桥梁工程预防措施之混凝土碱骨料反应

主讲人：陈海华桥梁工程预防措施之混凝土碱骨料反应1.1混凝土碱骨料反应简介

碱骨料反应开始是在30年代美国西部地区的堤坝、公路、桥梁等混凝土结构物发生异常膨胀，产生裂缝而发现的。进入70年代后，不断从欧洲、南非等地传来碱骨料反应引起的结构损伤报告，碱骨料反应作为个世界性的普遍问题被提了出来。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,故被称为混凝土的“癌症”。1.2混凝土碱骨料反应概念

碱骨料反应（AlkaliAggregateReaction简写作AAR）是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。1.3混凝土碱骨料反应危害

碱骨料反应导致混凝土破坏特征均表现为混凝土膨胀开裂,大量微裂缝的产生不仅降低混凝土的力学性能,更重要的是加速了水、腐蚀离子渗入混凝土内部,从而诱发碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻融破坏协同效应,严重影响了混凝土工程耐久性能。再有碱骨料反应是在混凝土碱活性骨料周围缓慢、长期发生的,不仅无法阻止其破坏继续发展,且破坏后不宜修复,因此被称为混凝土的“癌症”。1.3.1破坏特征（1）时间性受碱骨料反应影响的混凝土需要几年或更长时间才会出现开裂破坏。（2）表面开裂如果混凝土没有施加预应力，裂缝呈网状，每条裂缝长约数厘米。在预应力作用区域裂缝将主要沿预应力方向发展，形成平行于钢筋的裂缝。（3）膨胀（4）渗出凝胶Si-ONa（5）内部凝胶碱骨料反应后的膨胀是由反应生成碱-硅酸凝胶吸水引起的，因此凝胶的存在是发生了碱-硅酸反应最直接的证明。（6）反应环有些骨料在与碱发生反应以后，会在骨料周围形成一个深色的薄圈，称为反应环。（7）内部裂纹当碱骨料反应引起超量膨胀时，会在混凝土中心形成内部裂纹，裂纹常常充满凝胶。混凝土暴露面限制了内部混凝土的膨胀，因此导致了面层的拉应力。如果反应程度足够大，在此情况下就会产生大的裂纹。1.4碱骨料反应发生条件及分类和机理（1）碱骨料反应发生条件发生碱骨料反应需要具有三个条件①混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高。②骨料中有相当数量的活性成分；③潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。（2）碱骨料反应的分类和机理按照活性材料及其产生破坏时的反应机理不同，一般将碱－集料反应分为三种：①碱－硅酸反应（Alkali-SilicaReaction）,即最早的AAR或经典的碱骨料反应。具体是指混凝土中的碱与骨料中微晶或无定型硅酸发生反应，生成碱硅酸类2NaOH+SiO2+nH2O→Na2O·SiO2·(n+1)H2O碱硅酸类会在混凝土表面形成凝胶（如图），干燥后为白色的沉淀物，具有强烈吸水膨胀的特性，此类反应一般发生在骨料与水泥石界面处，致使混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。②碱－硅酸盐反应（Alkali-SilicateReaction，ASR）,活性骨料是结晶良好的硅酸盐岩石。碱－硅酸盐反应是指混凝土中的碱与骨料中的某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间距增大，集料发生膨胀致使混凝土开裂。③碱－碳酸盐反应（Alkali-CarbonateReaction，ACR）,其活性骨料是指某些碳酸盐岩石。