碱—集料反应及其控制方法1

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,一座桥何以只有二十年寿命？,拆除前的西直门,桥,19791999,建成于,1984,年,9,月,25,日， 水泥用量约,300400kg/m,3,，,该桥,1984,年建成后在,80,年代末已发现开裂，其后继续发展。盖梁及桥台,开裂特别严重，裂缝宽度最大已达,1.4cm.,北京三元立交桥,原 因：,（,1,）使用的是北京地区具有,碱活性的砾石,，粒径为,0.52cm,；,（,2,）,在冬季施工时曾掺入,5%NaNO,2,和,3 %Na,2,SO,4,(,以水泥质量计,),作为防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的,碱含量高达,15kg/m,3,。,1982,1984,年由北京的构件厂共生产跨度为,2432 m,的预应力混凝土铁路桥梁,188,孔用于山东兖石,(,兖州至石臼所,),线上，,水泥用量约,500kg/m,3,，,水灰比为,0.3,，强度非常高。,顺筋开裂,端部开裂,山东兖石线预应力混凝土铁路桥,1991,年共调查,183,孔，其中无裂缝者仅,6,孔，裂缝宽度大于,0.2mm,，,一般在,0.2,0.4 mm,之间，最大者达,0.7 mm,。,原 因：,（,1,）采用高碱,(1.1%1.3%),纯硅酸盐水泥，水泥用量约,500kg/m,3,，,混凝土的,碱含量约,6.5kg/m,3,；,（,2,）,集料活性,。,混凝土的耐久性,抗碱集料反应性能,抗硫酸盐侵蚀性能,抗冻融循环破坏性能,抗钢筋锈蚀性能,抗,(,水、气,),渗透性能,抗碱集料反应性能,1990,年以前我国未发现,AAR,的工程破坏实例，因此人们认为这是国外的问题，我国并不存在，但事实并非如此，原因有二：,（,1,）我国生产大量高碱水泥,特别是,60,年代后生产了大量高碱纯硅酸盐水泥。,碱含量最高可达,1.3%,，特别是在黄河以北，由于粘土,(,有时是石灰石,),含碱量高，致使北方地区水泥含碱量多在,0.8%,1.0%,以上。,（,2,）在,70,至,80,年代为了加速施工和便于冬季施工，常采用,NaNO,2,和,Na,2,SO,4,为,防冻剂和早强剂,，前者掺量可达,5%,，后者可达,3%(,以水泥质量计,),。因此当采用高碱水泥时，混凝土中碱含量可达,15,20kg/m,3,，,这远远高于,3kg/m,3,安全碱含量的限值。客观上为,AAR,反应创造了条件。,碱,集料反应的概念,碱集料反应是,指混凝土中的碱与集料中的某些活性组分发生反应并产生异常膨胀的现象，简称为,AAR,。,碱集料反应分为,碱硅酸反应（,ASR,）,和,碱碳酸盐反应（,ACR,）,两类。,集料碱活性,集料分为活性和非活性两类。当集料中含有,硅质组分或白云石时,，混凝土中的碱都将与其发生化学反应，如果化学反应进行得非常缓慢，混凝土不会因此产生异常膨胀，如反应快速进行，混凝土在短期内就有膨胀破坏的可能。,硅质集料,硅质集料是指,含有一定量,SiO,2,矿物的岩浆岩、沉积岩和变质岩，,SiO,2,可以多种形式存在，,蛋白石、玉髓、微晶质石英、隐晶质石英、次生石英、应变石英、中酸性火山玻璃体、中酸性人工玻璃体、鳞石英和方石英,；对于,ASR,：,集料的碱活性分为,高活性、一般活性和低活性。,蛋白石,集料属于,高活性集料,。,集料中硅质组分与碱发生,ASR,。