混凝土碱一骨料反应的预防

混凝土碱一骨料反应的预防-中国水泥技术网2011-1-18作者：常翔：中铁隧道集团有限公司摘要：混凝土碱一骨料反应是导致水泥混凝土结构产生病害的一种有害反应。论述了碱一骨料反应的特征及影响因素。通过对实际工程的观测、调查、钻探取样及化验分析，详细剖析了混凝土碱一骨料反应的机理和过程。最后对碱一骨料反应的预防提出了建议。关键词：混凝土耐久性碱一骨料反应预防中图分类号：U457+2文献标识码：A1概述目前国内相当普遍的既有混凝土工程存在着质量病害，其主要表现在混凝土裂缝、工程结构受到破坏等方面。产生该质量病害的主要原因是以往对混凝土的耐久性研究和重视不够。结合工程实例探讨对？昆凝土质量影响较大的混凝土碱一骨料反应问题，对今后的混凝土施工很有必要。2碱一骨料反应的特征和影响因素2.1碱一骨料反应发生的条件和特征碱一骨料反应发生的条件混凝土中的含碱量要达到一定值；骨料中有相当数量的活性成份；外部潮湿环境能提供硅胶反应所需要的水份。碱一骨料反应的特征从外观特征看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可看到从裂缝处溢出白色或透明胶体的痕迹；在同一工程中潮湿部位发展严重；内部特征表现为从破坏的试样里可以鉴定出碱一硅酸凝胶的存在，骨料颗粒周围出现反应环；表面开裂：碱一骨料反应的最重要特征是混凝土表面开裂。如果混凝土没有施加预应力，裂缝成网状，每条裂缝长约数厘米。开始时，裂纹从网接点三分岔成三条放射状裂纹，夹角约120。。随着碱一骨料反应程度的增加，最终这些裂纹相互连通，形成网状。2.2影响碱一骨料反应的主要因素混凝土中的碱含量混凝土中的碱含量越大，混凝土发生碱一骨料反应的可能性越大，引起的破坏越严重。混凝土的水灰比在通常的水灰比范围内，随着水灰比减小，混凝土碱一骨料反应的膨胀量有增大趋势，在水灰比为0.4时膨胀量为最大。骨料的特性骨料中的活性成份越多，混凝土的碱一骨料反应膨胀量越大。骨料的粒径过大或过小都能使反应膨胀量减小，中间粒度的骨料引起的反应膨胀量最大。骨料的空隙率较大时也能缓解碱一骨料反应的膨胀压力。混凝土的空隙率混凝土的空隙率也能缓解反应膨胀压力，因此，加入引气剂也能缓解碱一骨料反应的膨胀压力。(5)环境温湿度的影响混凝土的碱一骨料反应离不开水，因此，环境湿度对其有明显影响。虽然说在低湿度条件下混凝土空隙中的碱溶液浓度增大会促进碱一骨料反应，但是如果环境湿度低于80%时，外界不能供给混凝土水分，混凝土内部就不可能发生胶体吸水膨胀的物理反应。环境温度对混凝土碱一骨料反应也有影响。在高温下，混凝土碱一骨料反应加快，在混凝土未凝结之前已完成膨胀，混凝土的塑性变形吸收了膨胀压力。3工程实例猫狸岭隧道位于宁(波)一台(州)一温(州)高速公路三门铺里至临青岭段，双向四车道，1998年7月开工，于2000年12月竣工通车。防水层采用柔性防水卷材，二次衬砌添加膨胀剂UEA—H(2)制成自防水混凝土结构，衬砌工作缝设遇水膨胀止水条，混凝土浇注采用泵送工艺。喷射混凝土为C20素喷或C20钢纤维混凝土，二次衬砌为C25混凝土和C25钢筋混凝土结构。初期支护与二次衬砌有关参数是：田类围岩：15cm厚C20喷射混凝土加金属扩张网(10cmx20cm)，35cm厚C25模注混凝土衬砌；IV类围岩：5cm厚C20喷射混凝土加BQ3030金属扩张网(10cmx20cm)，30cm厚C25模注混凝土衬砌；V类围岩：5cm厚C20喷射混凝土，30cm厚C25模注｝昆凝土衬砌。该隧道2004年4月份经过某科研设计院检测，检测结果是该隧道50%以上存在裂缝，对工程结构有一定的影响。该院未对裂缝原因作出判定。施工单位对该隧道混凝土进行了碱一骨料反应试验。3.1现场外观检查碱一硅酸盐反应(ASR)是碱一骨料反应的最主要方面，现场观测是判定混凝土结构是否产生硅酸盐反应(ASR)病害的重要环节。