混凝土堿骨料反應PPT課件

1、1940年年,Stanton發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)California, Bradley的公路的公路AAR破壞破壞 堿骨料反應(Alkali-aggregate Reaction，AAR)：，。第1頁/共51頁第2頁/共51頁第3頁/共51頁第4頁/共51頁指指無定形二氧化硅、無定形二氧化硅、隱晶質、微晶質隱晶質、微晶質和和玻璃質二氧化硅。玻璃質二氧化硅。如如:蛋白石、玉髓蛋白石、玉髓、隧石、受應力變型隧石、受應力變型的石英。的石英。一、堿一骨料反應機理1、堿硅酸反應 定義：骨料中的與發(fā)生化學反應生成膨脹性堿硅膠，導致混凝土膨脹性開裂。指指孔溶液中的孔溶液中的Na+、K+、OH-，來自水泥、外加劑、環(huán)境等。

2、來自水泥、外加劑、環(huán)境等。 蛋白石蛋白石玉髓玉髓第5頁/共51頁l反應機理：l 膨脹機理： 吸水后的堿硅酸凝膠體體積遠遠大于反應前固體體積，最大時體積可增長3倍以上，大量凝膠體在混凝土骨料界面區(qū)的積聚、膨脹，導致混凝土沿著界面產(chǎn)生不均勻膨脹、開裂。第6頁/共51頁2、堿碳酸鹽反應l定義：與發(fā)生的化學反應引起混凝土的地圖狀開裂。指指白云石與石灰石含量大致白云石與石灰石含量大致相等，粘土的質量含量約為相等，粘土的質量含量約為5%一一20%，白云石顆粒粒徑，白云石顆粒粒徑約在約在50m以下且被微晶方解以下且被微晶方解石和黏土包圍。石和黏土包圍。 指指孔溶液中的孔溶液中的Na+、K+、OH-，來自水泥

3、、外加劑、環(huán)境等。來自水泥、外加劑、環(huán)境等。 l 反應機理：堿與白云石發(fā)生反應, 去白云化(dedolomitization)。CaMg(CO3)2 + 2ROH =Mg(OH)2 + CaCO3 + R2CO3R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3去白云石化反應是一個固相體積減小過程，膨脹破壞如何產(chǎn)生? 第7頁/共51頁l膨脹機理：認為：白云石晶體中包裹有干燥的黏土，去白云石化反應使菱形白云石晶體遭受破壞，使黏土暴露出來，認為：活性碳酸鹽巖石的顯微結構特征是：微晶方解石和網(wǎng)絡狀分布的粘土構成了這種巖心的基質，菱形白云石晶體彼此孤立地分布于其中。一方面，這些離子之所以會擠入受限空間發(fā)

4、生反應，主要是由于去白云化反應為自由能降低的過程，G= - 12.18 kJ /mol 。 另一方面，去白云石化反應生成的水鎂石和方解石晶體顆粒細小，這些顆粒間存在大量孔隙，使固相反應產(chǎn)物的框架體積大于反應物白云石的體積，在限制條件下，。第8頁/共51頁3、堿硅酸鹽反應 定義：堿與某些層狀硅酸鹽骨料反應，使層狀硅酸鹽層間距離增大，骨料發(fā)生膨脹，造成混凝土膨脹、開裂。n 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構的硅酸鹽礦物；n 很多人反對將這種堿骨料反應劃分為新的一類；n 唐明述院士研究表明：這些層狀結構硅酸鹽礦物自身不具有堿活性，產(chǎn)生膨脹反應的是其中

5、含有微晶石英或玉髓。第9頁/共51頁二、堿一骨料反應發(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(Na2O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：當量Na2O(Na2O+0.66K2O) 來自、外加劑、摻合料、骨料、拌合水等組分及周圍環(huán)境。：鈉、鉀含量小于0.6%的水泥稱為低堿水泥。 第10頁/共51頁 發(fā)生堿骨料反應的堿含量范圍：l 高活性的硅質骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3;l 中等活性的硅質骨料，大于3.0kg/m3;l 堿碳酸鹽反應活性骨料，大于1.0kg/m3。 我國標準CECS53:93混凝土堿含量限制標準中，提出了防止堿硅酸反應的堿含量

