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,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，并且此法需要相當熟練地技術(shù)。（2）混凝凝土棱柱體體法試件尺寸為為75mm*75mm*（275-405mm），試件件成型后用用塑料膜覆覆蓋，放于于23度，，100%相對濕度度條件下預(yù)預(yù)養(yǎng)護24h，脫模模測其初長長。然后38度，100%相相對濕度下下養(yǎng)護，測測定1,2,4,8,13,26,39,52周各齡期期的膨脹率率。若半年年超過0.03%或或三個月膨膨脹率超過過0.02%，1年年膨脹率超超過0.04%，則則骨料為活活性骨料。。該法法既既能能用用于于硅硅質(zhì)質(zhì)骨骨料料，，又又可可鑒鑒定定碳碳酸酸鹽鹽骨骨料料。。另另外外，，由由于于它它可可以以使使用用粗粗骨骨料料，，因因而而更更接接近近混混凝凝土土實實際際。。但但膨膨脹脹結(jié)結(jié)果果受受水水泥泥細細度度，，水水灰灰比比和和養(yǎng)養(yǎng)護護條條件件（（溫溫度度，，濕濕度度））及及配配合合比比影影響響。。(3)砂砂漿漿棒棒法法取試試件件尺尺寸寸為為25mm*25mm*385mm。。成成型型后后1d脫脫模模，，測測其其初初始始長長度度，，然然后后在在38度度，，100%相相對對濕濕度度下下養(yǎng)養(yǎng)護護，，并并測測定定不不同同齡齡期期試試件件長長度度變變化化。。若若3個個月月膨膨脹脹率率小小于于0.05%，，6個個月月小小于于0.1%，，則則為為非非活活性性骨骨料料。。該該方方法法僅僅適適用用于于一一些些高高活活性性的的快快膨膨脹脹的的巖巖石石和和礦礦物物，，對對慢慢膨膨脹脹的的骨骨料料則則不不能能快快速速的的提提出出鑒鑒定定成成果果。。（4））快快速速砂砂漿漿棒棒法法由于于砂砂漿漿棒棒法法周周期期長長，，時時間間上上不不能能滿滿足足大大多多數(shù)數(shù)工工程程需需要要，，而而且且存存在在漏漏判判例例子子，，尤尤其其是是不不能能鑒鑒定定出出許許多多慢慢膨膨脹脹骨骨料料的的活活性性，，所所以以提提出出該該法法。。試件件原原材材料料及及制制備備程程序序和和（（3））法法一一樣樣，，只只是是采采用用了了不不同同的的養(yǎng)養(yǎng)護護制制度度。。用用試試件件浸浸泡泡在在80度度的的1mol/l的的NaOH溶溶液液中中，，測測其其12d的的膨膨脹脹值值作作為為評評定定骨骨料料潛潛在在活活性性的的依依據(jù)據(jù)。。規(guī)規(guī)定定依依據(jù)據(jù)：：膨膨脹脹率率小小于于0.1%為為非非活活性性，，膨膨脹脹率率大大于于0.2%為為活活性性。。該該法法過過于于嚴嚴格格，，某某些些被被證證明明是是無無害害的的骨骨料料可可能能被被判判為為有有害害。。1.6堿堿-骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)的的主主要要因因素素（1））水水泥泥的的含含堿堿量量堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)引引起起的的膨膨脹脹值值與與水水泥泥中中的的Na2O的的含含量量緊緊密密相相關(guān)關(guān)；；混混凝凝土土總總堿堿含含量量規(guī)規(guī)定定不不大大于于3.0Kg/m3,另外外規(guī)規(guī)定定水水泥泥中中堿堿含含量量小小于于0.6%。。（2)混混凝凝土土的的水水灰灰比比在通通常常的的水水灰灰比比范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，隨隨著著水水灰灰比比減減小小，，堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)得得膨膨脹脹值值有有增增大大的的趨趨勢勢，，在在水水灰灰比比為為0.4時時膨膨脹脹量量最最大大。。（3））反反應(yīng)應(yīng)骨骨料料的的特特性性其中中包包括括骨骨料料的的礦礦物物成成分分，，粒粒度度和和集集量量有有關(guān)關(guān)。。