碱—集料反应及其控制方法1ppt课件

1、一座桥何以只有二十年寿命？一座桥何以只有二十年寿命？拆除前的西直门桥拆除前的西直门桥19792019建成于建成于1984年年9月月25日，日， 水泥用量约水泥用量约300400kg/m3，该桥，该桥1984 年建成后在年建成后在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，裂缝宽度最大已达大已达1.4cm.北京三元立交桥北京三元立交桥原原 因：因：（1使用的是北京地区具有碱活性的砾石，粒径为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在冬季施工时曾掺入5%NaNO2 和和3 %N

2、a2SO4 (以水泥质量计以水泥质量计) 作为作为防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的碱含量高达防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的碱含量高达15kg/m3。19821984 年由北京的构件厂共生产跨度为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的预应力混凝土铁路桥梁桥梁188孔用于山东兖石孔用于山东兖石(兖州至石臼所兖州至石臼所) 线上，水泥用量约线上，水泥用量约500kg/m3 ，水，水灰比为灰比为0.3，强度非常高。，强度非常高。顺筋开裂顺筋开裂端部开裂端部开裂山东兖石线预应力混凝土铁路桥山东兖石线预应力混凝土铁路桥1991 年共调查年共调查183 孔，其中无裂缝者仅孔，其中无

3、裂缝者仅6 孔，裂缝宽度大于孔，裂缝宽度大于0.2mm，一般在一般在0.20.4 mm 之间，最大者达之间，最大者达0.7 mm。原原 因：因：（1采用高碱采用高碱(1.1%1.3%)纯硅酸盐水泥，水泥用量约纯硅酸盐水泥，水泥用量约500kg/m3，混凝土，混凝土的碱含量约的碱含量约6.5kg/m3；（2集料活性。集料活性。混凝土的耐久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 1990年以前我国未发现年以前我国未发现AAR AAR 的工程破坏实例，因此人们认为这是国的工程破坏实例，因此人们认为这是国外的问题，

4、我国并不存在，但事实并非如此，原因有二：外的问题，我国并不存在，但事实并非如此，原因有二： （1 1我国生产大量高碱水泥我国生产大量高碱水泥, ,特别是特别是6060年代后生产了大量高碱纯硅酸年代后生产了大量高碱纯硅酸盐水泥。碱含量最高可达盐水泥。碱含量最高可达1.3%1.3%，特别是在黄河以北，由于粘土，特别是在黄河以北，由于粘土( (有时是石有时是石灰石灰石) ) 含碱量高，致使北方地区水泥含碱量多在含碱量高，致使北方地区水泥含碱量多在0.8%0.8%1.0%1.0%以上。以上。 （2 2在在7070至至8080年代为了加速施工和便于冬季施工，常采用年代为了加速施工和便于冬季施工，常采用N

5、aNO2 NaNO2 和和Na2SO4Na2SO4为防冻剂和早强剂，前者掺量可达为防冻剂和早强剂，前者掺量可达5%5%，后者可达，后者可达3%(3%(以水泥质量以水泥质量计计) )。因此当采用高碱水泥时，混凝土中碱含量可达。因此当采用高碱水泥时，混凝土中碱含量可达151520kg/m320kg/m3，这远，这远远高于远高于3kg/m33kg/m3安全碱含量的限值。客观上为安全碱含量的限值。客观上为AARAAR反应创造了条件。反应创造了条件。碱集料反应的概念碱集料反应的概念 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

6、常膨胀的现象，简称为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碱集料反应分为碱硅酸反应ASR和碱碳酸盐反应和碱碳酸盐反应ACR两类。两类。集料碱活性集料碱活性 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。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 硅质集料

7、是指含有一定量硅质集料是指含有一定量SiO2矿物的岩浆岩、沉积岩和变质矿物的岩浆岩、沉积岩和变质岩，岩， SiO2可以多种形式存在，蛋白石、玉髓、微晶质石英、隐可以多种形式存在，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；对于工玻璃体、鳞石英和方石英；对于ASR：集料的碱活性分为高活：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。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集料中硅质组分与碱发生ASR。ASR破坏机理破坏机理

8、 碱与活性碱与活性SiO2反应，生成碱硅凝胶，凝胶吸水肿胀反应，生成碱硅凝胶，凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。导致混凝土膨胀或开裂。Alkali Silica ReactionASR） 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。则质石英等，此时岩石可称为硅质碳酸盐集料。则ACR与与ASR会同会

