堿集料反應的診斷與防治

1、堿集料反應的診斷與防治楊建森( 寧夏大學土木工程系 銀川市 750021)摘 要: 概述了堿集料反應的類型與機理, 結合國內外堿集料反應研究的進展情況, 提出了堿集料反應的診斷方法和防治措施。關鍵詞: 堿集料反應; 診斷; 防治堿集料反應(A lk a li2A gg rega te R eac t io n 2A A R )是指混凝土材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿(N a2O 或 K 2O ) 與集料中的活性成分在混凝土澆注成 型后若干年(數年至 20 30 年) 逐漸反應, 反應生成物 吸水膨脹, 從而導致混凝土膨脹開裂而失去設計性能 的現象。從 20 世紀 40 年代以來, 堿集

2、料反應已在全球 范圍內造成巨大損失。 由于活性集料經攪拌后大體上呈均勻分布, 所以一旦發(fā)生堿集料反應, 便難以控制,并將造成混凝土膨脹開裂, 同時促使其它耐久性方面 的性能破壞加劇。進入 20 世紀 90 年代以后, 各種工程 尤其是大型工程對提高混凝土耐久性的要求日益迫 切, 按耐久性設計混凝土, 成為混凝土發(fā)展的一個新方向。作為影響混凝土耐久性的重要因素之一, 堿集料反 應仍是國內外混凝土界研究的重要領域。收稿日期: 2001- 10- 316結論本文分析了目前高速公路瀝青路面常用的A C 2I 與A K 型級配混合料存在的缺點, 認為: A C 2I 型級 配高溫穩(wěn)定性較差、施工中易于離

3、析; A K 型級配抗 水損害能力不足。 借鑒 SM A 和 Sup e rp ave 混合料 設計思路的優(yōu)點, 對 A C 2I 與 A K 級配設計提出了 改進意見。(1)A C 設計級配不一定必須走中值, 設計中可 根據集料特性選擇各項性能都比較好的最優(yōu)級配, 合理調整集料組成, 使其易于分布均勻。(2)A C 級配應有一定的骨架性, 在最佳油石比下, 瀝青混合料的空隙率宜在 4% 左右。(3) 調整A K 級配曲線, 使其趨向于嵌擠、密實, 并提高對A K 級配密實性指標的要求, 增加其抗水 損害能力。參考文獻:公路瀝青路面施工技術規(guī)范 (J T J 032- 94) 1B row n

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5、xp re ssw ay Co n st ruc t io n, N an jing 210004, C h ina; 2. J iang su T ran spo r ta t io n R e sea rch In st itu te, C h ina)A bstra c t: A C 2I an d A K g rada t io n s o f ten u sed in exp re ssw ay b itum en io u s p avem en t a re an a lyzed an dth e p ro b lem s ex isted in th em a re po in

6、 ted o u t. Som e adv ice s fo r A C 2I an d A k g rada t io n de sign s a re g iven acco rd in g to SM A an d Sup e rp ave de sign m e tho d s.Key word s: a sp h a lt m ix tu re; g rada t io n 88 公路2002 年 第 1 期1 堿集料反應的類型、機理和條件堿 集料反應可分為堿硅酸反應 (A lk a li2S ilica R eac t io n 2A SR ) 和堿碳酸鹽反應 (A lk a li

7、2C a rbo n a te R eac t io n 2A CR ) 2 大類。111 堿硅酸反應堿硅酸反應是水泥 ( 包括外加劑、摻合料等) 中 的堿與集料中的活性氧化硅成分反應產生堿硅酸鹽 凝膠或稱堿硅凝膠。 堿硅酸鹽凝膠固相體積大于反應前的體積, 而且有強烈的吸水性, 吸水后膨脹引起 混凝土內部膨脹應力。 堿硅酸鹽凝膠吸水后進一步 促進堿集料反應的發(fā)展, 使混凝土內部膨脹應力增 大, 導致混凝土開裂, 嚴重的會使混凝土結構崩潰。1940 年美國加利福尼亞的斯坦敦, 首先發(fā)現的堿集料反應即屬這種反應類型。 堿硅酸反應是迄今對工 程損壞最多、分布最廣、研究最多的一種反應類型。能與堿發(fā)生反

