混凝土堿骨料反應復習進程

混凝土堿骨料反應國內外概況自Stanton之后，美國其它州也相繼發(fā)現(xiàn)AAR破壞，目前美國有半數(shù)以上州發(fā)生了AAR破壞；加拿大1953年發(fā)現(xiàn)首例AAR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AAR破壞事例，近期調查表明在6000座鋼筋混凝土橋梁中,有165座已確信受AAR的破壞,有303座被懷疑為AAR所破壞；丹麥早在50年代調查全國431座混凝土建筑物,其中3/4的建筑物遭受了不同程度的AAR破壞;法國北部調查了1970年后建成的860座橋,受AAR破壞者為123座,占14%；中國在1990年后相繼發(fā)現(xiàn)了立交橋、機場、大型預應力混凝土鐵路橋梁和軌枕、工業(yè)及民用建筑因AAR而破壞。AAR已成為混凝土工程的全球性災害問題。指無定形二氧化硅、隱晶質、微晶質和玻璃質二氧化硅。如:蛋白石、玉髓、隧石、受應力變型的石英。一、堿一骨料反應機理1、堿—硅酸反應定義：骨料中的活性二氧化硅與堿發(fā)生化學反應生成膨脹性堿硅膠，導致混凝土膨脹性開裂。

指孔溶液中的Na+、K+、OH-，來自水泥、外加劑、環(huán)境等。＊取決于骨料中SiO2的結晶程度和混凝土中堿含量蛋白石玉髓反應機理：

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生不均勻膨脹、開裂。2、堿—碳酸鹽反應定義：某些骨料中的碳酸鹽礦物與堿發(fā)生的化學反應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，粘土的質量含量約為5%一20%，白云石顆粒粒徑約在50μm以下且被微晶方解石和黏土包圍。

指孔溶液中的Na+、K+、OH-，來自水泥、外加劑、環(huán)境等。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，膨脹破壞如何產生?

膨脹機理：Gillott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，黏土吸水膨脹，從而造成破壞作用。唐明述院士認為：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，Ｒ+、OH-和水等進入受限制的緊密空間產生膨脹，這些離子之所以會擠入受限空間發(fā)生反應，主要是由于去白云化反應為自由能降低的過程，ΔG=-12.18kJ/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，使固相反應產物的框架體積大于反應物白云石的體積，在限制條件下，固相反應產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晶壓，產生膨脹應力。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。

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；很多人反對將這種堿—骨料反應劃分為新的一類；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，產生膨脹反應的是其中含有微晶石英或玉髓。堿—硅酸鹽反應的實質仍屬堿-硅酸反應。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%的水泥稱為低堿水泥。

發(fā)生堿骨料反應的堿含量范圍：高活性的硅質骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3;

中等活性的硅質骨料，大于3.0kg/m3;

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?；鸪蓭r花崗巖應變石英含量＞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、蛋白石變質巖片巖應變石英含量＞30％片麻巖石英巖應變石英含量＞30％，隧石含量＞5％角頁巖頁硅酸鹽、變石英干枚巖泥板巖沉積巖砂巖應變石英、隧石含量＞5％硬砂巖頁硅酸巖、應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。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。(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SiO2/Na2O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。(3)礦物摻合料：

可有效抑制堿骨料反應對混凝土的破壞。摻硅灰摻粉煤灰火山灰作用降低水泥石中的大量Ca(OH)2；生成大量低Ca/Si比水化產物，對堿的物理稀釋和吸附；物理填充和火山灰反應使水泥石結構更加致密。(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砂漿先干燥蒸發(fā)一定水后再濕熱養(yǎng)護膨脹率混凝土堿骨料反應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、引氣劑＋三、堿一骨料反應破壞特征1)時間特征:

5~10年內發(fā)生破壞,比其它耐久性破壞的速度快。工程名稱建設時間發(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1970年1980年，決定修補10年香港，某水處理廠1980-1982年1991年，明顯開裂9-12年香港，NorthPoint公立學校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。3)開裂特征:

內部骨料周圍膨脹受壓，表面混凝土受拉開裂。對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（表面保護層呈地圖狀裂縫）。對于鋼筋限制力較大的區(qū)域，裂縫常常平行于鋼筋方向；在外部壓應力作用下，裂縫也會平行于壓應力方向。堿-骨料反應在開裂的同時，經(jīng)常出現(xiàn)局部膨脹，使裂縫兩側的混凝土出現(xiàn)高低錯位和不平整?；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—碳酸鹽反應中未生成凝膠，混凝土表面無凝膠析出。5)內部特征:

