如何预防混凝土碱集料反应

如何预防混凝土碱集料反应衡桂高速公路第13合同段碱集料反应说明:碱集料反应是指混凝土原材料中的碱性物质与活性成分发生化学反应,生成膨胀物质（或吸水膨胀物质）而引起混凝十产生内部自膨胀应力而开裂的现象，由于碱集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一、混凝土碱集料反应的发现与研究进展20世纪30年代，美国西部地区的堤坝、公路、桥梁等混凝土结构发生异常膨胀，产生裂缝，当时，尚未寻找出具体的原因。1940年，T.E.Stanton首次将这种混凝土异常膨胀并产生开裂的原因归结为是由于碱含量较高的水泥与某种页岩或蛋白石集料之间发生反应所引起的，他把加利福尼亚州的KingCity大桥的桥墩损伤的结构物所使用的集料制成砂浆试件，测定变形率后，发现膨胀率很大，他认为是由于碱含量高的水泥析出的KOH、NaOH与含有活性SO2的集料发生了反应。其后，世界上许多国家相继认识到了碱集料反应对混凝土结构耐久性和安全性的危害，并对混凝土碱集料反应的危害以及原理进行了深入研究，制定了碱集料反应可能性的检验方法，并提出相应的预防措施。我国对混凝土碱集料反应理论的研究水平也在唐明述院士等的领导下跨入世界前列。必须指出的是，由于水泥与集料之间的作用相当复杂，各地集料的品种、矿物组成千差万别，实际工程中各种劣化因素所引起的混凝土耐久性下降现象互相交织，这些都对混凝土碱集料反应机理的研究以及混凝土结构劣化原因的界定产生了一定影响。然而，为防患于未然，必须从混凝土原材料的选择和配合比的设计方面提出切实可行的措施，才能有效预防碱集料反应对混凝土结构的破坏作用。二、混凝土发生碱集料反应破坏的原因混凝土的碱集料反应是混凝土材料内水泥中的碱（KOH、NaOH）与集料中的活性成分之间发生的化学反应，其产物呈胶体状态，不仅减弱了集料与水泥石之间的界面粘结强度，而且遇水后发生膨胀，使混凝土内部产生较大的内应力而导致混凝土结构体开裂。碱集料反应的类型一般认为，碱集料反应有三种类型，即：1）碱-硅反应；2）碱-碳酸盐反应；3）碱-硅酸盐反应。下面分别进行简要介绍。3.1.1碱-硅反应碱-硅反应是集料中的反应性微晶氧化硅与混凝土孔溶液中的碱之间发生的反应。此反应在常温下即可进行，产物为碱-硅凝胶体，它吸水膨胀，引起膨胀压而使混凝土结构体开裂（无序的网状裂纹）；与碱发生反应的集料表面有凝胶环存在；混凝土内部也会产生大量裂缝；混凝土内部孔缝中存在硅酸盐凝胶，凝胶失水后硬化或粉化。研究表明，碱-硅反应的速度随SiO2的稳定程度、比表面积、温度以及液相中OH-浓度而不同，碱的浓度对碱集料反应与否起很大作用。碱-碳酸盐反应碱-碳酸盐反应发生在水泥石液相中的碱与石灰石集料之间。与碱-硅反应不同的是，尽管碱-碳酸盐反应表现为混凝土体内外产生开裂，但集料表面不产生凝胶体。碱-硅酸反应这是一种特殊的碱集料反应，集料表面也不存在反应环，但是会引起混凝土体内外开裂。碱集料反应所引起的混凝土破坏型式前已述及，混凝土内部发生碱集料反应后的宏观现象为：集料表面存在凝胶环；混凝土内部和外部开裂；孔缝内有异常物质存在等。混凝土发生碱集料反应最突出的表现就是产生开裂，这种无序的开裂将导致其力学性能下降，抗冻性、抗化学腐蚀性和抗钢筋锈蚀性严重降低。混凝土发生碱集料反应缺一不可的三要素尽管关于混凝土碱集料反应的机理以及确切的规律至今尚无圆满的解答，但是人们发现，混凝土内部要发生碱集料反应，这三个条件缺一不可，即：1）水泥（确切地应为胶凝材料）中碱含量过高。水泥碱含量越高，发生碱集料反应的可能性越大。一般认为，对于使用活性集料的混凝土，当水泥碱含量超过0.6%时，便有发生碱集料反应的可能性。2）所用集料内含活性物质。一些有代表性的活性集料，如蛋白石、打火石、燧石和火山喷出岩（主要是安山岩和流纹岩）等发生碱集料反应的危险性最大。3）必须有水份存在。水份的存在是发生碱集料反应的必要条件之一。干燥条件下，混凝土几乎不发生碱集料反应。而当前两个条件同时具备时，处于高湿度环境的混凝土发生碱集料反应的速度更大。三、影响混凝土碱集料反应进程和破坏程度的因素混凝土内部发生碱集料反应的三个必要条件是：高的碱含量、集料具有碱活性以及有水份的存在。然而，碱集料反应的进程和破坏程度还受到以下几个因素的影响。4.1活性集料的数量和集料的粒径一般认为，集料中活性集料的百分比越大，发生碱集料反应的破坏也越大，但有的研究表明，某些种类的活性集料存在“最不利”极值。