堿—集料反應及其控制方法1ppt課件

1、一座橋何以只有二十年壽命？一座橋何以只有二十年壽命？拆除前的西直門橋拆除前的西直門橋19792019建成于建成于1984年年9月月25日，日， 水泥用量約水泥用量約300400kg/m3，該橋，該橋1984 年建成后在年建成后在80年代末已發(fā)現(xiàn)開裂，其后繼續(xù)發(fā)展。蓋梁及橋臺開裂特別嚴重，裂縫寬度最年代末已發(fā)現(xiàn)開裂，其后繼續(xù)發(fā)展。蓋梁及橋臺開裂特別嚴重，裂縫寬度最大已達大已達1.4cm.北京三元立交橋北京三元立交橋原原 因：因：（1使用的是北京地區(qū)具有堿活性的礫石，粒徑為使用的是北京地區(qū)具有堿活性的礫石，粒徑為0.52cm；（2） 在冬季施工時曾摻入在冬季施工時曾摻入5%NaNO2 和和3 %N

2、a2SO4 (以水泥質(zhì)量計以水泥質(zhì)量計) 作為作為防凍劑及早強劑，致使部分混凝土的堿含量高達防凍劑及早強劑，致使部分混凝土的堿含量高達15kg/m3。19821984 年由北京的構(gòu)件廠共生產(chǎn)跨度為年由北京的構(gòu)件廠共生產(chǎn)跨度為2432 m 的預應力混凝土鐵路的預應力混凝土鐵路橋梁橋梁188孔用于山東兗石孔用于山東兗石(兗州至石臼所兗州至石臼所) 線上，水泥用量約線上，水泥用量約500kg/m3 ，水，水灰比為灰比為0.3，強度非常高。，強度非常高。順筋開裂順筋開裂端部開裂端部開裂山東兗石線預應力混凝土鐵路橋山東兗石線預應力混凝土鐵路橋1991 年共調(diào)查年共調(diào)查183 孔，其中無裂縫者僅孔，其中無

3、裂縫者僅6 孔，裂縫寬度大于孔，裂縫寬度大于0.2mm，一般在一般在0.20.4 mm 之間，最大者達之間，最大者達0.7 mm。原原 因：因：（1采用高堿采用高堿(1.1%1.3%)純硅酸鹽水泥，水泥用量約純硅酸鹽水泥，水泥用量約500kg/m3，混凝土，混凝土的堿含量約的堿含量約6.5kg/m3；（2集料活性。集料活性?；炷恋哪途眯曰炷恋哪途眯钥箟A集料反應性能抗硫酸鹽侵蝕性能抗凍融循環(huán)破壞性能抗鋼筋銹蝕性能抗(水、氣)滲透性能抗堿集料反應性能 1990 1990年以前我國未發(fā)現(xiàn)年以前我國未發(fā)現(xiàn)AAR AAR 的工程破壞實例，因此人們認為這是國的工程破壞實例，因此人們認為這是國外的問題，

4、我國并不存在，但事實并非如此，原因有二：外的問題，我國并不存在，但事實并非如此，原因有二： （1 1我國生產(chǎn)大量高堿水泥我國生產(chǎn)大量高堿水泥, ,特別是特別是6060年代后生產(chǎn)了大量高堿純硅酸年代后生產(chǎn)了大量高堿純硅酸鹽水泥。堿含量最高可達鹽水泥。堿含量最高可達1.3%1.3%，特別是在黃河以北，由于粘土，特別是在黃河以北，由于粘土( (有時是石有時是石灰石灰石) ) 含堿量高，致使北方地區(qū)水泥含堿量多在含堿量高，致使北方地區(qū)水泥含堿量多在0.8%0.8%1.0%1.0%以上。以上。 （2 2在在7070至至8080年代為了加速施工和便于冬季施工，常采用年代為了加速施工和便于冬季施工，常采用N