8、應的活性氧化硅礦物有蛋白石、 玉髓、鱗石英、方英石、火山玻璃及結晶有缺陷的石 英以及微晶、隱晶石英等, 而這些礦物廣泛分布于各種巖石中。112 堿碳酸鹽反應1995 年加拿大金斯敦城人行路面發(fā)生大面積表 1國內外已發(fā)現的堿活性礦物巖石開裂, 懷疑是堿集料反應, 用美國 A STM標準的砂漿棒法和化學法試驗, 屬于非活性集料。后經研究發(fā)現, 該反應是一種與堿硅酸反應不同的反應堿 碳酸鹽反應 (此理論由斯文森于 1957 年提出)。堿碳酸鹽反應的機理與堿硅酸反應完全不同1 。一般的碳酸鹽如石灰石和白云石是非活性的, 只有泥質石灰質白云石才會與堿發(fā)生堿碳酸鹽反 應。在泥質石灰質白云石中含粘土和方解石

9、較多, 堿 與這種碳酸鈣鎂反應時, 將其中白云石 (M gCO 3 ) 轉211外觀診斷( 1) 堿集料反應所產生的混凝土裂縫與結構鋼筋的數量、分布所形成的限制和約束有關3 。鋼筋限制、約束作用強的混凝土, 其裂縫往往發(fā)生在平行于 約束力的方向, 也就是順筋方向。 限制、約束作用力 弱或不受約束 ( 無筋或少筋) 的混凝土, 其裂縫往往 呈網狀 ( 龜背狀或地圖形) , 典型的裂縫網接近六邊 形, 裂縫從網結點 3 岔分開, 在較大的六邊形之間還 可再發(fā)展出小裂縫。限制、約束作用較均勻的混凝土 部位, 裂縫分布也較均勻。(2) 混凝土的收縮也會出現網狀裂縫, 但出現時 間較早, 多在施工后若干

10、天內, 而堿集料反應裂縫出 現較晚, 多在施工后數年至 10 20 年。 收縮裂縫環(huán)境愈干燥愈擴大, 而堿集料反應裂縫則隨濕度增大 而增大。 由堿集料反應引起的裂縫往往發(fā)生在混凝 土斷面大、受雨水或滲水影響、受太陽照射而引起環(huán)境濕度、溫度變化大的部位。( 3) 混凝土工程堿集料反應的產物堿硅凝膠可化為水鎂石M g (O H ) 2 ,使干燥的粘土暴露, 這種干燥緊密的粘土吸水膨脹, 引起混凝土內部應力, 導致混凝土開裂。113堿集料反應的條件 混凝土工程發(fā)生堿集料反應需 3 個條件: 混凝土的原材料水泥、摻合料、外加劑或水中含堿量高; 集料中有相當數量的活性成分( 有關活性成分見 表 12 )

11、 ; 潮濕環(huán)境, 有充分的水分或濕空氣供應。2堿集料反應的診斷盡管堿集料反應比較復雜, 但仍有一些基本的 反應特征可循。 筆者在總結國內外堿集料反應研究 成果的基礎上, 提出如下診斷方法。巖石活性成份火成巖花崗巖 花崗閃長巖紫蘇花崗巖應變石英含量> 30%浮石 流紋石 安山石 英安巖 粗面巖 珍珠巖 黑曜巖 火山凝灰?guī)r酸至中性富二氧化硅的火山玻璃體鱗石英玄武巖玉髓、蛋白石變質巖片巖片麻巖應變石英含量> 30%石英巖應變石英含量> 30% , 燧石含量> 5%角頁巖 千枚巖 泥板巖頁硅酸鹽、變石英沉積巖砂巖應變石英、燧石含量> 5%硬砂巖頁硅酸鹽、應變石英燧石微晶石

12、英、玉髓、蛋白石硅藻土蛋白質、微晶石英碳酸巖泥質白云石, 頁硅酸鹽2002 年 第 1 期楊建森: 堿集料反應的診斷與防治 89 順裂縫滲流出來, 凝膠多半為半透明的乳白色或黃褐色, 在流經裂縫、孔隙的過程中吸收鈣、鋁、硫等化 合物也可變?yōu)椴韬稚灾梁谏? 流出的凝膠多有較濕潤的光澤, 長時間干燥后變?yōu)闊o定形粉狀物。( 4) 堿集料反應膨脹可使混凝土結構工程發(fā)生 整體變形、移位病象, 如某些長度大的構筑物的伸縮 縫被頂實甚至膨脹, 有的橋梁支點因膨脹增長而錯 位, 有的大壩因膨脹導致壩體升高, 有些橫向結構在兩端限制的條件下因膨脹而發(fā)生彎曲、扭翹等現象。212 檢測診斷2. 2. 1 取芯檢驗

