橋梁工程預(yù)防措施之混凝土堿骨料反應(yīng)

主講人：陳海華橋梁工程預(yù)防措施之混凝土堿骨料反應(yīng)1.1混凝土堿骨料反應(yīng)簡介

堿骨料反應(yīng)開始是在30年代美國西部地區(qū)的堤壩、公路、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生異常膨脹，產(chǎn)生裂縫而發(fā)現(xiàn)的。進入70年代后，不斷從歐洲、南非等地傳來堿骨料反應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)損傷報告，堿骨料反應(yīng)作為個世界性的普遍問題被提了出來。由于堿骨料反應(yīng)一般是在混凝土成型后的若干年后逐漸發(fā)生,其結(jié)果造成混凝土耐久性下降,嚴(yán)重時還會使混凝土喪失使用價值,且由于反應(yīng)是發(fā)生在整個混凝土中,因此,這種反應(yīng)造成的破壞既難以預(yù)防,又難于阻止,更不易修補和挽救,故被稱為混凝土的“癌癥”。1.2混凝土堿骨料反應(yīng)概念

堿骨料反應(yīng)（AlkaliAggregateReaction簡寫作AAR）是指混凝土中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開裂的現(xiàn)象。1.3混凝土堿骨料反應(yīng)危害

堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土破壞特征均表現(xiàn)為混凝土膨脹開裂,大量微裂縫的產(chǎn)生不僅降低混凝土的力學(xué)性能,更重要的是加速了水、腐蝕離子滲入混凝土內(nèi)部,從而誘發(fā)堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、凍融破壞協(xié)同效應(yīng),嚴(yán)重影響了混凝土工程耐久性能。再有堿骨料反應(yīng)是在混凝土堿活性骨料周圍緩慢、長期發(fā)生的,不僅無法阻止其破壞繼續(xù)發(fā)展,且破壞后不宜修復(fù),因此被稱為混凝土的“癌癥”。1.3.1破壞特征（1）時間性受堿骨料反應(yīng)影響的混凝土需要幾年或更長時間才會出現(xiàn)開裂破壞。（2）表面開裂如果混凝土沒有施加預(yù)應(yīng)力，裂縫呈網(wǎng)狀，每條裂縫長約數(shù)厘米。在預(yù)應(yīng)力作用區(qū)域裂縫將主要沿預(yù)應(yīng)力方向發(fā)展，形成平行于鋼筋的裂縫。（3）膨脹（4）滲出凝膠Si-ONa（5）內(nèi)部凝膠堿骨料反應(yīng)后的膨脹是由反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠吸水引起的，因此凝膠的存在是發(fā)生了堿-硅酸反應(yīng)最直接的證明。（6）反應(yīng)環(huán)有些骨料在與堿發(fā)生反應(yīng)以后，會在骨料周圍形成一個深色的薄圈，稱為反應(yīng)環(huán)。（7）內(nèi)部裂紋當(dāng)堿骨料反應(yīng)引起超量膨脹時，會在混凝土中心形成內(nèi)部裂紋，裂紋常常充滿凝膠?；炷帘┞睹嫦拗屏藘?nèi)部混凝土的膨脹，因此導(dǎo)致了面層的拉應(yīng)力。如果反應(yīng)程度足夠大，在此情況下就會產(chǎn)生大的裂紋。1.4堿骨料反應(yīng)發(fā)生條件及分類和機理（1）堿骨料反應(yīng)發(fā)生條件發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具有三個條件①混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高。②骨料中有相當(dāng)數(shù)量的活性成分；③潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。（2）堿骨料反應(yīng)的分類和機理按照活性材料及其產(chǎn)生破壞時的反應(yīng)機理不同，一般將堿－集料反應(yīng)分為三種：①堿－硅酸反應(yīng)（Alkali-SilicaReaction）,即最早的AAR或經(jīng)典的堿骨料反應(yīng)。