,ASR,破坏机理,碱,与,活性,SiO,2,反应，生成碱硅凝胶，,凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。,Alkali Silica Reaction（ASR）,碳酸盐集料是以,方解石、白云石或碳酸镁等碳酸盐组分为主的岩石,，主要为沉积岩。集料中这些组分与碱发生,ACR,。,岩石中有时也含有一些二氧化硅矿物，如微晶质石英、隐晶质石英等，此时岩石可称为硅质碳酸盐集料。则,ACR,与,ASR,会同时发生。对于,ACR,：,集料的活性可分为,一般活性和低活性,。,碳酸盐集料,ACR,破坏机理,碱,与,集料中的微晶白云石反应生成,水镁石和方解石，在白云石表面和周围水泥石之间的受限空间内结晶生长，使集料膨胀，进而使混凝土膨胀开裂。,Alkali Carbonate Reaction（ASR）,1,、,AAR,定义及分类；,2,、集料碱活性的检验方法；,3,、,AAR,反应条件与判别；,4,、碱集料反应预防措施。,集料活性的检测方法,岩相法、化学法、砂浆棒法和混凝土柱法，其中砂浆棒法和混凝土柱法根据所需时间的长短又分为快速试验方法和常规实验方法。,岩相法（结合,XRD,分析）是建议采用的首选方法。对于,ASR,，,通常采用砂浆棒法（快速法）进行检测；对于,ACR,，,通常采用快速混凝土小棒法。,砂浆棒法,将集料破碎至一定的尺寸与高碱水泥拌和制成砂浆试件，在,37.8,和,100%,相对湿度,条件下，测定砂浆棒的,经时膨胀,。认为,3,个月内膨胀率大于等于,0.05%,的具有潜在的有害活性，,6,个月内膨胀率大于等于,0.1%,的是有害集料。,（,1,）混凝土的原材料水泥、掺合料、外加剂或水中,含碱量高,（如果集料为一般活性，,碱含量大于,3kg/m,3,；,当集料具有高的,ASR,反应活性时，碱含量大于,2.1kg/m,3,；,当集料具有一般的,ACR,反应活性时，碱含量大于,1.0kg/m,3,）；,（,2,）,集料中有相当数量的活性成分（,ASR,或,/,和,ACR,）；,（,3,）,潮湿环境，有充分的水分或湿空气的供应（内部湿度低于,80%,时，,AAR,会停止；内部湿度低于,75%,时，,AAR,无法进行）。,碱,集料反应的条件,混凝土中,AAR,的过程缓慢，决定了问题的复杂性，它的特征出现一般经过几个月，在很多情况下，结构经过几年使用才能发现，并且这种腐蚀的表面特征的发展与其它过程（湿和冻融、硫酸盐侵蚀等）引起混凝土的损伤相似。,AAR,的特征及判别方法,钢筋锈蚀（,2,）,钢筋锈蚀，承载截面变小。,钢筋锈蚀（,1,）,混凝土表面剥落。,冻融破坏（,1,）,冻融破坏（,2,）,混凝土表面出现缺边、掉角、开裂的现象。,混凝土表面龟裂现象。,硫酸盐侵蚀,硫酸盐侵蚀,混凝土表面有白色的析晶,混凝土表面有白色的析晶,尽管,AAR,的过程比较复杂，但现在已经掌握了这一反应的特征和判别方法。,AAR,的明显迹象是：混凝土结构表面出现,网状裂缝或特有的龟裂和纵向裂缝,，以及淤积于混凝土裂缝和空隙中的,玻璃状或白色凝胶盐析,。,混凝土硅质集料的边缘出现白色反应环,，是,AAR,的典型特性之一,。,AAR,的综合判定方法,（,1,）肉眼或用立体显微镜观察,再用偏反光显微镜观察光薄片,.,一般,AAR,造成的,破坏常会损伤集料颗粒，裂缝多从集料延伸至浆体。有时还能明显观察到集料颗粒裂开，或边缘被撕裂,。因冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀、化学腐蚀、碳化、机械荷载等不会使集料颗粒受到损伤,.,这是区分,AAR,与其他破坏因素。