13、法在混凝土工程現場鉆取芯樣, 進行有關項目的 檢查。 (1) 肉眼或用立體顯微鏡觀察, 再用偏光顯微鏡觀察光薄片, 一般堿集料反應造成的破壞常會損 傷集料顆粒, 裂縫多從集料延伸至漿體。有時還能明 顯觀察到集料顆粒裂開, 或邊緣被撕裂。這一特征十 分重要。因為冰凍、鹽腐蝕、化學腐蝕、碳化、機械荷載 不會使集料顆粒受到損傷( 除非使用不抗凍的多孔集料)。因此這就是區(qū)分堿集料反應與其他破壞因素的重要特征4 。(2) 依靠電子顯微鏡加上能譜分析和 X 光衍射分析可以測得集料周圍白色膠狀物 ( 堿硅酸 凝膠) 的化學成分, 如含有鉀、鈉元素, 則屬堿集料反 應特征。這是發(fā)生堿集料反應的直接證明。(3)

14、 芯樣 的長期養(yǎng)護與觀察。 將芯樣置于實驗室室溫下的潮 濕容器中長期養(yǎng)護和觀察。 實驗室中芯樣裂縫的顯 著擴大是堿集料反應破壞作用最有說服力的證據。2. 2. 2 非破損檢驗法研究表明, 堿集料反應會使工程結構的回彈值 降低, 用超聲波儀測得的彈性模量也降低, 其降低率比抗壓強度降低率更顯著。2. 2. 3留置試塊的長齡期觀察 如北京的預制構件廠將與每批試件配合比完全相同的混凝土試塊存放于恒溫、恒濕的實驗室中 (一 般約 20, 溫度> 90% ) 長期養(yǎng)護, 經過 10 20 年的觀察, 結果發(fā)現有 1/3 的試塊開裂嚴重, 1/3 微開 裂, 1/3 完好。 這些實驗室試塊的開裂與冰

15、凍、干濕 循環(huán)、鋼筋銹蝕、化學腐蝕、去冰鹽腐蝕等因素無關。 這種排除了其他因素的開裂并繼續(xù)發(fā)展也是堿集料 反應的最直接證明。 大型及重要混凝土工程都應按生產批量和配合比留置長齡期觀察的試塊。2. 2. 4從混凝土中取出集料鑒定堿活性 一個受損害的工程是否由于堿集料反應引起,關鍵問題之一還需鑒定集料是否具有堿活性以及水泥的堿含量。但若面對一個齡期超過 20 30 年的混凝土工程, 往往查不到當時所用水泥的準確數據和 采石場集料的資料。 將混凝土的集料用機械方法和化學方法 (一般是鹽酸溶液處理) 分離并鑒定其堿活 性, 可以獲得重要依據。根據普通混凝土用砂石標準(J GJ 53- 92、J GJ

16、52- 92) 的規(guī)定, 集料堿活性的鑒 定有 4 種方法: 巖相法、化學法、砂漿長度法及巖石柱法。 巖相法能判定巖石的種類是屬二氧化硅類, 還是 碳酸鹽類, 以及是否含有活性礦物及活性礦物的大約數量。 巖石活性的大小不僅與活性礦物的品種、數量有關, 還與活性礦物的形態(tài)、結構等因素有關。若巖石 中沒有活性礦物, 就可判定其為非活性巖石。若巖中 含有 S iO 2 類活性礦物, 則需進一步用化學法或砂漿 長度法進行檢測, 以判斷巖石是否有潛在危害。在巖 石活性組分為白云石時要用巖石柱法判斷其是否有 害。另外我國對 S iO 2 類巖石的堿活性檢測方法還有砂石堿活性快速試驗方法(C EC S 48

17、- 93)。 在實際工程中要準確地判定堿集料反應的發(fā)生與否, 應根據工程混凝土的實際情況和多種影響因 素, 盡可能采用多種方法, 既要有宏觀系統的對比考 察, 又要與實驗室的試驗和微觀研究相結合, 以提高 堿集料反應診斷的置信度。3堿集料反應的防治由前所述, 堿集料反應的發(fā)生與破壞取決于以 下幾個條件: 混凝土中的堿含量, 集料的堿活性程度 和濕度。 因此, 堿集料反應的防治, 最終表現為對其 反應條件的控制。 由于堿集料反應一旦引起混凝土 開裂和破壞, 往往難以阻止其繼續(xù)發(fā)展, 且修補也較費事, 所以堿集料反應的防治應以防為主。3. 1堿集料反應的預防3. 1. 1限制混凝土的含堿量 混凝土