碱－碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩集料发生下列反应，进行的所谓去（脱）白云化作用CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3这种反应持续进行，直至白云石被完全作用或碱浓度降到足够低为止，其特点是反应较快，而且反应少见凝胶产物，多呈龟裂或开裂。1.5碱-骨料反应的检测与评价方法碱骨料反应具有很长的潜伏期，尽早确定含岩石骨料是否具有碱活性具有非常重要的意义。大体上分为三类：一是通过岩相鉴定检验骨料中是否有活性组分的岩相法；二是以骨料与碱作用后所产生的膨胀率大小作为判断的依据；三是依骨料在碱液中的反应程度作为判据的化学法。下面介绍通用的碱骨料反应实验方法。（1）岩相法该方法借助光学显微镜，X射线衍射分析等岩相分析方法，鉴定骨料的岩石种类，矿物组成及各组分含量，并以此判断骨料的碱活性。该方法的优点是速度快，可直接观察到骨料中的活性组分。岩相鉴定法对其后选择合适的检测方法有重要的指导作用，一直作为骨料碱活性的鉴定首选。缺点是得不到活性成分含量与膨胀率的定量关系，并且此法需要相当熟练地技术。（2）混凝凝土棱柱体体法试件尺寸为为75mm*75mm*（275-405mm），试件件成型后用用塑料膜覆覆盖，放于于23度，，100%相对湿度度条件下预预养护24h，脱模模测其初长长。然后38度，100%相相对湿度下下养护，测测定1,2,4,8,13,26,39,52周各龄期期的膨胀率率。若半年年超过0.03%或或三个月膨膨胀率超过过0.02%，1年年膨胀率超超过0.04%，则则骨料为活活性骨料。。该法法既既能能用用于于硅硅质质骨骨料料，，又又可可鉴鉴定定碳碳酸酸盐盐骨骨料料。。另另外外，，由由于于它它可可以以使使用用粗粗骨骨料料，，因因而而更更接接近近混混凝凝土土实实际际。。但但膨膨胀胀结结果果受受水水泥泥细细度度，，水水灰灰比比和和养养护护条条件件（（温温度度，，湿湿度度））及及配配合合比比影影响响。。(3)砂砂浆浆棒棒法法取试试件件尺尺寸寸为为25mm*25mm*385mm。。成成型型后后1d脱脱模模，，测测其其初初始始长长度度，，然然后后在在38度度，，100%相相对对湿湿度度下下养养护护，，并并测测定定不不同同龄龄期期试试件件长长度度变变化化。。若若3个个月月膨膨胀胀率率小小于于0.05%，，6个个月月小小于于0.1%，，则则为为非非活活性性骨骨料料。。该该方方法法仅仅适适用用于于一一些些高高活活性性的的快快膨膨胀胀的的岩岩石石和和矿矿物物，，对对慢慢膨膨胀胀的的骨骨料料则则不不能能快快速速的的提提出出鉴鉴定定成成果果。。（4））快快速速砂砂浆浆棒棒法法由于于砂砂浆浆棒棒法法周周期期长长，，时时间间上上不不能能满满足足大大多多数数工工程程需需要要，，而而且且存存在在漏漏判判例例子子，，尤尤其其是是不不能能鉴鉴定定出出许许多多慢慢膨膨胀胀骨骨料料的的活活性性，，所所以以提提出出该该法法。。试件件原原材材料料及及制制备备程程序序和和（（3））法法一一样样，，只只是是采采用用了了不不同同的的养养护护制制度度。。用用试试件件浸浸泡泡在在80度度的的1mol/l的的NaOH溶溶液液中中，，测测其其12d的的膨膨胀胀值值作作为为评评定定骨骨料料潜潜在在活活性性的的依依据据。。规规定定依依据据：：膨膨胀胀率率小小于于0.1%为为非非活活性性，，膨膨胀胀率率大大于于0.2%为为活活性性。。该该法法过过于于严严格格，，某某些些被被证证明明是是无无害害的的骨骨料料可可能能被被判判为为有有害害。。1.6碱碱-骨骨料料反反应应的的主主要要因因素素（1））水水泥泥的的含含碱碱量量碱骨骨料料反反应应引引起起的的膨膨胀胀值值与与水水泥泥中中的的Na2O的的含含量量紧紧密密相相关关；；混混凝凝土土总总碱碱含含量量规规定定不不大大于于3.0Kg/m3,另外外规规定定水水泥泥中中碱碱含含量量小小于于0.6%。。