6、限值。第11頁/共51頁(2) 堿活性骨料含活性二氧化硅的巖石分布很廣，堿碳酸鹽反應活性的只有黏土質白云石質石灰石。充分掌握骨科堿活性的情況，建立堿活性骨料分布圖。火火成成巖巖花崗巖花崗巖應變石英含量應變石英含量30花崗閃長巖花崗閃長巖紫蘇花崗巖紫蘇花崗巖浮石浮石酸至中性富二氧酸至中性富二氧化硅的火山化硅的火山玻璃體、鱗玻璃體、鱗石英石英流紋石流紋石安山石安山石英安巖英安巖粗面巖粗面巖珍珠巖珍珠巖黑耀巖黑耀巖火山凝灰?guī)r火山凝灰?guī)r低硅玄武巖低硅玄武巖玉髓、蛋白石玉髓、蛋白石變變質質巖巖片巖片巖應變石英含量應變石英含量30片麻巖片麻巖石英巖石英巖應變石英含量應變石英含量30 ，隧，隧石含量石含量5

7、角頁巖角頁巖頁硅酸鹽、變石英頁硅酸鹽、變石英干枚巖干枚巖泥板巖泥板巖沉沉積積巖巖砂巖砂巖應變石英、隧石含量應變石英、隧石含量5硬砂巖硬砂巖頁硅酸巖、應變石英頁硅酸巖、應變石英隧石隧石微晶石英、玉髓、蛋白石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土硅藻土蛋白石、微晶石英蛋白石、微晶石英碳酸巖碳酸巖泥質白云石、頁硅酸巖泥質白云石、頁硅酸巖各國已發(fā)現(xiàn)堿活性礦物 第12頁/共51頁第13頁/共51頁(3) 潮濕環(huán)境只有在空氣相對濕度大于80%，或直接接觸水的環(huán)境中，AAR破壞才會發(fā)生；有效隔絕水的來源是防治AAR破壞的一個有效措施。第14頁/共51頁2、影響因素(1) 混凝土中堿含量：堿含量越高，堿骨料反應膨脹開裂

8、越嚴重；硅質集料的活性越高，其“安全總堿含量”越低；ACR的安全總堿量遠低于ASR，更難預防。第15頁/共51頁(2) 活性骨料含量：每種活性骨料都存在一個最不利摻量范圍，這與混凝土中活性SiO2/堿含量有關 原始原始SiO2/Na2O與溶膠中與溶膠中SiO2/Na2O當SiO2/Na2O的摩爾比為4.75時，溶膠中SiO2/Na2O的摩爾比達到最大值4.5，此時溶膠中的SiO2含量最高、膠粒尺寸小，具有最強的吸水膨脹性，破壞能力最強。 第16頁/共51頁(3) 礦物摻合料：可有效抑制堿骨料反應對混凝土的破壞。摻硅灰摻硅灰摻粉煤灰摻粉煤灰p火山灰作用降低水泥石中的大量Ca(OH)2；p生成大量

9、低Ca/Si比水化產(chǎn)物，對堿的物理稀釋和吸附；p物理填充和火山灰反應使水泥石結構更加致密。 第17頁/共51頁(4) 環(huán)境溫度與濕度：高溫、高濕環(huán)境對堿骨料反應有明顯加速作用。不同溫度下砂漿棒膨脹隨時間的增長情況不同溫度下砂漿棒膨脹隨時間的增長情況砂漿先干燥蒸發(fā)一定水后再濕熱養(yǎng)護膨脹率砂漿先干燥蒸發(fā)一定水后再濕熱養(yǎng)護膨脹率第18頁/共51頁混凝土堿骨料反應主要影響因素混凝土堿含量，增加混凝土堿含量，增加堿活性骨料，最不利含量范圍堿活性骨料，最不利含量范圍礦物摻合料，增加摻量礦物摻合料，增加摻量環(huán)境條件，高溫、高濕環(huán)境條件，高溫、高濕摻減水劑、引氣劑摻減水劑、引氣劑第19頁/共51頁三、堿一骨料