,（,2,） 依靠电子显微镜加上能谱分析可以测得,碱硅酸盐凝胶,的化学成分。这是发生,AAR,的直接证明。破坏的工程芯样中集料含有活性二氧化硅（如玉髓等）,反应后经,能谱鉴定,确证碱硅酸盐凝胶的存在。,集料中玉髓,(c),集料能谱,Si ; (d),碱硅酸凝胶,预防措施,混凝土,一旦遭受,AAR,破坏就很难修补，也难以阻止破坏的进一步发展,，避免,AAR,反应造成重大危害的,唯一可行,的办法就是采取措施进行预防。对于,ASR,有一些应对方法，但,对于,ACR,的破坏一直是一个国际上没有解决的问题,。,混凝土及其组成材料的碱以等当量,Na,2,O,（,Na,2,O+K,2,O,）,计算：,主要来自于：,（,1,）水泥：,因水泥用量大，水泥中的碱是混凝土碱的主要来源，其中的,K,+,、,Na,+,主要以可溶性的盐存在，水泥水化后，这些离子释放出来，使混凝土的孔溶液呈碱性。,硅酸盐水泥中的碱以其酸溶碱的,100%,计入混凝土的碱含量。,（,2,）外加剂：由其带入的碱,按碱含量的,100%,计算,。,措施之一：控制混凝土的碱含量,（,3,）掺合料,粉煤灰小于,20%,酸溶碱的,100%,计算,粉煤灰,2024%,酸溶碱的,20%,计算,粉煤灰大于等于,25%,酸溶碱的,0%,计算,矿渣小于,25%,酸溶碱的,100%,计算,矿渣,2539%,酸溶碱的,50%,计算,矿渣大于等于,40%,酸溶碱的,0%,计算,粉煤灰与矿渣合用,掺量折算成矿渣的，参照矿渣标准。,（,4,）集料和拌和水中的碱：全部计入。,（,5,）环境中的碱：全部计入。,环境条件,混凝土最大碱含量,一般工程结构,重要工程结构,特殊工程结构,干燥环境,不,限制,3.0,2.5,潮湿环境,3.0,3.0,2.1,含碱,环境,3.0,3.0,换用低活性集料,侵蚀环境和寒冷环境,3.0,2.5,2.1,根据集料的活性类别和等级，环境条件和工程结构的重要性分别采取措施，例如对于一般活性,ASR,的集料：,对于一般,ASR,活性的集料，碱含量小于,3.5%,的粉煤灰的掺量在,30%,以上时或碱含量小于,1.0%,的矿渣在大于,50%,时能有效抑制,ASR,。,但,对于,ACR,活性集料，粉煤灰、矿渣和硅灰难以防止其,ACR,破坏。,对于,ACR,反应活性集料，具有一定效果。,措施之二：使用掺合料,措施之三：使用锂盐,措施之四：使用硫铝酸盐水泥,1,、,AAR,定义及分类；,2,、集料碱活性的检验方法；,3,、,AAR,反应条件与判别；,4,、碱集料反应预防措施。,C30,水泥,减水剂,粉煤灰,集料,原材料的碱含量,0.85%,17%,0.8%,配合比,/kg/m,3,320,3.0,60,一般活性,带入的碱量,2.72,0.51,0.48,混凝土碱含量,3.7Kg/m,3,C40,水泥,减水剂,粉煤灰,集料,原材料的碱含量,0.85%,17%,0.8%,配合比,/kg/m,3,380,3.5,80,一般活性,带入的碱量,3.23,0.595,0.64,混凝土碱含量,4.465Kg/m,3,山东潍坊机场建于,1984,年, 90,年代初调查,开裂的跑道达,33. 3 %.,实验室仔细鉴定证明该机场主要为碱碳酸盐反应引起的破坏,.,所取,20 cm 40 cm,的混凝土芯样表明,从表面深至底部全部开裂,部分裂缝穿过集料,.,跑道开裂,活性集料,山东潍坊机场,混凝土的碱含量约,3.9kg/m,3,，,集料活性，含有微晶白云石晶体。,