混凝土堿骨料反應(yīng)課件

1、混凝土堿骨料反應(yīng)1940年,Stanton發(fā)現(xiàn)California, Bradley的公路AAR破壞 堿骨料反應(yīng)( ，)：混凝土中的堿(、)與具有堿活性的骨料發(fā)生的一種膨脹性化學(xué)反應(yīng)，混凝土的“癌癥”。國內(nèi)外概況自之后，美國其它州也相繼發(fā)現(xiàn)破壞，目前美國有半數(shù)以上州發(fā)生了破壞；加拿大1953年發(fā)現(xiàn)首例破壞事例，目前幾乎遍及各省地區(qū)；英國自1975 年發(fā)現(xiàn)首例 破壞事例，近期調(diào)查表明在6000 座鋼筋混凝土橋梁中,有165 座已確信受 的破壞,有303 座被懷疑為 所破壞；丹麥早在50年代調(diào)查全國431 座混凝土建筑物,其中3/4 的建筑物遭受了不同程度的 破壞;法國北部調(diào)查了1970 年后建成

2、的860 座橋,受 破壞者為123 座,占14 %；中國在1990年后相繼發(fā)現(xiàn)了立交橋、機(jī)場(chǎng)、大型預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁和軌枕、工業(yè)及民用建筑因 而破壞。 已成為混凝土工程的全球性災(zāi)害問題。 指無定形二氧化硅、隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)和玻璃質(zhì)二氧化硅。如:蛋白石、玉髓、隧石、受應(yīng)力變型的石英。一、堿一骨料反應(yīng)機(jī)理1、堿硅酸反應(yīng) 定義：骨料中的活性二氧化硅與堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性堿硅膠，導(dǎo)致混凝土膨脹性開裂。指孔溶液中的、，來自水泥、外加劑、環(huán)境等。 取決于骨料中2的結(jié)晶程度和混凝土中堿含量蛋白石玉髓反應(yīng)機(jī)理： 膨脹機(jī)理： 吸水后的堿硅酸凝膠體體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)前固體體積，最大時(shí)體積可增長3倍以上，大量凝膠

3、體在混凝土骨料界面區(qū)的積聚、膨脹，導(dǎo)致混凝土沿著界面產(chǎn)生不均勻膨脹、開裂。2、堿碳酸鹽反應(yīng)定義：某些骨料中的碳酸鹽礦物與堿發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)引起混凝土的地圖狀開裂。指白云石與石灰石含量大致相等，粘土的質(zhì)量含量約為5%一20%，白云石顆粒粒徑約在50m以下且被微晶方解石和黏土包圍。 指孔溶液中的、，來自水泥、外加劑、環(huán)境等。 反應(yīng)機(jī)理：堿與白云石發(fā)生反應(yīng), 去白云化()。(3)2 + 2 ()2 + 3 + R23R23()2=23去白云石化反應(yīng)是一個(gè)固相體積減小過程，膨脹破壞如何產(chǎn)生? 膨脹機(jī)理：認(rèn)為：白云石晶體中包裹有干燥的黏土，去白云石化反應(yīng)使菱形白云石晶體遭受破壞，使黏土暴露出來，黏土吸水膨

4、脹，從而造成破壞作用。唐明述院士認(rèn)為：活性碳酸鹽巖石的顯微結(jié)構(gòu)特征是：微晶方解石和網(wǎng)絡(luò)狀分布的粘土構(gòu)成了這種巖心的基質(zhì)，菱形白云石晶體彼此孤立地分布于其中。一方面，+、和水等進(jìn)入受限制的緊密空間產(chǎn)生膨脹，這些離子之所以會(huì)擠入受限空間發(fā)生反應(yīng)，主要是由于去白云化反應(yīng)為自由能降低的過程， - 12.18 。 另一方面，去白云石化反應(yīng)生成的水鎂石和方解石晶體顆粒細(xì)小，這些顆粒間存在大量孔隙，使固相反應(yīng)產(chǎn)物的框架體積大于反應(yīng)物白云石的體積，在限制條件下，固相反應(yīng)產(chǎn)物的框架體積的增大以及水鎂石和方解石晶體生長形成的結(jié)晶壓，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。3、堿硅酸鹽反應(yīng) 定義：堿與某些層狀硅酸鹽骨料反應(yīng)，使層狀硅酸鹽層間