10、反應破壞特征 1) 時間特征:510年內發(fā)生破壞, 比。工程名稱工程名稱建設時間建設時間發(fā)現(xiàn)明顯堿骨料破壞發(fā)現(xiàn)明顯堿骨料破壞破壞年限破壞年限英國西南部普利茅斯城，英國西南部普利茅斯城，老沼澤磨坊橋老沼澤磨坊橋1969-1970年年70年代未，明顯裂縫年代未，明顯裂縫10年左右年左右加拿大康沃爾城，某公路加拿大康沃爾城，某公路1979年年1986年，整個路面呈蛛年，整個路面呈蛛網(wǎng)狀開裂網(wǎng)狀開裂7年年加拿大，博赫爾洛依斯水電站加拿大，博赫爾洛依斯水電站1928 年開始年開始1940 年，發(fā)現(xiàn)電站壩體年，發(fā)現(xiàn)電站壩體因裂縫而滲漏因裂縫而滲漏12年年英國普利茅斯，停車場英國普利茅斯，停車場1970 年

11、年1980 年，決定修補年，決定修補10年年香港，某水處理廠香港，某水處理廠1980-1982年年1991年，明顯開裂年，明顯開裂9-12年年香港，香港，North Point 公立學校公立學校1987年年1999年，明顯開裂年，明顯開裂12年年第20頁/共51頁香港某水處理廠香港某水處理廠2) 膨脹特征:膨脹開裂發(fā)生在整個結構物中，使結構物發(fā)生整體位移或變形，如膨脹錯位、彎曲、扭翹等。第21頁/共51頁3)開裂特征:p內部骨料周圍膨脹受壓，。p對于不受約束和荷載或，般形成（表面保護層呈地圖狀裂縫）。p對于的區(qū)域，裂縫常常；在下，裂縫也會。p堿-骨料反應在開裂的同時，使裂縫兩側的混凝土出現(xiàn)高低

12、錯位和不平整?；炷帘砻婢W(wǎng)狀裂縫混凝土表面網(wǎng)狀裂縫第22頁/共51頁4)凝膠析出特征:發(fā)生的混凝土表面經(jīng)常可以看到；中未生成凝膠，混凝土表面。第23頁/共51頁5)內部特征: 在骨料間產(chǎn)生網(wǎng)狀的內部裂縫，在鋼筋等約束或外壓應力作用下，裂縫會平行于壓應力方向成列分布，與外部裂縫相連；某些骨料周圍形成一些深色的反應環(huán)；混凝土內部空隙、裂縫、骨料漿體界面發(fā)現(xiàn)凝膠。 第24頁/共51頁6)潮濕特征:，膨脹和開裂破壞越明顯；對于堿硅酸反應引起的破壞，越潮濕的部位其凝膠析出等特征也越明顯。第25頁/共51頁混凝土工程堿骨料破壞特征時間范圍：時間范圍：510年年體積變形：整體膨脹體積變形：整體膨脹表面裂縫：

13、網(wǎng)狀開裂表面裂縫：網(wǎng)狀開裂表面析出物：透明或淡黃色凝膠表面析出物：透明或淡黃色凝膠內部特征：沿界面開裂，骨料周圍反應環(huán)內部特征：沿界面開裂，骨料周圍反應環(huán)外界條件：潮濕環(huán)境外界條件：潮濕環(huán)境第26頁/共51頁四、堿骨料反應檢測方法骨料的堿活性檢測是防止新建混凝土AAR破壞的重要手段。檢測方法檢測方法美國美國ASTM歐洲歐洲RILEM英國英國加拿大加拿大CSA中國中國巖相法巖相法C295AAR-1BS 812：Part 104-水工砼試驗水工砼試驗規(guī)程規(guī)程(SD105 -82) 化學法化學法C289-砂漿棒法砂漿棒法C227 -快速砂漿棒快速砂漿棒法法C1260AAR-2DD 249:1999A

14、23.2-25A混凝土棱柱混凝土棱柱體法體法 Cl293AAR-3BS 812：Part 123A23 .214A-蒸壓法蒸壓法AAR-4(混凝土混凝土)-CECS48 93 (砂漿砂漿)第27頁/共51頁1) 巖相法(ASTM C295)： 基于光性礦物學理論，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，礦物結晶程度和結構等來判斷骨料是否為活性；還可借助于掃描電鏡，X-衍射分析、差熱分析、紅外光譜分析等手段 。 第28頁/共51頁第29頁/共51頁l高堿波特蘭水泥：堿含量大于0.8%，或外加1.79mol/L NaOH溶液調整；l骨料：級配滿足下表要求；l灰砂比：質量比l