集料粒径在0.15-0.3mm范围内，发生碱集料反应后产生的体积膨胀最大，开裂也最严重。4.2碱含量水泥中的碱含量通常以Na2O的等当量质量（Na2O+0.658K2O）与水泥质量之比的百分数表示；混凝土中的碱含量通常以单位立方米混凝土中Na20的等当量质量表示。当使用活性集料时，碱含量与碱集料反应的速度呈大致的线性关系，比如碱含量越高，越易发生碱集料反应，但这种关系也不是绝对的，如对于蛋白石等高碱活性集料，当碱含量过高时，膨胀量反而减小。水灰比水灰比越大，混凝土内部孔隙率也越大，碱在水溶液中的迁移速度也增大，所以如果具备碱集料反应发生的条件时，其反应速度也加快。但是，也有人通过实验证实，当水灰比较小时，孔隙尺寸小，孔隙率也低，反而不利于缓和因发生碱集料反应所产生的膨胀压。诚然，减小水灰比可以大幅度降低混凝土渗透性，从而降低混凝土的渗水性，因而发生碱集料反应的可能性也必然会减小。四、碱-集料反应的鉴定鉴定AAR最可靠的方式是钻取混凝土芯样，观察集料周围或内部有无裂缝、反应环和白色胶状泌出物（干后为白粉），用XRD等方法分析泌出物有无K、Na元素，取出集料进行碱活性测定。AAR对混凝土破坏型式与其它破坏形态相比存在某些显著特征，这也是进行准确判断的重要依据。众所周知，AAR是混凝土中的碱与某些活性集料之间发生化学反应引起的结构开裂。混凝土的裂缝，通常分为两类：（1）非载荷裂缝—由收缩、温度变化等原因造成；载荷裂缝。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。这一特征十分重要，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(除非使用不抗冻的多孔集料)。因此这是区分AAR与其它破坏素的重要特征。在混凝土保护层或无筋等限制较弱部位，AAR引起的裂缝呈地图状；在混凝土限制力均匀的部位，AAR引起的裂缝分布也均匀；在钢筋混凝土结构限制力大的部位，AAR引起的破缝常在与限制力平行的方向发展，另外，AAR引起的破坏常较其它耐久性破坏快，有的工程在3〜5年内就出现严重开裂。因此，如混凝土密实、保护层又足够，3〜5年内即出现严重开裂就应怀疑是AAR引起的破坏。再说，水是混凝土发生AAR破坏的必要条件之一，如在潮湿部位出现早期开裂破坏就应怀疑是AAR所致。当然，AAR破坏的判断还应结合混凝土工程所用原材料如水泥、集料、外加剂以及周围环境来加以进行。四、如何预防混凝土碱集料反应现在我就我们衡桂高速公路如何预防混凝土碱集料反应进行以下分析。我们应该采用低碱水泥，减少水泥中的碱性物质活性将大大降低碱集料反应。低碱水泥中的游离cl-,OH+,so4等活性成分减少,就降低碱-集料反应，并且使用复合的水泥，还有就是参入一定量的粉煤灰，我们查阅山西交通科学院的《混凝土碱集料反应预防技术应用的研究》他们对比了参入粉煤灰的膨胀量下降幅度在70%左右。粉煤灰抑制碱-骨料反应明显。粉煤灰越细，活性越好，45微米筛余在30％左右就能较好地满足要求，不应大于40％，烧失量不应大于8%，需水量比不应大于105%，最好能小于100%。满足这些要求，就可以使粉煤灰较大的比表面积，同时需水量较小，从而产生抑制碱一硅酸腐蚀的效果并保证路面混凝土的强度、耐久性；应使用低钙粉煤灰，CaO含量小于10%，这是因为高钙粉煤灰可能含有大量的可溶性的硫酸盐，从而加剧碱一硅酸反应；粉煤灰含碱量(Na20%+0．658K2O%)不应大于1．5%。本次试验所用两种粉煤灰的碱总含量均低于1．5%。考虑到国内外史献的论述，以及本次试验结果是在小于1．5%的条件下进行的，并考虑到符合此条件的粉煤灰容易取得，故建议要求昕选用的粉煤灰碱含量低于1．5%。所使用的集料，尽量采用碱低活性的集料，我们高速公路附近的碎石大部分都是石灰岩，含有少量的白云石，大部分都是非活性的集料。这就降低了碱-集料反应的活性。掺入高效减水剂：在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现，而掺入高效减水剂，完全可以将水灰比降低到0.38以下。但我们使用的减水剂尽量选用低碱性的减水剂，而且控制参量。碱集料反应还有关键的是一个要素就是离不开水，没有水碱-集料反应照样不能进行下去，所以我们在通涵施工完成后，就要实施沥青覆盖，让混凝土完全与水隔绝。这样混凝土中的碱-集料想反应没有水照样不能进行。总之，碱集料反应不是个简单的问题，我想我们只能通过种种办法降低混凝土中碱集料反应的条件，提高混凝土的耐久性。参考文献：[1