5、距離增大，骨料發(fā)生膨脹，造成混凝土膨脹、開裂。 蛇紋石、伊里石、綠泥石、滑心、白云母、黑云母、鐵鋰云母、高嶺石、微晶高嶺石等層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物； 很多人反對(duì)將這種堿骨料反應(yīng)劃分為新的一類； 唐明述院士研究表明：這些層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物自身不具有堿活性，產(chǎn)生膨脹反應(yīng)的是其中含有微晶石英或玉髓。堿硅酸鹽反應(yīng)的實(shí)質(zhì)仍屬堿-硅酸反應(yīng)。二、堿一骨料反應(yīng)發(fā)生條件與影響因素1、發(fā)生條件混凝土中含有充足的堿(2O與K2O)；骨料中含有堿活性礦物；潮濕環(huán)境。 (1) 混凝土中堿含量：當(dāng)量2O(20.66K2O) 來自水泥、外加劑、摻合料、骨料、拌合水等組分及周圍環(huán)境。低堿水泥：鈉、鉀含量小于0.6%的水泥稱為低

6、堿水泥。 發(fā)生堿骨料反應(yīng)的堿含量范圍： 高活性的硅質(zhì)骨料(如蛋白石)，大于2.13; 中等活性的硅質(zhì)骨料，大于3.03; 堿碳酸鹽反應(yīng)活性骨料，大于1.03。 我國標(biāo)準(zhǔn)53:93混凝土堿含量限制標(biāo)準(zhǔn)中，提出了防止堿硅酸反應(yīng)的堿含量限值。(2) 堿活性骨料含活性二氧化硅的巖石分布很廣，堿碳酸鹽反應(yīng)活性的只有黏土質(zhì)白云石質(zhì)石灰石。充分掌握骨科堿活性的情況，建立堿活性骨料分布圖。火成巖花崗巖應(yīng)變石英含量30花崗閃長巖紫蘇花崗巖浮石酸至中性富二氧化硅的火山玻璃體、鱗石英流紋石安山石英安巖粗面巖珍珠巖黑耀巖火山凝灰?guī)r低硅玄武巖玉髓、蛋白石變質(zhì)巖片巖應(yīng)變石英含量30片麻巖石英巖應(yīng)變石英含量30 ，隧石含量

7、5角頁巖頁硅酸鹽、變石英干枚巖泥板巖沉積巖砂巖應(yīng)變石英、隧石含量5硬砂巖頁硅酸巖、應(yīng)變石英隧石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土蛋白石、微晶石英碳酸巖泥質(zhì)白云石、頁硅酸巖各國已發(fā)現(xiàn)堿活性礦物 (3) 潮濕環(huán)境只有在空氣相對(duì)濕度大于80%，或直接接觸水的環(huán)境中，破壞才會(huì)發(fā)生；有效隔絕水的來源是防治破壞的一個(gè)有效措施。2、影響因素(1) 混凝土中堿含量：堿含量越高，堿骨料反應(yīng)膨脹開裂越嚴(yán)重；硅質(zhì)集料的活性越高，其“安全總堿含量”越低；的安全總堿量遠(yuǎn)低于，更難預(yù)防。(2) 活性骨料含量：每種活性骨料都存在一個(gè)最不利摻量范圍，這與混凝土中活性2/堿含量有關(guān) 原始SiO2/Na2O與溶膠中SiO2/Na2O當(dāng)