5、aNO2 NaNO2 和和Na2SO4Na2SO4為防凍劑和早強劑，前者摻量可達為防凍劑和早強劑，前者摻量可達5%5%，后者可達，后者可達3%(3%(以水泥質(zhì)量以水泥質(zhì)量計計) )。因此當采用高堿水泥時，混凝土中堿含量可達。因此當采用高堿水泥時，混凝土中堿含量可達151520kg/m320kg/m3，這遠，這遠遠高于遠高于3kg/m33kg/m3安全堿含量的限值?？陀^上為安全堿含量的限值?？陀^上為AARAAR反應創(chuàng)造了條件。反應創(chuàng)造了條件。堿集料反應的概念堿集料反應的概念 堿集料反應是指混凝土中的堿與集料中的某些活性組分發(fā)生反應并堿集料反應是指混凝土中的堿與集料中的某些活性組分發(fā)生反應并產(chǎn)生異

6、常膨脹的現(xiàn)象，簡稱為產(chǎn)生異常膨脹的現(xiàn)象，簡稱為AAR。 堿集料反應分為堿硅酸反應堿集料反應分為堿硅酸反應ASR和堿碳酸鹽反應和堿碳酸鹽反應ACR兩類。兩類。集料堿活性集料堿活性 集料分為活性和非活性兩類。當集料中含有硅質(zhì)組分或白云集料分為活性和非活性兩類。當集料中含有硅質(zhì)組分或白云石時，混凝土中的堿都將與其發(fā)生化學反應，如果化學反應進石時，混凝土中的堿都將與其發(fā)生化學反應，如果化學反應進行得非常緩慢，混凝土不會因此產(chǎn)生異常膨脹，如反應快速進行得非常緩慢，混凝土不會因此產(chǎn)生異常膨脹，如反應快速進行，混凝土在短期內(nèi)就有膨脹破壞的可能。行，混凝土在短期內(nèi)就有膨脹破壞的可能。硅質(zhì)集料硅質(zhì)集料 硅質(zhì)集料

7、是指含有一定量硅質(zhì)集料是指含有一定量SiO2礦物的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)礦物的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，巖， SiO2可以多種形式存在，蛋白石、玉髓、微晶質(zhì)石英、隱可以多種形式存在，蛋白石、玉髓、微晶質(zhì)石英、隱晶質(zhì)石英、次生石英、應變石英、中酸性火山玻璃體、中酸性人晶質(zhì)石英、次生石英、應變石英、中酸性火山玻璃體、中酸性人工玻璃體、鱗石英和方石英；對于工玻璃體、鱗石英和方石英；對于ASR：集料的堿活性分為高活：集料的堿活性分為高活性、一般活性和低活性。蛋白石集料屬于高活性集料。性、一般活性和低活性。蛋白石集料屬于高活性集料。 集料中硅質(zhì)組分與堿發(fā)生集料中硅質(zhì)組分與堿發(fā)生ASR。ASR破壞機理破壞機理

8、 堿與活性堿與活性SiO2反應，生成堿硅凝膠，凝膠吸水腫脹反應，生成堿硅凝膠，凝膠吸水腫脹導致混凝土膨脹或開裂。導致混凝土膨脹或開裂。Alkali Silica ReactionASR） 碳酸鹽集料是以方解石、白云石或碳酸鎂等碳酸鹽組分為主碳酸鹽集料是以方解石、白云石或碳酸鎂等碳酸鹽組分為主的巖石，主要為沉積巖。集料中這些組分與堿發(fā)生的巖石，主要為沉積巖。集料中這些組分與堿發(fā)生ACR。 巖石中有時也含有一些二氧化硅礦物，如微晶質(zhì)石英、隱晶巖石中有時也含有一些二氧化硅礦物，如微晶質(zhì)石英、隱晶質(zhì)石英等，此時巖石可稱為硅質(zhì)碳酸鹽集料。則質(zhì)石英等，此時巖石可稱為硅質(zhì)碳酸鹽集料。則ACR與與ASR會同會

9、同時發(fā)生。對于時發(fā)生。對于ACR：集料的活性可分為一般活性和低活性。：集料的活性可分為一般活性和低活性。碳酸鹽集料碳酸鹽集料232323)()(COOHMgCaCOOHCOCaMgACR破壞機理 堿與集料中的微晶白云石反應生成水鎂石和方解石，堿與集料中的微晶白云石反應生成水鎂石和方解石，在白云石表面和周圍水泥石之間的受限空間內(nèi)結(jié)晶生長，在白云石表面和周圍水泥石之間的受限空間內(nèi)結(jié)晶生長，使集料膨脹，進而使混凝土膨脹開裂。使集料膨脹，進而使混凝土膨脹開裂。Alkali Carbonate ReactionASR）1、AAR定義及分類；2、集料堿活性的檢驗方法；3、AAR反應條件與判別；4、堿集料反