9、同时发生。对于时发生。对于ACR：集料的活性可分为一般活性和低活性。：集料的活性可分为一般活性和低活性。碳酸盐集料碳酸盐集料232323)()(COOHMgCaCOOHCOCaMgACR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，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，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。使集料膨胀，进而使混凝土膨胀开裂。Alkali Carbonate ReactionASR）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

10、应预防措施。 集料活性的检测方法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。岩相法结合常规实验方法。岩相法结合XRD分析是建议采用的首选分析是建议采用的首选方法。对于方法。对于ASR，通常采用砂浆棒法快速法进行检测；，通常采用砂浆棒法快速法进行检测；对于对于ACR，通常采用快速混凝土小棒法。，通常采用快速混凝土小棒法。砂浆棒法砂浆棒法 将集料破碎至一定的尺寸与高碱水泥拌和制成砂浆试件，在将集料破碎至一定的尺

11、寸与高碱水泥拌和制成砂浆试件，在37.8和和100%相对湿度条件下，测定砂浆棒的经时膨胀。认为相对湿度条件下，测定砂浆棒的经时膨胀。认为3个月内膨胀率大于等于个月内膨胀率大于等于0.05%的具有潜在的有害活性，的具有潜在的有害活性，6个月内膨个月内膨胀率大于等于胀率大于等于0.1%的是有害集料。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，碱含量大于一般活性，碱含量大于3kg/m3；当集料具有高的；当集料具有高的ASR反应活性时，碱反应活性时，碱含量大于含量大于2.1kg/m3 ；当集料具有一般的

12、；当集料具有一般的ACR反应活性时，碱含量大反应活性时，碱含量大于于1.0kg/m3 ）；）；（2集料中有相当数量的活性成分集料中有相当数量的活性成分ASR或或/和和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，时，AAR会停止；内部湿度低于会停止；内部湿度低于75%时，时，AAR无法进行）。无法进行）。碱集料反应的条件 混凝土中混凝土中AAR的过程缓慢，决定了问题的复杂性，它的特征出的过程缓慢，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，现一般经过几个月，在很多情况下，结

13、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。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。别方法。AAR的明显迹象是：混凝土结构表面出现网状裂缝或

14、特有的的明显迹象是：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的典型特性的典型特性之一。之一。AAR的综合判定方法（1 1肉眼或用立体显微镜观察肉眼或用立体显微镜观察, , 再用偏反光显微镜观察光薄片再用偏反光显微镜观察光薄片. . 一般一般AAR AAR 造成的破坏常会损伤集料颗粒，裂缝多从集料延伸至浆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，

15、或边缘被撕裂。因冰冻、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粒受到损伤.这是区分这是区分AARAAR与其他破坏因素。与其他破坏因素。（2 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。这是发生学成分。这是发生AAR AAR 的直接证明。破坏的工程芯样中集料含有的直接证明。破坏的工程芯样中集料含有活性二氧化硅如玉髓等）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反应后经能谱

16、鉴定确证碱硅酸盐凝胶的存在。的存在。集料中玉髓集料中玉髓(c) 集料能谱集料能谱Si ; (d) 碱硅酸凝胶碱硅酸凝胶预防措施 混凝土一旦遭受混凝土一旦遭受AAR破坏就很难修补，也难以阻止破坏破坏就很难修补，也难以阻止破坏的进一步发展，避免的进一步发展，避免AAR反应造成重大危害的唯一可行的办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。对于法就是采取措施进行预防。对于ASR有一些应对方法，但对有一些应对方法，但对于于ACR的破坏一直是一个国际上没有解决的问题。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混凝土及其组成材料的碱以等当量Na2ONa2O+K2O计算

17、：计算：主要来自于：主要来自于：（1水泥：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。计入混凝土的碱含量。（2外加剂：由其带入的碱按碱含量的外加剂：由其带入的碱按碱含量的100%计算。计算。措施之一：控制混凝土的碱含量措施之一：控制混凝土的碱含量（3掺合料（4集料和拌和水中的碱：全部计入。（5环境中的碱：全部计入。 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，例如对于一般活性别采取措施，例如对于一般活性ASR的集料：的集料： 对于一般对于一般ASR活性的集料，碱含量小于活性的集料，碱含量小于3.5%的粉煤灰的掺量在的粉煤灰的掺量在30%以上时或碱含量小于以上时或碱含量小于1.0%的矿渣在大于的矿渣在大于50%时能有效抑制时能有效抑制ASR。但对于但对于ACR活性集料，粉煤灰、矿渣和硅灰难以防止其活性集料，粉煤灰、矿渣和硅灰难以防止其ACR破坏。破坏。 对于ACR反应活性集料，具有一