8、22O的摩爾比為4.75時(shí)，溶膠中22O的摩爾比達(dá)到最大值4.5，此時(shí)溶膠中的2含量最高、膠粒尺寸小，具有最強(qiáng)的吸水膨脹性，破壞能力最強(qiáng)。 (3) 礦物摻合料：可有效抑制堿骨料反應(yīng)對(duì)混凝土的破壞。摻硅灰摻粉煤灰火山灰作用降低水泥石中的大量()2；生成大量低比水化產(chǎn)物，對(duì)堿的物理稀釋和吸附；物理填充和火山灰反應(yīng)使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密。 (4) 環(huán)境溫度與濕度：高溫、高濕環(huán)境對(duì)堿骨料反應(yīng)有明顯加速作用。不同溫度下砂漿棒膨脹隨時(shí)間的增長情況砂漿先干燥蒸發(fā)一定水后再濕熱養(yǎng)護(hù)膨脹率混凝土堿骨料反應(yīng)主要影響因素混凝土堿含量，增加堿活性骨料，最不利含量范圍礦物摻合料，增加摻量環(huán)境條件，高溫、高濕摻減水劑、引氣

9、劑三、堿一骨料反應(yīng)破壞特征 1) 時(shí)間特征:510年內(nèi)發(fā)生破壞, 比其它耐久性破壞的速度快。工程名稱建設(shè)時(shí)間發(fā)現(xiàn)明顯堿骨料破壞破壞年限英國西南部普利茅斯城，老沼澤磨坊橋1969-1970年70年代未，明顯裂縫10年左右加拿大康沃爾城，某公路1979年1986年，整個(gè)路面呈蛛網(wǎng)狀開裂7年加拿大，博赫爾洛依斯水電站1928 年開始1940 年，發(fā)現(xiàn)電站壩體因裂縫而滲漏12年英國普利茅斯，停車場(chǎng)1970 年1980 年，決定修補(bǔ)10年香港，某水處理廠1980-1982年1991年，明顯開裂9-12年香港， 公立學(xué)校1987年1999年，明顯開裂12年香港某水處理廠香港某水處理廠2) 膨脹特征:膨脹開

10、裂發(fā)生在整個(gè)結(jié)構(gòu)物中，使結(jié)構(gòu)物發(fā)生整體位移或變形，如膨脹錯(cuò)位、彎曲、扭翹等。3)開裂特征:內(nèi)部骨料周圍膨脹受壓，表面混凝土受拉開裂。對(duì)于不受約束和荷載或約束和荷載較小的部位，般形成網(wǎng)狀裂縫（表面保護(hù)層呈地圖狀裂縫）。對(duì)于鋼筋限制力較大的區(qū)域，裂縫常常平行于鋼筋方向；在外部壓應(yīng)力作用下，裂縫也會(huì)平行于壓應(yīng)力方向。堿-骨料反應(yīng)在開裂的同時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)局部膨脹，使裂縫兩側(cè)的混凝土出現(xiàn)高低錯(cuò)位和不平整?；炷帘砻婢W(wǎng)狀裂縫4)凝膠析出特征:發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的混凝土表面經(jīng)?？梢钥吹接型该骰虻S色凝膠析出；堿碳酸鹽反應(yīng)中未生成凝膠，混凝土表面無凝膠析出。5)內(nèi)部特征: 在骨料間產(chǎn)生網(wǎng)狀的內(nèi)部裂縫，在鋼筋等約束或

11、外壓應(yīng)力作用下，裂縫會(huì)平行于壓應(yīng)力方向成列分布，與外部裂縫相連；某些骨料周圍形成一些深色的反應(yīng)環(huán)；混凝土內(nèi)部空隙、裂縫、骨料漿體界面發(fā)現(xiàn)凝膠。 6)潮濕特征:越潮濕的部位反應(yīng)越強(qiáng)烈，膨脹和開裂破壞越明顯；對(duì)于堿硅酸反應(yīng)引起的破壞，越潮濕的部位其凝膠析出等特征也越明顯。混凝土工程堿骨料破壞特征時(shí)間范圍：510年體積變形：整體膨脹表面裂縫：網(wǎng)狀開裂表面析出物：透明或淡黃色凝膠內(nèi)部特征：沿界面開裂，骨料周圍反應(yīng)環(huán)外界條件：潮濕環(huán)境四、堿骨料反應(yīng)檢測(cè)方法骨料的堿活性檢測(cè)是防止新建混凝土破壞的重要手段。檢測(cè)方法美國歐洲英國加拿大中國巖相法C2951 812： 104水工砼試驗(yàn)規(guī)程(105 -82) 化學(xué)