（2)混混凝凝土土的的水水灰灰比比在通通常常的的水水灰灰比比范范围围内内，，随随着着水水灰灰比比减减小小，，碱碱骨骨料料反反应应得得膨膨胀胀值值有有增增大大的的趋趋势势，，在在水水灰灰比比为为0.4时时膨膨胀胀量量最最大大。。（3））反反应应骨骨料料的的特特性性其中中包包括括骨骨料料的的矿矿物物成成分分，，粒粒度度和和集集量量有有关关。。随着着反反应应性性骨骨料料含含量量的的增增加加，，混混凝凝土土的的反反应应膨膨胀胀量量加加大大；；粒粒度度过过大大过过小小都都能能使使反反应应膨膨胀胀量量减减小小，，中中间间粒粒度度（（0.15~0.6mm））的的骨骨料料引引起起的的反反应应膨膨胀胀量量最最大大，，因因为为此此时时反反应应性性骨骨料料的的总总表表面面积积最最大大；；反反应应性性骨骨料料孔孔隙隙率率对对其其反反应应膨膨胀胀量量也也有有影影响响。。（4））混混凝凝土土的的孔孔隙隙率率混凝凝土土的的空空隙隙也也能能减减缓缓碱碱骨骨料料反反应应时时胶胶体体吸吸水水产产生生的的膨膨胀胀压压力力，，因因而而随随孔孔隙隙率率增增加加，，反反应应膨膨胀胀量量减减小小，，特特别别是是细细孔孔减减缓缓效效果果最最好好。。因因此此，，加加入入引引气气剂剂能能减减缓缓碱碱骨骨料料反反应应的的膨膨胀胀。。（5））环环境境温温湿湿度度的的影影响响混凝凝土土的的碱碱骨骨料料反反应应离离不不开开水水，，因因此此环环境境湿湿度度对对其其有有明明显显影影响响。。虽虽然然说说在在低低湿湿度度条条件件混混凝凝土土空空隙隙中中的的碱碱溶溶液液浓浓度度增增大大会会促促进进碱碱骨骨料料反反应应，，但但如如果果环环境境相相对对湿湿度度低低于于85%，，外外界界不不供供给给混混凝凝土土水水分分，，就就不不会会发发生生混混凝凝土土中中反反应应胶胶体体的的吸吸水水膨膨胀胀，，它它的的最最不不利利相相对对湿湿度度为为90%-95%。。。。每种种反反应应性性骨骨料料都都有有一一个个温温度度限限值值。。在在该该温温度度以以下下，，随随温温度度增增高高膨膨胀胀量量增增大大，，当当超超过过该该温温度度限限值值时时，，反反应应膨膨胀胀量量明明显显下下降降，，最最不不利利温温度度在在37.8-40度度之之间间。。四、、碱碱骨骨料料反反应应的的预预防防措措施施1、、控控制制水水泥泥碱碱含含量量，，优优先先选选用用碱碱含含量量小小于于0.6％％的的低低碱碱水水泥泥。。一一般般情情况况下下，，把把水水泥泥碱碱含含量量低低于于0.6％％氧氧化化钠钠当当量量（（即即Na2O+0.658K2O））作作为为预预防防碱碱骨骨料料反反应应的的安安全全界界限限。。当当然然，，低低碱碱水水泥泥本本身身并并不不能能控控制制碱碱－－集集料料反反应应。。2、、确确定定最最小小水水泥泥用用量量。。在在满满足足工工程程要要求求的的强强度度及及耐耐久久性性前前提提下下选选择择合合适适的的水水泥泥用用量量。。3、、控控制制混混凝凝土土中中总总含含碱碱量量。。混混凝凝土土中中碱碱的的来来源源不不仅仅有有水水泥泥，，还还包包括括混混合合材材、、外外加加剂剂、、水水以以及及骨骨料料等等，，因因此此控控制制混混凝凝土土中中各各种种原原材材料料总总碱碱量量比比单单纯纯控控制制水水泥泥含含碱碱量量更更为为科科学学，，目目前前已已为为许许多多国国家家所所接接受受。。如如我我国国建建设设的的南南水水北北调调中中线线工工程程，，对对具具有有碱碱活活性性或或疑疑似似碱碱活活性性的的集集料料，，规规定定干干燥燥环环境境下下的的ⅠⅠ、、ⅡⅡ、、ⅢⅢ类类工工程程，，其其混混凝凝土土中中总总碱碱量量不不得得大大于于3.0Kg/m3；；潮潮湿湿