混凝土碱骨料反应PPT课件

1、1940年年,Stanton发现发现California, Bradley的公路的公路AAR破坏破坏 碱骨料反应(Alkali-aggregate Reaction，AAR)：，。第1页/共51页第2页/共51页第3页/共51页第4页/共51页指指无定形二氧化硅、无定形二氧化硅、隐晶质、微晶质隐晶质、微晶质和和玻璃质二氧化硅。玻璃质二氧化硅。如如:蛋白石、玉髓蛋白石、玉髓、隧石、受应力变型隧石、受应力变型的石英。的石英。一、碱一骨料反应机理1、碱硅酸反应 定义：骨料中的与发生化学反应生成膨胀性碱硅胶，导致混凝土膨胀性开裂。指指孔溶液中的孔溶液中的Na+、K+、OH-，来自水泥、外加剂、环境等。

2、来自水泥、外加剂、环境等。 蛋白石蛋白石玉髓玉髓第5页/共51页l反应机理：l 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。第6页/共51页2、碱碳酸盐反应l定义：与发生的化学反应引起混凝土的地图状开裂。指指白云石与石灰石含量大致白云石与石灰石含量大致相等，粘土的质量含量约为相等，粘土的质量含量约为5%一一20%，白云石颗粒粒径，白云石颗粒粒径约在约在50m以下且被微晶方解以下且被微晶方解石和黏土包围。石和黏土包围。 指指孔溶液中的孔溶液中的Na+、K+、OH-，来自水泥

3、、外加剂、环境等。来自水泥、外加剂、环境等。 l 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? 第7页/共51页l膨胀机理：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，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，这些离子之所以会挤入受限空间发

4、生反应，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，。第8页/共51页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。n 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；n 很多人反对将这种碱骨料反应划分为新的一类；n 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

5、含有微晶石英或玉髓。第9页/共51页二、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、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围环境。：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。 第10页/共51页 发生碱骨料反应的碱含量范围：l 高活性的硅质骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3;l 中等活性的硅质骨料，大于3.0kg/m3;l 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

6、限值。第11页/共51页(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。火火成成岩岩花岗岩花岗岩应变石英含量应变石英含量30花岗闪长岩花岗闪长岩紫苏花岗岩紫苏花岗岩浮石浮石酸至中性富二氧酸至中性富二氧化硅的火山化硅的火山玻璃体、鳞玻璃体、鳞石英石英流纹石流纹石安山石安山石英安岩英安岩粗面岩粗面岩珍珠岩珍珠岩黑耀岩黑耀岩火山凝灰岩火山凝灰岩低硅玄武岩低硅玄武岩玉髓、蛋白石玉髓、蛋白石变变质质岩岩片岩片岩应变石英含量应变石英含量30片麻岩片麻岩石英岩石英岩应变石英含量应变石英含量30 ，隧，隧石含量石含量5

7、角页岩角页岩页硅酸盐、变石英页硅酸盐、变石英干枚岩干枚岩泥板岩泥板岩沉沉积积岩岩砂岩砂岩应变石英、隧石含量应变石英、隧石含量5硬砂岩硬砂岩页硅酸岩、应变石英页硅酸岩、应变石英隧石隧石微晶石英、玉髓、蛋白石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土硅藻土蛋白石、微晶石英蛋白石、微晶石英碳酸岩碳酸岩泥质白云石、页硅酸岩泥质白云石、页硅酸岩各国已发现碱活性矿物 第12页/共51页第13页/共51页(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。第14页/共51页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

8、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。第15页/共51页(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 原始原始SiO2/Na2O与溶胶中与溶胶中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。 第16页/共51页(3) 矿物掺合料：可有效抑制碱骨料反应对混凝土的破坏。掺硅灰掺硅灰掺粉煤灰掺粉煤灰p火山灰作用降低水泥石中的大量Ca(OH)2；p生成大量

9、低Ca/Si比水化产物，对碱的物理稀释和吸附；p物理填充和火山灰反应使水泥石结构更加致密。 第17页/共51页(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砂浆先干燥蒸发一定水后再湿热养护膨胀率第18页/共51页混凝土碱骨料反应主要影响因素混凝土碱含量，增加混凝土碱含量，增加碱活性骨料，最不利含量范围碱活性骨料，最不利含量范围矿物掺合料，增加掺量矿物掺合料，增加掺量环境条件，高温、高湿环境条件，高温、高湿掺减水剂、引气剂掺减水剂、引气剂第19页/共51页三、碱一骨料

10、反应破坏特征 1) 时间特征:510年内发生破坏, 比。工程名称工程名称建设时间建设时间发现明显碱骨料破坏发现明显碱骨料破坏破坏年限破坏年限英国西南部普利茅斯城，英国西南部普利茅斯城，老沼泽磨坊桥老沼泽磨坊桥1969-1970年年70年代未，明显裂缝年代未，明显裂缝10年左右年左右加拿大康沃尔城，某公路加拿大康沃尔城，某公路1979年年1986年，整个路面呈蛛年，整个路面呈蛛网状开裂网状开裂7年年加拿大，博赫尔洛依斯水电站加拿大，博赫尔洛依斯水电站1928 年开始年开始1940 年，发现电站坝体年，发现电站坝体因裂缝而渗漏因裂缝而渗漏12年年英国普利茅斯，停车场英国普利茅斯，停车场1970 年