18、中堿的主要來源是水泥, 另一重要來源是含堿量高的混凝土外加劑, 另外是拌合水、集料帶入的堿。 因此降低混凝土中堿含量的一個重要措施是 使用低堿水泥, 在各國的標準中均有此項規(guī)定, 以含堿量(N a2O % +658K 2O % ) 低于0. 6% 為含堿量安全0.界限。在外加劑的選擇上, 我國正在研究和使用不含或少含鉀、鈉離子的外加劑, 如已生產使用的硝酸鈣、亞 硝酸鈣等早強型防凍劑。另外, 使用粒徑較大的石子和中粗砂, 選用高效減水劑和提高水泥強度等級也能適當降低混凝土堿含量。研究表明, 混凝土的總堿 量控制指標: 對一般工程, 混凝土總堿量應小于 90 公路2002 年 第 1 期3. 0

19、 k g (N a2O 當量) /m 3; 對重大工程, 混凝土總堿量應小于2. 0 k g (N a2O 當量) /m 3?？刂扑嗪突炷?安全含堿量是防止堿集料反應的最有效途徑。3. 1. 2控制堿活性集料的應用 使用非活性集料對于防止堿集料反應而言是最安全可靠的措施。 但由于活性集料特別是硅質活性 集料分布廣泛, 且集料資源亦非“取之不盡”的可再生資源, 隨著資源的不斷消耗和受工程造價等因素 的影響, 集料的可選擇余地愈來愈受限制。 因此, 要想絕對不使用堿活性集料則不太現實, 只有視工程 情況合理地加以控制。 對于接觸到水或處在潮濕環(huán) 境中的以及重要的混凝土工程, 施工前必須對集料

20、的堿活性進行檢驗, 判明所用的集料是否有堿活性, 應嚴格選用對工程無害的集料。對于一般工程, 如果混凝土含堿量低于 3 k g/m 3 , 可以不做集料的活性 檢驗; 如果混凝土含堿量高于 3 k g /m 3 , 則應對集料進行活性檢測, 如經檢測為堿活性集料, 則不能使用, 或經與非活性集料按一定比例混合后, 經試驗對 工程無損害時, 方可按試驗確定的比例混合使用。3. 1. 3摻加活性摻合料 使用低堿水泥常常受到資源和生產的限制, 采用活性摻合料取代部分高堿水泥是重要的且很有潛 力的措施。摻加活性摻合料可緩解、抑制混凝土的堿集料反應。 常用的這類摻合料有粉煤灰、硅灰、高爐 水 淬礦渣、熟

21、硅藻土和偏高嶺土等。 根據各國資混凝土發(fā)生堿集料反應, 引起混凝土膨脹開裂,進而使混凝土力學性能及耐久性能下降, 從而使混 凝土失效。為延長這類混凝土的使用年限, 必須進行修補。 修補包括結構和材料兩條途徑。 混凝土工程 的承載能力、穩(wěn)定性和整體性只能通過結構的重新 設計, 改變受力體系, 選用一般結構工程的補強加固 技術進行加固。例如, 化學灌漿, 噴射混凝土, 外包混 凝土, 外包鋼板、粘貼鋼板, 預應力拉桿加固, 預應力撐桿加固等。材料加固是指采用修補材料, 修補混凝 土裂紋, 同時阻止或延緩堿集料反應的進程, 以達到 提高混凝土耐久性, 延長其使用壽命。這里著重介紹幾種主要修補材料的性

22、能與應用。 堿集料反應維修材料的研究工作十多年來已受到各國重視, 但至今尚無成熟經驗。日本在這方面的 研究工作開展較快, 并取得一定成效。國際上研究并 在工程實踐中試用的表面材料主要有 5 類: 樹脂 (最 常用的是環(huán)氧樹脂)、聚合物水泥、有機硅烷、橡膠(常用的氯丁橡膠) 和碳纖維增強塑料。3. 2. 1 環(huán)氧樹脂這種材料韌性好, 與混凝土的粘結強度大, 但是 環(huán)氧樹脂僅能填充 25 30 mm 深的表面裂縫, 可填 裂縫的寬度為 012 mm , 不能滲入更小的裂縫。在維 修初期 (1 年之內) 情況一般良好。 但 1 年后又會開 裂。 這主要是由于環(huán)氧樹脂只能阻止外界水侵入混凝土, 而不能