一般情况下，可根据硅酸盐反应(ASR)裂缝特点，通过肉眼观察。经检查裂缝成网状，缝宽有0.1〜3.0mm，大部分在1.0mm以下；长0〜30m不等。3.2钻芯取样检验钻芯取样检验是混凝土ASR病害诊断方法的主要内容。从开裂的混凝土结构中取出芯样，可观察到芯样表面的裂缝深达80〜187mm，有时还能观察到裂缝和气孔中的白色半透明凝胶和碱活性骨料的反应环。检验取样范围：主要位于桩号为K18〜K19中约600m范围内，岩芯编号与里程桩号相对应，岩芯长度100〜350mm，各段岩芯的裂缝情况见表1。表1岩芯编号与裂缝情况对照表岸研1KLS未开耕3KIS49153Kll+丽翊日未w强5芯】包1-^22*6+950no7KU+4邹15flaEli+952100-91ST]0£194031.3[211『此514W*641k<A154-030KI9+050-5HOtE：卷芯直控坷为一项.3.3混凝土施工调查经调查原始生产记录，混凝土施工配合比见表2,配比编号为C98—008。表2施工混凝土调查3.4取样混凝土碱含量检验将芯样混凝土中的骨料和水泥仔细敲开、筛分，可分别得到粗骨料、细骨料和硬化水泥浆。采用化学分析法测定水泥浆中(实际上包含有少量酸不溶物)的Na2O、K2O含量，再经换算可得到混凝土单位体积的碱含量，结果如下：K18里程混凝土总碱含量为：3.50kg/m3。K19里程混凝土总碱含量为：4.30kg/m3。3.5混凝土中骨料的碱活性鉴定采用岩相分析法和快速砂浆棒法检测粗骨料的碱活性。样品的岩相分析通常是通过肉眼观察和借助光学显微镜鉴定骨料的岩石种类、矿物组成及各组分含量，并依此判断骨料的碱活性。砂浆棒法以骨料与碱作用后所产生的膨胀率大小作为判据检查碱活性。(1)K19+039岩芯镜下观察描述：样品由骨料(70%左右)和水泥胶结物(30%左右)两部分组成。骨料：可分为岩石碎屑(55%)和单矿物碎屑(15%)两类。岩石碎屑成分以花岗岩为主，其次为火山凝灰岩，少量安山岩和长英质粒岩。花岗岩岩屑由石英和长石组成，大部分长石高岭石化。凝灰岩岩屑以火山玻屑、尘屑为主，其次为石英、长石晶屑。安山岩岩屑以微晶斜长石为主，含少量长石、黑云母斑晶。长英质粒岩岩屑由粒状长石、石英组成。在凝灰岩岩屑和部分花岗岩岩屑边部出现宽约0.01〜0.03mm的反应边。单矿物碎屑以石英为主，少量长石。水泥胶结物呈黄绿色，在胶结物中发育不规则网状裂纹，宽0.01〜0.03mm，裂纹中充填了淡黄色透明的凝胶。（2）K18+922岩芯镜下观察描述：样品由骨料（75%左右）和水泥胶结物（25%左右）组成。骨料：由岩石碎屑（55%左右）和单矿物碎屑（20%）两部分组成，岩石碎屑以凝灰岩为主，其次为霏细岩、石英岩。凝灰岩岩屑以火山玻屑和极细尘屑为主，其次为长石，石英晶屑。玻屑略有脱玻化。霏细岩岩屑由细粒长英质微晶组成。石英岩岩屑由不规则粒状石英组成，大部分石英强烈波状消光。在大部分凝灰岩岩屑和部分石英岩岩屑的边部出现淡黄色透明的反应边，宽0.01〜0.02mm。单矿物碎屑以石英为主，少量长石。水泥胶结物呈浅黄褐色，分布在骨料之间，在胶结物中可以见到少量不规则状裂纹，宽0.01〜0.03mm，裂纹中充填物为淡黄色透明的凝胶。（3）检查结果：K18+922混凝土中碱活性矿物成分/组分以火山玻屑、长英质微晶、强烈波状消光石英为主，膨胀率为0.25%；K19+039混凝土中碱活性矿物成分/组分以火山玻屑为主。3.6薄片和光片观察从芯样上切取一定数量的混凝土块制成薄片和光片，分别在偏光显微镜和实体显微镜下观察混凝土中是否存在反应环、微细裂缝（包括骨料和砂浆体内）或反应产物流失后留下的空洞。用于制作薄片和光片的混凝土应从芯样的端部和中部分别切取，每处应沿平行和垂直芯样轴线的两个方向切取3—4个薄片样品。在偏光显微镜下观察时，可进一步确认混凝土中碱活性骨料是否存在，骨料周围是否存在反应环等。经观测：混凝土表面有一约0.8cm的修补层，未见明显开裂，骨料与浆体粘结良好，孔洞中未显见沉积物。