15、:2.25；l砂漿流動度：105 mm-120 mm：l試體尺寸：25mm 25mm 285mm。2) 砂漿棒法 (ASTM C227)： 直接測量砂漿長度以反映集料與堿作用所產(chǎn)生的膨脹率大小，是檢測骨料堿活性的經(jīng)典方法。篩孔尺寸/mm質量百分比(%)篩孔尺寸/mm質量百分比(%)52.5100.630.315252.51.25250.3150.16151.250.6325第30頁/共51頁1d1m2m3m6m9m12mDemould (L0)L1L2L3LLLCure at (382) and RH95% Initial 1 m 2m 3m 6m 9m 12m 第31頁/共51頁第32頁/共

16、51頁l3) 快速砂漿棒法 (ASTM C1260)：基于ASTM C227發(fā)展起來的一種加速試驗方法，又稱南非法(NBRI法)。 第33頁/共51頁評定標準：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，應用混凝土棱柱體法進一步鑒定。第34頁/共51頁第35頁/共51頁第36頁/共51頁4) 混凝土棱柱體法(ASTM C1293)：類似于ASTM C227方法，通過測量混凝土棱柱體試件的長度變化反映骨料堿活性大小。 l型波特蘭水泥：堿含量(0.90.1)%，拌和水中摻加NaOH使水泥堿含量調到1.25%；l骨料要求：1)

17、 評定粗集料時，集料級配為20 14mm、14 10mm、105mm的集料各占1/3，快速砂漿棒法的14d膨脹率小于0.1%的細集料； 2)評定細集料時，應使用快速砂漿棒法的14d膨脹率小于0.1%的粗集料。l配合比：水泥用量420kg/m3，粗集料:細集料=60: 40，水灰比0.420.45：l試體尺寸：75mm75mm350mm。評定標準：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。第37頁/共51頁第38頁/共51頁p 采用混凝土試件，更接近實際工程情況；p 可同時適用于硅質骨料和碳酸鹽骨料堿活性檢驗；p 經(jīng)多個實驗室研究，表明水泥堿含量、

18、試體尺寸等參數(shù)對結果無明顯影響；p 實驗周期較長。第39頁/共51頁5)蒸壓法(CECS48:93)：快速法，中國法第40頁/共51頁l硅酸鹽水泥：堿含量0.40.8%，凈漿膨脹值不大于0.02%，外加KOH溶液調整水泥堿含量達1.5%；l骨料：0.630.16mm，小于0.15mm的粉料不超過0.5%；l灰砂比：分別為10:1、5:1、2:1；l水灰比：0.3;l試體尺寸：10mm 10mm 40mm。第41頁/共51頁主要特點：快捷，試驗周期為3d；適用于堿硅酸活性骨料；各國相繼采用類似方法。250ml 的10%濃度KOH溶液成型成型養(yǎng)護養(yǎng)護(202)、RH95%以上，以上，242h拆模拆

19、?；鶞书L度基準長度1100 下蒸下蒸汽養(yǎng)護汽養(yǎng)護4h1502下下蒸壓養(yǎng)護蒸壓養(yǎng)護6h5min冷卻、沖洗冷卻、沖洗室溫放置室溫放置605min基準長度基準長度2第42頁/共51頁6) 小結：p巖相法是其他方法的前提；p快速砂漿棒法和壓蒸法是發(fā)展的主流；p化學法和砂漿棒法有逐漸被淘汰的趨勢；p混凝土棱柱體法通常不用，但可作為最終檢驗依據(jù)第43頁/共51頁五、堿骨料反應預防措施p 控制混凝土中含堿量 ； p 選擇低堿活性骨料；p 改善混凝土所處環(huán)境，隔絕濕氣進入；p 摻混合材；p 摻特殊外加劑第44頁/共51頁1) 控制堿含量：l水泥：混凝土中堿的主要來源，嚴格控制水泥含堿量及水泥用量，水泥堿含量0.6%作為預防堿骨料反應的安全界限；l 外加劑：使用低堿外加劑；l摻合料：硅灰、粉煤灰堿含量低于礦渣粉；l 集料和拌合水：堿性物質對AAS的貢獻小，可不考慮。第45頁/共51頁2) 骨料的選擇：l 混凝土含堿量低于3kg/m