期较长;2)反应乃至发生破坏的影响因素较多;3)碱骨料破坏一旦形成,遍及整个结构体都会受到影响;4)碱骨料破坏往往伴随着其他混凝土耐久性问题发生;5)原材料的质量控制受、地域、建设发展速度、造价等多种社会因素的影响。

目前,研究普遍认为由于碱骨料反应可以在低碱状态下发生,而要根本杜绝孔隙水的影响几乎是不可能,所以惟一有效的AAR抑制方法就是控制骨料本身的质量。因此,一方面应尽快研制出效率高、成本低的骨料碱活性鉴定方法;还应加强区域骨料碱活性的统计与数据库的建立;再则应大力推进人工合成骨料的开发,从生产源头控制骨料的碱活性指标。另外,在碱骨料活性鉴定方面,国际标准己做了较大修改,为提高我国建筑工程的耐久性和安全性,应及时修订我国的国家标准,以保持与国际标准同步。当然,在消除外加剂抑制AAR长期有效顾虑的前提下,开发价格合理、施工方便的新型外加剂也为最大限度减少这一破坏带来的损失提供可能。

(下转第749页)

程中,当新的构筑物需要与旧构筑物相连时,必须对这几方面多加注意,以确保新老混凝土有效粘结,以

保证结构的可靠性。

表2󰀁新老混凝土粘结Z形试件拉剪试验结果

试件号8-1AD67-31AD27-31AD57-29AD27-31AD47-29AD17-31AD37-29AD67-29AD57-31AD6

灌砂平均深度/

mm1󰀁271󰀁331󰀁131󰀁071󰀁271󰀁270󰀁870󰀁870󰀁801󰀁00

老混凝土抗压强度/MPa

40󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁040󰀁0

新混凝土抗压强度/MPa

46󰀁750󰀁550󰀁5󰀁250󰀁5󰀁250󰀁5󰀁245󰀁250󰀁5

拉伸应力/MPa

1󰀁621󰀁031󰀁170󰀁941󰀁341󰀁020󰀁0󰀁4400

剪切应力/MPa

0000󰀁20󰀁50󰀁50󰀁81󰀁01󰀁882󰀁00

参考文献

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(上接第762页)

󰀁󰀁另外要正确区分碱骨料反应与破坏的不同,目

前有很多工程出现碱骨料反应,但导致破坏的并不多。在出现反应后,应建立科学的鉴定体系,以合理分析发生破坏的可能性;在出现破坏后,要准确鉴定破坏的原因及破坏进一步发展的可能性和威胁。因此建立科学合理的鉴定、诊断机制非常必要,这包括鉴定的方法、专家评议体系、相关数据库的建立等。

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749

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