10、應預防措施。 集料活性的檢測方法集料活性的檢測方法 巖相法、化學法、砂漿棒法和混凝土柱法，其中砂漿棒巖相法、化學法、砂漿棒法和混凝土柱法，其中砂漿棒法和混凝土柱法根據(jù)所需時間的長短又分為快速試驗方法和法和混凝土柱法根據(jù)所需時間的長短又分為快速試驗方法和常規(guī)實驗方法。巖相法結(jié)合常規(guī)實驗方法。巖相法結(jié)合XRD分析是建議采用的首選分析是建議采用的首選方法。對于方法。對于ASR，通常采用砂漿棒法快速法進行檢測；，通常采用砂漿棒法快速法進行檢測；對于對于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。砂漿棒法砂漿棒法 將集料破碎至一定的尺寸與高堿水泥拌和制成砂漿試件，在將集料破碎至一定的尺

11、寸與高堿水泥拌和制成砂漿試件，在37.8和和100%相對濕度條件下，測定砂漿棒的經(jīng)時膨脹。認為相對濕度條件下，測定砂漿棒的經(jīng)時膨脹。認為3個月內(nèi)膨脹率大于等于個月內(nèi)膨脹率大于等于0.05%的具有潛在的有害活性，的具有潛在的有害活性，6個月內(nèi)膨個月內(nèi)膨脹率大于等于脹率大于等于0.1%的是有害集料。的是有害集料。（1混凝土的原材料水泥、摻合料、外加劑或水中含堿量高如果集料為混凝土的原材料水泥、摻合料、外加劑或水中含堿量高如果集料為一般活性，堿含量大于一般活性，堿含量大于3kg/m3；當集料具有高的；當集料具有高的ASR反應活性時，堿反應活性時，堿含量大于含量大于2.1kg/m3 ；當集料具有一般的

12、；當集料具有一般的ACR反應活性時，堿含量大反應活性時，堿含量大于于1.0kg/m3 ）；）；（2集料中有相當數(shù)量的活性成分集料中有相當數(shù)量的活性成分ASR或或/和和ACR）；）；（3潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣的供應內(nèi)部濕度低于潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣的供應內(nèi)部濕度低于80%時，時，AAR會停止；內(nèi)部濕度低于會停止；內(nèi)部濕度低于75%時，時，AAR無法進行）。無法進行）。堿集料反應的條件 混凝土中混凝土中AAR的過程緩慢，決定了問題的復雜性，它的特征出的過程緩慢，決定了問題的復雜性，它的特征出現(xiàn)一般經(jīng)過幾個月，在很多情況下，結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾年使用才能發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)一般經(jīng)過幾個月，在很多情況下，結(jié)

13、構(gòu)經(jīng)過幾年使用才能發(fā)現(xiàn)，并且這種腐蝕的表面特征的發(fā)展與其它過程濕和凍融、硫酸鹽侵并且這種腐蝕的表面特征的發(fā)展與其它過程濕和凍融、硫酸鹽侵蝕等引起混凝土的損傷相似。蝕等引起混凝土的損傷相似。AAR的特征及判別方法鋼筋銹蝕2）鋼筋銹蝕，承載截面變小。鋼筋銹蝕1）混凝土表面剝落。凍融破壞1）凍融破壞2）混凝土表面出現(xiàn)缺邊、掉角、開裂的現(xiàn)象?；炷帘砻纨斄熏F(xiàn)象。硫酸鹽侵蝕硫酸鹽侵蝕混凝土表面有白色的析晶混凝土表面有白色的析晶 盡管盡管AAR的過程比較復雜，但現(xiàn)在已經(jīng)掌握了這一反應的特征和判的過程比較復雜，但現(xiàn)在已經(jīng)掌握了這一反應的特征和判別方法。別方法。AAR的明顯跡象是：混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫或