具體是指混凝土中的堿與骨料中微晶或無定型硅酸發(fā)生反應(yīng)，生成堿硅酸類2NaOH+SiO2+nH2O→Na2O·SiO2·(n+1)H2O堿硅酸類會在混凝土表面形成凝膠（如圖），干燥后為白色的沉淀物，具有強烈吸水膨脹的特性，此類反應(yīng)一般發(fā)生在骨料與水泥石界面處，致使混凝土產(chǎn)生不均勻膨脹引起開裂。②堿－硅酸鹽反應(yīng)（Alkali-SilicateReaction，ASR）,活性骨料是結(jié)晶良好的硅酸鹽巖石。堿－硅酸鹽反應(yīng)是指混凝土中的堿與骨料中的某些層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，使層狀硅酸鹽層間距增大，集料發(fā)生膨脹致使混凝土開裂。③堿－碳酸鹽反應(yīng)（Alkali-CarbonateReaction，ACR）,其活性骨料是指某些碳酸鹽巖石。堿－碳酸鹽反應(yīng)是指混凝土中的堿與具有特定結(jié)構(gòu)的黏土質(zhì)細粒白云質(zhì)石灰?guī)r或黏土質(zhì)細粒白云巖集料發(fā)生下列反應(yīng)，進行的所謂去（脫）白云化作用CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3這種反應(yīng)持續(xù)進行，直至白云石被完全作用或堿濃度降到足夠低為止，其特點是反應(yīng)較快，而且反應(yīng)少見凝膠產(chǎn)物，多呈龜裂或開裂。1.5堿-骨料反應(yīng)的檢測與評價方法堿骨料反應(yīng)具有很長的潛伏期，盡早確定含巖石骨料是否具有堿活性具有非常重要的意義。大體上分為三類：一是通過巖相鑒定檢驗骨料中是否有活性組分的巖相法；二是以骨料與堿作用后所產(chǎn)生的膨脹率大小作為判斷的依據(jù)；三是依骨料在堿液中的反應(yīng)程度作為判據(jù)的化學(xué)法。下面介紹通用的堿骨料反應(yīng)實驗方法。（1）巖相法該方法借助光學(xué)顯微鏡，X射線衍射分析等巖相分析方法，鑒定骨料的巖石種類，礦物組成及各組分含量，并以此判斷骨料的堿活性。該方法的優(yōu)點是速度快，可直接觀察到骨料中的活性組分。巖相鑒定法對其后選擇合適的檢測方法有重要的指導(dǎo)作用，一直作為骨料堿活性的鑒定首選。缺點是得不到活性成分含量與膨脹率的定量關(guān)系，并且此法需要相當(dāng)熟練地技術(shù)。（2）混凝土土棱柱體法試件尺寸為75mm*75mm*（（275-405mm）），試件成型型后用塑料膜膜覆蓋，放于于23度，100%相對對濕度條件下下預(yù)養(yǎng)護24h，脫模測測其初長。然然后38度，，100%相相對濕度下養(yǎng)養(yǎng)護，測定1,2,4,8,13,26,39,52周各各齡期的膨脹脹率。若半年年超過0.03%或三個個月膨脹率超超過0.02%，1年膨膨脹率超過0.04%，，則骨料為活活性骨料。該法既能用于于硅質(zhì)骨料，，又可鑒定碳碳酸鹽骨料。。另外，由于于它可以使用用粗骨料，因因而更接近混混凝土實際。。但膨脹結(jié)果果受水泥細度度，水灰比和和養(yǎng)護條件（（溫度，濕度度）及配合比比影響。(3)砂漿棒棒法取試件尺寸為為25mm*25mm*385mm。成型后1d脫模，測測其初始長度度，然后在38度，100%相對濕濕度下養(yǎng)護，，并測定不同同齡期試件長長度變化。若若3個月膨脹脹率小于0.05%，6個月小于0.1%，則則為非活性骨骨料。該方法法僅適用于一一些高活性的的快膨脹的巖巖石和礦物，，對慢膨脹的的骨料則不能能快速的提出出鑒定成果。。（4）快速砂砂漿棒法由于砂漿棒法法周期長，時時間上不能滿滿足大多數(shù)工工程需要，而而且存在漏判判例子，尤其其是不能鑒定定出許多慢膨膨脹骨料的活活性，所以提提出該法。試件原材料及及制備程序和和（3）法一一樣，只是采采用了不同的的養(yǎng)護制度。。用試件浸泡泡在80度的的1mol/l的NaOH溶液中，，測其12d的膨脹值作作為評定骨料料潛在活性的的依據(jù)。