12、法C289砂漿棒法C227 快速砂漿棒法C12602 249:1999A23.2-25A混凝土棱柱體法 2933 812： 123A23 .214A蒸壓法4(混凝土)4893 (砂漿)1) 巖相法( C295)： 基于光性礦物學(xué)理論，把骨料磨制成薄片，在偏光顯微鏡下鑒定巖相種類、礦物組成及其含量，礦物結(jié)晶程度和結(jié)構(gòu)等來判斷骨料是否為活性；還可借助于掃描電鏡，衍射分析、差熱分析、紅外光譜分析等手段 。 主要特點(diǎn)：操作簡單，試驗(yàn)速度快；適用范圍廣，可直接觀察到集料中的活性組分；得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系；需要有相當(dāng)熟練的技術(shù)。 應(yīng)用方面：作為集料堿活性鑒定的首選方法，其鑒定結(jié)果對(duì)進(jìn)一步選

13、擇合適的檢測(cè)方法具有重要指導(dǎo)作用高堿波特蘭水泥：堿含量大于0.8%，或外加1.79 溶液調(diào)整；骨料：級(jí)配滿足下表要求；灰砂比：質(zhì)量比l:2.25；砂漿流動(dòng)度：105 120 ：試體尺寸：25 25 285。2) 砂漿棒法 ( C227)： 直接測(cè)量砂漿長度以反映集料與堿作用所產(chǎn)生的膨脹率大小，是檢測(cè)骨料堿活性的經(jīng)典方法。篩孔尺寸質(zhì)量百分比(%)篩孔尺寸質(zhì)量百分比(%)52.5100.630.315252.51.25250.3150.16151.250.63251d1m2m3m6m9m12mDemould (L0)L1L2L3LLLCure at (382) and RH95% Initial

14、1 m 2m 3m 6m 9m 12m 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)： 3個(gè)月膨脹率小于0 .05%或6個(gè)月小于0 .1%，非活性集料。 主要特點(diǎn)：提出時(shí)間較早、技術(shù)成熟，可直接觀測(cè)到膨脹值大??；試驗(yàn)周期較長，時(shí)間上不能滿足很多情況下工程需要；適用于活性較高、反應(yīng)較快的骨料，對(duì)于反應(yīng)較慢的活性骨料或活性較低的骨料往往導(dǎo)致誤判（英國、日本）；檢測(cè)結(jié)果受水泥堿含量、水灰比、養(yǎng)護(hù)容器的濕度控制精度等影響較大，不適于堿碳酸活性骨料。應(yīng)用方面：遭到國際許多專家質(zhì)疑，在歐洲、加拿大等國已淘汰，國內(nèi)各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還沿用。原材料、灰砂比、試件尺寸、制作過程與C227相同；水灰比：0.47；養(yǎng)護(hù)制度： 先80恒溫水浴1天，再浸入1的溶

15、液在80恒溫條件下養(yǎng)護(hù)3) 快速砂漿棒法 ( C1260)：基于 C227發(fā)展起來的一種加速試驗(yàn)方法，又稱南非法(法)。 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：14d膨脹率小于0.1%，骨料無害；膨脹率大于0.2%，具有潛在有害堿活性；膨脹率在0.1%和0.2%之間為可疑骨料，應(yīng)用混凝土棱柱體法進(jìn)一步鑒定。主要特點(diǎn)：試驗(yàn)周期縮短，操作性強(qiáng)，測(cè)試精度高；實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與工程實(shí)際一致性好；由于高溫養(yǎng)護(hù)條件，測(cè)試結(jié)果偏大，存在錯(cuò)判危險(xiǎn)；只適用于硅質(zhì)骨料，可作為篩選集料的強(qiáng)有力工具，不可作為拒絕集料的依據(jù)。應(yīng)用方面：各國應(yīng)用最廣，首選方法之一。4) 混凝土棱柱體法( C1293)：類似于 C227方法，通過測(cè)量混凝土棱柱體試件的長度