隨著著反反應(yīng)應(yīng)性性骨骨料料含含量量的的增增加加，，混混凝凝土土的的反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量加加大大；；粒粒度度過過大大過過小小都都能能使使反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量減減小小，，中中間間粒粒度度（（0.15~0.6mm））的的骨骨料料引引起起的的反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量最最大大，，因因為為此此時時反反應(yīng)應(yīng)性性骨骨料料的的總總表表面面積積最最大大；；反反應(yīng)應(yīng)性性骨骨料料孔孔隙隙率率對對其其反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量也也有有影影響響。。（4））混混凝凝土土的的孔孔隙隙率率混凝凝土土的的空空隙隙也也能能減減緩緩堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)時時膠膠體體吸吸水水產(chǎn)產(chǎn)生生的的膨膨脹脹壓壓力力，，因因而而隨隨孔孔隙隙率率增增加加，，反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量減減小小，，特特別別是是細細孔孔減減緩緩效效果果最最好好。。因因此此，，加加入入引引氣氣劑劑能能減減緩緩堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)的的膨膨脹脹。。（5））環(huán)環(huán)境境溫溫濕濕度度的的影影響響混凝凝土土的的堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)離離不不開開水水，，因因此此環(huán)環(huán)境境濕濕度度對對其其有有明明顯顯影影響響。。雖雖然然說說在在低低濕濕度度條條件件混混凝凝土土空空隙隙中中的的堿堿溶溶液液濃濃度度增增大大會會促促進進堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)，，但但如如果果環(huán)環(huán)境境相相對對濕濕度度低低于于85%，，外外界界不不供供給給混混凝凝土土水水分分，，就就不不會會發(fā)發(fā)生生混混凝凝土土中中反反應(yīng)應(yīng)膠膠體體的的吸吸水水膨膨脹脹，，它它的的最最不不利利相相對對濕濕度度為為90%-95%。。。。每種種反反應(yīng)應(yīng)性性骨骨料料都都有有一一個個溫溫度度限限值值。。在在該該溫溫度度以以下下，，隨隨溫溫度度增增高高膨膨脹脹量量增增大大，，當當超超過過該該溫溫度度限限值值時時，，反反應(yīng)應(yīng)膨膨脹脹量量明明顯顯下下降降，，最最不不利利溫溫度度在在37.8-40度度之之間間。。四、、堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)的的預(yù)預(yù)防防措措施施1、、控控制制水水泥泥堿堿含含量量，，優(yōu)優(yōu)先先選選用用堿堿含含量量小小于于0.6％％的的低低堿堿水水泥泥。。一一般般情情況況下下，，把把水水泥泥堿堿含含量量低低于于0.6％％氧氧化化鈉鈉當當量量（（即即Na2O+0.658K2O））作作為為預(yù)預(yù)防防堿堿骨骨料料反反應(yīng)應(yīng)的的安安全全界界限限。。當當然然，，低低堿堿水水泥泥本本身身并并不不能能控控制制堿堿－－集集料料反反應(yīng)應(yīng)。。2、、確確定定最最小小水水泥泥用用量量。。在在滿滿足足工工程程要要求求的的強強度度及及耐耐久久性性前前提提下下選選擇擇合合適適的的水水泥泥用用量量。。3、、控控制制混混凝凝土土中中總總含含堿堿量量。?；旎炷镣林兄袎A堿的的來來源源不不僅僅有有水水泥泥，，還還包包括括混混合合材材、、外外加加劑劑、、水水以以及及骨骨料料等等，，因因此此控控制制混混凝凝土土中中各各種種原原材材料料總總堿堿量量比比單單純純控控制制水水泥泥含含堿堿量量更更為為科科學學，，目目前前已已為為許許多多國國家家所所接接受受。。如如我我國國建建設(shè)設(shè)的的南南水水北北調(diào)調(diào)中中線線工工程程，，對對具具有有堿堿活活性性或或疑疑似似堿堿活活性性的的集集料料，，規(guī)規(guī)定定干干燥燥環(huán)環(huán)境境下下的的ⅠⅠ、、ⅡⅡ、、ⅢⅢ類類工工程程，，其其混混凝凝土土中中總總堿堿量量不不得得大大于于3.0Kg/m3；；潮潮濕濕