23、使混凝土中的水蒸發(fā)逸出, 而使保留在 混凝土中的水使堿集料反應繼續(xù)進行, 混凝土進一 步膨脹造成開裂。理論研究和實踐證明5 , 環(huán)氧樹指 不能作為堿集料反應混凝土破壞工程的修補材料。料2, 3, 摻 5% 10% 的硅灰可以有效地抑制堿集料反應。 冰島自 1979 年以來, 一直在生產水泥時摻5% 7. 5% 的硅灰, 以預防堿集料反應對工程的損 害。 摻加粉煤灰也很有效, 經試驗5 , 即使含堿量高的粉煤灰, 取代 30% 水泥, 也可有效地抑制堿集料 反應。如摻用礦渣, 其摻量必須大于 50% , 才能有效 地抑制堿集料反應對工程的損害, 現在英、美、德諸 國對高爐礦渣的推薦摻量均為 50

24、% 以上。3. 1. 4 在混凝土中摻入纖維材料在混凝土中摻入鋼纖維、碳纖維等纖維材料, 對 堿集料引起的膨脹有限制、約束作用, 使破壞性的膨 脹轉化為預應力的效果, 或認為纖維材料對混凝土 的膨脹、開裂有阻止作用。3. 1. 5 在混凝土中摻用引氣劑摻用引氣劑使混凝土保持 4% 5% 的含氣量, 可容納一定數量的反應產物, 從而可以緩解堿集料 反應的膨脹壓力。3. 2 堿集料反應混凝土的維修聚合物水泥砂漿 (PCM )3. 2. 2以聚合物乳液作為水泥砂漿的韌性劑。 日本常用的聚合物品種為單分子 22乙基已基丙烯酸鹽。 PCM 中聚合物與水泥用量之比 (P /C ) 對涂層的粘 結強度、延性

25、以及水和水蒸氣滲透能力有很大影響。 PCM 能阻止堿集料反應。當 P /C 較小時, 阻止堿集 料反應的能力更顯著, 試驗證明 PCM 中 P /C 值取0. 5 為好。3. 2. 3 硅烷浸漬混凝土硅烷是憎水劑, 能阻止水進入混凝土, 又允許混 凝土毛細管中的自由水蒸發(fā), 因而能有效抑制堿集料反應。 試驗表明, 分子量為 262 的硅烷效果更佳。硅烷處理混凝土的有效深度是 10 20 cm , 因此它 只能控制離表面 10 20 cm 的濕度。3. 2. 4 L iN O 2 或L iN O 2 和 PCM 復合2002 年 第 1 期楊建森: 堿集料反應的診斷與防治 91 單一的L iN

26、O 2 或 PCM處理的試樣其膨脹值相參考文獻:近, 都能抑制堿集料反應。 但是L iN O 2 浸漬后再用PCM 涂覆, 復合處理的試件效果更佳3 。3. 2. 5碳纖維增強塑料 近年來用碳纖維增強塑料修補混凝土結構工程已臻完善, 并迅速發(fā)展, 且設計、施工方法不斷創(chuàng)新。意大利不少工業(yè)廠房 ( 如雙曲薄殼)、橋梁、住宅 ( 混 凝土框架) 采用粘貼碳纖維增強塑料筋帶加固進行 試驗, 效果明顯, 達到原有強度、剛度性能要求。日本在橋梁、橋面和隧道工程中亦有采用碳纖維增強塑 料筋片獲得成功的實例。1D eng M , H am S F , L u Y N , e t a l. D e te r

27、io ra t io n o fco nc re te st ruc tu re s due to a lk a li- do lom ite reac t io n inC h ina cem en t an co nc re te re sea rch , 1993.劉崇熙, 文梓蕓. 混凝土堿集料反應. 廣州: 華南理工 大學出版社, 1995.H o bb s D W . A lk a li silica reac t io n in co nc re te. L o ndo n: T hom a s T e lfo rd, 1998.唐明述, 許仲梓, 等. 我國混凝土中的堿集料反應

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