規(guī)定定依據(jù)：膨脹脹率小于0.1%為非活活性，膨脹率率大于0.2%為活性。。該法過于嚴(yán)嚴(yán)格，某些被被證明是無害害的骨料可能能被判為有害害。1.6堿-骨骨料反應(yīng)的主主要因素（1）水泥的的含堿量堿骨料反應(yīng)引引起的膨脹值值與水泥中的的Na2O的含量緊密密相關(guān)；混凝凝土總堿含量量規(guī)定不大于于3.0Kg/m3,另外規(guī)定水泥泥中堿含量小小于0.6%。（2)混凝土土的水灰比在通常的水灰灰比范圍內(nèi)，，隨著水灰比比減小，堿骨骨料反應(yīng)得膨膨脹值有增大大的趨勢，在在水灰比為0.4時膨脹脹量最大。（3）反應(yīng)骨骨料的特性其中包括骨料料的礦物成分分，粒度和集集量有關(guān)。隨著反應(yīng)性骨骨料含量的增增加，混凝土土的反應(yīng)膨脹脹量加大；粒粒度過大過小小都能使反應(yīng)應(yīng)膨脹量減小小，中間粒度度（0.15~0.6mm）的骨料料引起的反應(yīng)應(yīng)膨脹量最大大，因為此時時反應(yīng)性骨料料的總表面積積最大；反應(yīng)應(yīng)性骨料孔隙隙率對其反應(yīng)應(yīng)膨脹量也有有影響。（4）混凝土土的孔隙率混凝土的空隙隙也能減緩堿堿骨料反應(yīng)時時膠體吸水產(chǎn)產(chǎn)生的膨脹壓壓力，因而隨隨孔隙率增加加，反應(yīng)膨脹脹量減小，特特別是細孔減減緩效果最好好。因此，加加入引氣劑能能減緩堿骨料料反應(yīng)的膨脹脹。（5）環(huán)境溫溫濕度的影響響混凝土的堿骨骨料反應(yīng)離不不開水，因此此環(huán)境濕度對對其有明顯影影響。雖然說說在低濕度條條件混凝土空空隙中的堿溶溶液濃度增大大會促進堿骨骨料反應(yīng)，但但如果環(huán)境相相對濕度低于于85%，外外界不供給混混凝土水分，，就不會發(fā)生生混凝土中反反應(yīng)膠體的吸吸水膨脹，它它的最不利相相對濕度為90%-95%。。每種反應(yīng)性骨骨料都有一個個溫度限值。。在該溫度以以下，隨溫度度增高膨脹量量增大，當(dāng)超超過該溫度限限值時，反應(yīng)應(yīng)膨脹量明顯顯下降，最不不利溫度在37.8-40度之間。。四、堿骨料反反應(yīng)的預(yù)防措措施1、控制水水泥堿含量，，優(yōu)先選用堿堿含量小于0.6％的低低堿水泥。一一般情況下，，把水泥堿含含量低于0.6％氧化鈉鈉當(dāng)量（即Na2O+0.658K2O）作為為預(yù)防堿骨料料反應(yīng)的安全全界限。當(dāng)然然，低堿水泥泥本身并不能能控制堿－集集料反應(yīng)。2、確定最最小水泥用量量。在滿足工工程要求的強強度及耐久性性前提下選擇擇合適的水泥泥用量。3、控制混混凝土中總含含堿量?；炷林袎A的來來源不僅有水水泥，還包括括混合材、外外加劑、水以以及骨料等，，因此控制混混凝土中各種種原材料總堿堿量比單純控控制水泥含堿堿量更為科學(xué)學(xué)，目前已為為許多國家所所接受。如我我國建設(shè)的南南水北調(diào)中線線工程，對具具有堿活性或或疑似堿活性性的集料，規(guī)規(guī)定干燥環(huán)境境下的Ⅰ、ⅡⅡ、Ⅲ類工程程，其混凝土土中總堿量不不得大于3.0Kg/m3；潮濕濕環(huán)境下的ⅠⅠ類工程混凝凝土總堿量不不大于3.0Kg/m3，Ⅱ、ⅢⅢ類不大于2.5Kg/m3。4、避免使用用活性骨料。。如果混凝土土的含堿量低低于3.0Kg/m3，可以不做做骨料堿活性性檢驗，否則則應(yīng)對骨料進進行堿活性檢檢驗，如檢驗驗判定為堿活活性材料，則則不能使用，，或經(jīng)試驗將將其于非活性性骨料按一定定比例混合后后確定對工程程無損害的，，方可使用。。5、采用摻合合料，用天然然沸石，硅粉粉、粉煤灰、、火山灰或磨磨細礦渣微粉粉取代水泥拌拌制混凝土。。硅灰添加量量為5％～1O％時混凝凝土的膨脹量量可減少1O％～2O％％，其控制效效果根據(jù)反應(yīng)應(yīng)性骨料及硅硅灰的種類而而不同。摻用用粉煤灰或火火山灰質(zhì)材料料時，它們對對水泥的置換換率不應(yīng)小于于25％，最最大取代率宜宜控制在40％左右，因因為高摻量既既給施工造成成困難，又使使混凝土早期期強度降低