在骨料間產生網(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。6)潮濕特征:

越潮濕的部位反應越強烈，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?；炷凉こ虊A骨料破壞特征時間范圍：5~10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＊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。檢測方法美國ASTM歐洲RILEM英國加拿大CSA中國巖相法C295AAR-1BS812：Part104--《水工砼試驗規(guī)程》(SD105-82)化學法C289------砂漿棒法C227------快速砂漿棒法C1260AAR-2DD249:1999A23.2-25A混凝土棱柱體法Cl293AAR-3BS812：Part123A23.2－14A--蒸壓法AAR-4(混凝土)----CECS48∶93(砂漿)1)巖相法(ASTMC295)：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。

＊主要特點：操作簡單，試驗速度快；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系；需要有相當熟練的技術。應用方面：作為集料堿活性鑒定的首選方法，其鑒定結果對進一步選擇合適的檢測方法具有重要指導作用．高堿波特蘭水泥：堿含量大于0.8%，或外加1.79mol/LNaOH溶液調整；骨料：級配滿足下表要求；灰砂比：質量比l:2.25；砂漿流動度：105mm-120mm：試體尺寸：25mm×25mm×285mm。2)砂漿棒法(ASTMC227)：

直接測量砂漿長度以反映集料與堿作用所產生的膨脹率大小，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(%)5～2.5100.63～0.315252.5～1.25250.315～0.16151.25～0.63251d1m2m3m6m9m12mDemould(L0)L1L2L3L６L９L１２Cureat(38±2)℃andRH＞95%

Initial1m2m3m6m9m12m評定標準：

3個月膨脹率小于0.05%或6個月小于0.1%，非活性集料。＊主要特點：提出時間較早、技術成熟，可直接觀測到膨脹值大小；試驗周期較長，時間上不能滿足很多情況下工程需要；適用于活性較高、反應較快的骨料，對于反應較慢的活性骨料或活性較低的骨料往往導致誤判（英國、日本）；檢測結果受水泥堿含量、水灰比、養(yǎng)護容器的濕度控制精度等影響較大，不適于堿碳酸活性骨料。應用方面：遭到國際許多專家質疑，在歐洲、加拿大等國已淘汰，國內各行業(yè)標準還沿用。

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)護制度：先80℃恒溫水浴1天，再浸入1mol/L的NaOH溶液在80℃恒溫條件下養(yǎng)護．3)快速砂漿棒法(ASTMC1260)：

基于ASTMC227發(fā)展起來的一種加速試驗方法，又稱南非法(NBRI法)。

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。＊主要特點：試驗周期縮短，操作性強，測試精度高；實驗室結果與工程實際一致性好；由于高溫養(yǎng)護條件，測試結果偏大，存在錯判危險；只適用于硅質骨料，可作為篩選集料的強有力工具，不可作為拒絕集料的依據(jù)。應用方面：各國應用最廣，首選方法之一。4)混凝土棱柱體法(ASTMC1293)：

類似于ASTMC227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。

Ⅰ型波特蘭水泥：堿含量(0.9±0.1)%，拌和水中摻加NaOH使水泥堿含量調到1.25%；骨料要求：

1)評定粗集料時，集料級配為20~14mm、14~10mm、10~5mm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。配合比：水泥用量420kg/m3，粗集料:細集料=60:40，水灰比0.42~0.45：試體尺寸：75mm×75mm×350mm。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。

采用混凝土試件，更接近實際工程情況；可同時適用于硅質骨料和碳酸鹽骨料堿活性檢驗；經(jīng)多個實驗室研究，表明水泥堿含量、試體尺寸等參數(shù)對結果無明顯影響；實驗周期較長。＊主要特點：應用方面：值得推廣應用，作為最終判據(jù)．5)蒸壓法(CECS48:93)：快速法，中國法．硅酸鹽水泥：堿含量0.4~0.8%，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%；骨料：0.63～0.16mm，小于0.15mm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：10mm×10mm×40mm。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溶液成型養(yǎng)護(20±2)℃、RH95%以上，24±2h拆模基準長度Ｌ1100℃下蒸汽養(yǎng)護4h150±2℃下蒸壓養(yǎng)護6h±5min冷卻、沖洗室溫放置60±5min基準長度Ｌ2三個配比中最大膨脹值大于等于0.1%為活性骨料，小于時為非活性骨料。6)小結：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；化學法和砂漿棒法有逐漸被淘汰的趨勢；混凝土棱柱體法通常不用，但可作為最終檢驗依據(jù)．五、堿－骨料反應預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；

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：