16、變化反映骨料堿活性大小。 型波特蘭水泥：堿含量(0.90.1)%，拌和水中摻加使水泥堿含量調(diào)到1.25%；骨料要求：1) 評(píng)定粗集料時(shí)，集料級(jí)配為20 14、14 10、105的集料各占1/3，快速砂漿棒法的14d膨脹率小于0.1%的細(xì)集料； 2)評(píng)定細(xì)集料時(shí)，應(yīng)使用快速砂漿棒法的14d膨脹率小于0.1%的粗集料。配合比：水泥用量4203，粗集料:細(xì)集料=60: 40，水灰比0.420.45：試體尺寸：7575350。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：半年膨脹率超過0.03%或3月膨脹率超過0.02%，一年膨脹率超過0.04%，為活性骨料。 采用混凝土試件，更接近實(shí)際工程情況； 可同時(shí)適用于硅質(zhì)骨料和碳酸鹽骨料堿活性

17、檢驗(yàn)； 經(jīng)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室研究，表明水泥堿含量、試體尺寸等參數(shù)對(duì)結(jié)果無明顯影響； 實(shí)驗(yàn)周期較長。主要特點(diǎn)：應(yīng)用方面：值得推廣應(yīng)用，作為最終判據(jù)5)蒸壓法(48:93)：快速法，中國法硅酸鹽水泥：堿含量0.40.8%，凈漿膨脹值不大于0.02%，外加溶液調(diào)整水泥堿含量達(dá)1.5%；骨料：0.630.16，小于0.15的粉料不超過0.5%；灰砂比：分別為10:1、5:1、2:1；水灰比：0.3;試體尺寸：10 10 40。主要特點(diǎn)：快捷，試驗(yàn)周期為3d；適用于堿硅酸活性骨料；各國相繼采用類似方法。250 的10%濃度溶液成型養(yǎng)護(hù)(202)、RH95%以上，242h拆模基準(zhǔn)長度1100 下蒸汽養(yǎng)護(hù)4h150

18、2下蒸壓養(yǎng)護(hù)6h5min冷卻、沖洗室溫放置605min基準(zhǔn)長度2三個(gè)配比中最大膨脹值大于等于0.1%為活性骨料，小于時(shí)為非活性骨料。6) 小結(jié)：巖相法是其他方法的前提；快速砂漿棒法和壓蒸法是發(fā)展的主流；化學(xué)法和砂漿棒法有逐漸被淘汰的趨勢(shì)；混凝土棱柱體法通常不用，但可作為最終檢驗(yàn)依據(jù)五、堿骨料反應(yīng)預(yù)防措施控制混凝土中含堿量 ； 選擇低堿活性骨料；改善混凝土所處環(huán)境，隔絕濕氣進(jìn)入；摻混合材；摻特殊外加劑1) 控制堿含量：水泥：混凝土中堿的主要來源，嚴(yán)格控制水泥含堿量及水泥用量，水泥堿含量0.6%作為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的安全界限； 外加劑：使用低堿外加劑；摻合料：硅灰、粉煤灰堿含量低于礦渣粉； 集料和拌合水：堿性物質(zhì)對(duì)的貢獻(xiàn)小，可不考慮。2) 骨料的選擇： 混凝土含堿量低于33，可以不做骨料活性檢驗(yàn); 混凝土總堿量高于33，經(jīng)檢測(cè)為活性骨料者不能使用，或需保證與非活性骨料混合使用對(duì)工程無損害。3) 礦物摻合料：硅灰: 摻5-10時(shí)可有效抑制堿骨科反應(yīng)，當(dāng)摻量達(dá)到15-20%時(shí)，抑制混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹的效果非常理想。粉煤灰: 摻量達(dá)30時(shí)，可有效地抑制堿骨料反應(yīng)。礦渣: 摻量大于50才能有效地抑制堿骨料反應(yīng)。沸石粉、火山灰等。4）提高混凝土抗?jié)B透能力，改善混凝土所處外部環(huán)境，隔絕水和濕空氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部也是抑制堿集料反應(yīng)重要手段。5）化學(xué)外加劑：鋰鹽