11、年1980 年，决定修补年，决定修补10年年香港，某水处理厂香港，某水处理厂1980-1982年年1991年，明显开裂年，明显开裂9-12年年香港，香港，North Point 公立学校公立学校1987年年1999年，明显开裂年，明显开裂12年年第20页/共51页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。第21页/共51页3)开裂特征:p内部骨料周围膨胀受压，。p对于不受约束和荷载或，般形成（表面保护层呈地图状裂缝）。p对于的区域，裂缝常常；在下，裂缝也会。p碱-骨料反应在开裂的同时，使裂缝两侧的混凝土出现高低

12、错位和不平整。混凝土表面网状裂缝混凝土表面网状裂缝第22页/共51页4)凝胶析出特征:发生的混凝土表面经常可以看到；中未生成凝胶，混凝土表面。第23页/共51页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。 第24页/共51页6)潮湿特征:，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。第25页/共51页混凝土工程碱骨料破坏特征时间范围：时间范围：510年年体积变形：整体膨胀体积变形：整体膨胀表面裂缝：

13、网状开裂表面裂缝：网状开裂表面析出物：透明或淡黄色凝胶表面析出物：透明或淡黄色凝胶内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环外界条件：潮湿环境外界条件：潮湿环境第26页/共51页四、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。检测方法检测方法美国美国ASTM欧洲欧洲RILEM英国英国加拿大加拿大CSA中国中国岩相法岩相法C295AAR-1BS 812：Part 104-水工砼试验水工砼试验规程规程(SD105 -82) 化学法化学法C289-砂浆棒法砂浆棒法C227 -快速砂浆棒快速砂浆棒法法C1260AAR-2DD 249:1999A

14、23.2-25A混凝土棱柱混凝土棱柱体法体法 Cl293AAR-3BS 812：Part 123A23 .214A-蒸压法蒸压法AAR-4(混凝土混凝土)-CECS48 93 (砂浆砂浆)第27页/共51页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 。 第28页/共51页第29页/共51页l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；l骨料：级配满足下表要求；l灰砂比：质量比l

15、:2.25；l砂浆流动度：105 mm-120 mm：l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。筛孔尺寸/mm质量百分比(%)筛孔尺寸/mm质量百分比(%)52.5100.630.315252.51.25250.3150.16151.250.6325第30页/共51页1d1m2m3m6m9m12mDemould (L0)L1L2L3LLLCure at (382) and RH95% Initial 1 m 2m 3m 6m 9m 12m 第31页/共51页第32页/共

16、51页l3) 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)。 第33页/共51页评定标准：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。第34页/共51页第35页/共51页第36页/共51页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。 l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%；l骨料要求：1)

17、 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，应使用快速砂浆棒法的14d膨胀率小于0.1%的粗集料。l配合比：水泥用量420kg/m3，粗集料:细集料=60: 40，水灰比0.420.45：l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。第37页/共51页第38页/共51页p 采用混凝土试件，更接近实际工程情况；p 可同时适用于硅质骨料和碳酸盐骨料碱活性检验；p 经多个实验室研究，表明水泥碱含量、

18、试体尺寸等参数对结果无明显影响；p 实验周期较长。第39页/共51页5)蒸压法(CECS48:93)：快速法，中国法第40页/共51页l硅酸盐水泥：碱含量0.40.8%，净浆膨胀值不大于0.02%，外加KOH溶液调整水泥碱含量达1.5%；l骨料：0.630.16mm，小于0.15mm的粉料不超过0.5%；l灰砂比：分别为10:1、5:1、2:1；l水灰比：0.3;l试体尺寸：10mm 10mm 40mm。第41页/共51页主要特点：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溶液成型成型养护养护(202)、RH95%以上，以上，242h拆模拆

19、模基准长度基准长度1100 下蒸下蒸汽养护汽养护4h1502下下蒸压养护蒸压养护6h5min冷却、冲洗冷却、冲洗室温放置室温放置605min基准长度基准长度2第42页/共51页6) 小结：p岩相法是其他方法的前提；p快速砂浆棒法和压蒸法是发展的主流；p化学法和砂浆棒法有逐渐被淘汰的趋势；p混凝土棱柱体法通常不用，但可作为最终检验依据第43页/共51页五、碱骨料反应预防措施p 控制混凝土中含碱量 ； p 选择低碱活性骨料；p 改善混凝土所处环境，隔绝湿气进入；p 掺混合材；p 掺特殊外加剂第44页/共51页1) 控制碱含量：l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；l 外加剂：使用低碱外加剂；l掺合料：硅灰、粉煤灰碱含量低于矿渣粉；l 集料和拌合水：碱性物质对AAS的贡献小，可不考虑。第45页/共51页2) 骨料的选择：l 混凝土含碱量低于3kg/m