14、特有的的明顯跡象是：混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫或特有的龜裂和縱向裂縫，以及淤積于混凝土裂縫和空隙中的玻璃狀或白色凝龜裂和縱向裂縫，以及淤積于混凝土裂縫和空隙中的玻璃狀或白色凝膠鹽析?；炷凉栀|(zhì)集料的邊緣出現(xiàn)白色反應環(huán)，是膠鹽析?；炷凉栀|(zhì)集料的邊緣出現(xiàn)白色反應環(huán)，是AAR的典型特性的典型特性之一。之一。AAR的綜合判定方法（1 1肉眼或用立體顯微鏡觀察肉眼或用立體顯微鏡觀察, , 再用偏反光顯微鏡觀察光薄片再用偏反光顯微鏡觀察光薄片. . 一般一般AAR AAR 造成的破壞常會損傷集料顆粒，裂縫多從集料延伸至漿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，

15、或邊緣被撕裂。因冰凍、體。有時還能明顯觀察到集料顆粒裂開，或邊緣被撕裂。因冰凍、鹽腐蝕、鋼筋銹蝕、化學腐蝕、碳化、機械荷載等不會使集料顆鹽腐蝕、鋼筋銹蝕、化學腐蝕、碳化、機械荷載等不會使集料顆粒受到損傷粒受到損傷.這是區(qū)分這是區(qū)分AARAAR與其他破壞因素。與其他破壞因素。（2 2） 依靠電子顯微鏡加上能譜分析可以測得堿硅酸鹽凝膠的化依靠電子顯微鏡加上能譜分析可以測得堿硅酸鹽凝膠的化學成分。這是發(fā)生學成分。這是發(fā)生AAR AAR 的直接證明。破壞的工程芯樣中集料含有的直接證明。破壞的工程芯樣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）, ,反應后經(jīng)能譜鑒定確證堿硅酸鹽凝膠反應后經(jīng)能譜

16、鑒定確證堿硅酸鹽凝膠的存在。的存在。集料中玉髓集料中玉髓(c) 集料能譜集料能譜Si ; (d) 堿硅酸凝膠堿硅酸凝膠預防措施 混凝土一旦遭受混凝土一旦遭受AAR破壞就很難修補，也難以阻止破壞破壞就很難修補，也難以阻止破壞的進一步發(fā)展，避免的進一步發(fā)展，避免AAR反應造成重大危害的唯一可行的辦反應造成重大危害的唯一可行的辦法就是采取措施進行預防。對于法就是采取措施進行預防。對于ASR有一些應對方法，但對有一些應對方法，但對于于ACR的破壞一直是一個國際上沒有解決的問題。的破壞一直是一個國際上沒有解決的問題。混凝土及其組成材料的堿以等當量混凝土及其組成材料的堿以等當量Na2ONa2O+K2O計算

17、：計算：主要來自于：主要來自于：（1水泥：水泥： 因水泥用量大，水泥中的堿是混凝土堿的主要來源，其中的因水泥用量大，水泥中的堿是混凝土堿的主要來源，其中的K+、Na+主要以可溶性的鹽存在，水泥水化后，這些離子釋放出來，使混凝土的孔主要以可溶性的鹽存在，水泥水化后，這些離子釋放出來，使混凝土的孔溶液呈堿性。硅酸鹽水泥中的堿以其酸溶堿的溶液呈堿性。硅酸鹽水泥中的堿以其酸溶堿的100%計入混凝土的堿含量。計入混凝土的堿含量。（2外加劑：由其帶入的堿按堿含量的外加劑：由其帶入的堿按堿含量的100%計算。計算。措施之一：控制混凝土的堿含量措施之一：控制混凝土的堿含量（3摻合料（4集料和拌和水中的堿：全部計入。（5環(huán)境中的堿：全部計入。 根據(jù)集料的活性類別和等級，環(huán)境條件和工程結(jié)構(gòu)的重要性分根據(jù)集料的活性類別和等級，環(huán)境條件和工程結(jié)構(gòu)的重要性分別采取措施，例如對于一般活性別采取措施，例如對于一般活性ASR的集料：的集料： 對于一般對于一般ASR活性的集料，堿含量小于活性的集料，堿含量小于3.5%的粉煤灰的摻量在的粉煤灰的摻量在30%以上時或堿含量小于以上時或堿含量小于1.0%的礦渣在大于的礦渣在大于50%時能有效抑制時能有效抑制ASR。但對于但對于ACR活性集料，粉煤灰、礦渣和硅灰難以防止其活性集料，粉煤灰、礦渣和硅灰難以防止其ACR破壞。破壞。 對于ACR反應活性集料，具有一