在距混凝土表面约5.7cm处可以看到凝胶。3.7对岩芯试样中骨料和水泥之间是否存在K+、Na+富集进行分析从芯样上切取20mmx20mm的适当厚度的混凝土小块，真空干燥处理后，将其表面喷碳，然后在扫描电镜下观察界面区域、微细裂缝内及气孔中的反应产物形貌，通过能谱分析测定化学组成，确认是否存在碱富集现象。检测结果如表3、表4所示。表3K19骨料与水泥浆界面处K+、Na+富集表幻9水泥浆L水混茶卫kig.界面上K1S界珂1awgo/表4K18骨料与水泥浆界面处K+、Na+富集表氧化街KIST*水馄紫K]Bfl-料KIE*922界血札。DrWOJ?]u030.413.fi63.8检测结论①混凝土中存在碱活性矿物成分;骨料与水泥浆界面处存在K+、Na+富集现象；发现有碱硅酸凝胶物质。综合判断混凝土中存在碱一硅酸反应活性，因此该隧道裂纹较为普遍，除了部分温度及施工原因外，主要是碱一骨料反应造成的裂纹。这种情况在浙江地区相当普遍。4碱一骨料反应的预防根据碱一骨料反应的影响因素和主要条件，施工中防止混凝土碱一骨料反应可从以下几个方面人手：4.1使用非活性骨料使用非活性骨料抑制A.AR是最有效的和最安全可靠的措施。但是，受骨料资源的限制，这种方法的实际应用是非常有限的。另外，目前对评定骨料的碱活性特别是慢膨胀骨料的潜在碱活性尚无绝对可靠的方法，正确判断骨料的碱活性也并非易事；常见的骨料碱活性试验方法有：岩相法、化学法和砂浆棒法等。4.2控制水泥和混凝土中的碱含量控制混凝土中的碱含量主要是基于当混凝土中碱含量低于一定值时，混凝土孔溶液中K+、Na+和OH一浓度便低于某临界值，AAR便难于发生反应或反应程度较轻，不足以使混凝土开裂破坏。我国对于水泥含碱量的要求一般不大于0.6%。但研究证明，由于混凝土中的碱能随水分子的迁移而迁移富集，此措施并不总是有效。另外，对存在外部碱源的混凝土工程，即使混凝土中碱含量较低也可发生AAR。因此，限制混凝土中的碱含量只对部分工程有效。4.3控制外部环境湿度当混凝土外部环境湿度低于80%时，由于外部不能供给碱硅胶发生膨胀所需的水分从而抑制了AAR的发生。然而，实际上混凝土湿度所处的环境条件是不易人为控制的，而且干湿循环等因素还可以导致混凝土中碱的迁移，并在局部富集，反而加剧了碱一骨料反应(AAR)。4.4使用混合材料国内外许多研究证明：水泥混凝土中内掺一定量的粉煤灰和矿渣能够延缓或抑制混凝土的碱一硅酸反应(ASR)。4.5改善混凝土结构和使用条件保证混凝土质量，防止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，能防止外界水分侵人混凝土内部，从而能起到制止碱一骨料反应的作用。从使用条件来看，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一骨料反应引起的破坏。必要时，还可以采用防水措施。5结束语碱一骨料反应是可以预防的，只有在施工时根据工程实际情况选择预防碱一骨料反应的主要控制因素，就可以解决碱一骨料反应产生的混凝土质量病害。参考文献：王媛俐，姚燕.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[M].北京：中国建材工业出版社，2001.刘秉京.混凝土技术[M].北京：人民交通出版社，1995.JTGF30-2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2003.2000版铁路工程材料试验方法标准汇编[G].北京：中国铁道出版社，2000.TB10210—2000,铁路混凝土与砌体工程及验收规范[S].北京：中国铁道出版社，2001.TB10417—98，铁路隧道工程质量检验评定标准[S].北京：中国铁道出版社.1998.JGJ55—2000,普能混凝土配合比设计规