碱骨料反应

1碱骨料反应1、什么是碱骨料反应（简称AAR）碱骨料反应是指混凝土原材料中的水泥、骨料、外加剂、混合料和拌合水中的碱性物质（Na2O或K2O）与骨料中碱活性矿物成分发生化学反应，生成膨胀物质（或吸水膨胀物质），从而使混凝土在浇筑成型若干年后，膨胀开裂，导致混凝土破坏的现象。被称为混凝土的癌症。2、碱骨料反应的必要条件①水泥及其他原材料（外加剂、掺和料等）的含碱量较高；②活性骨料，骨料中含有一定量活性氧化硅等活性成分；③水或潮湿环境。3、碱骨料反应的类型①碱硅酸反应（简称ASR）混凝土中碱与骨料中微晶或无定形硅酸发生反应，生成碱硅酸类。反应式如下：碱硅酸类呈白色凝胶固体，且具有强烈吸水膨胀的特征，最大时体积可最大3倍以上。这种反应一般发生在骨料与水泥石界面处，混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。碱硅酸反应是碱骨料反应的主要形式，能与碱发生反应的含有活性氧化硅矿物的岩石品种有多种，在火成岩、沉积岩和变质岩中都有存在。自然界中含有活性氧化硅的矿物可概括为2类：1）含有非晶体SiO2，主要指蛋白石和玻璃质SiO2。2）具有结晶不完整的SiO2矿物，如隐晶质至微晶质的玉髓、鳞石英、方石英等，酸性或中性玻璃体的隐晶质火山喷出岩，如流纹岩、粗面岩、安山岩及其凝灰岩等。自然界中结晶完整的石英在地质运动中受压，造成晶格扭曲、错位等，使结晶体外界面增多，也会产生不同程度的碱活性。②碱碳酸盐反应（简称ACR）混凝土中的碱与具有特定结构的粘土质细粒白云质石灰岩或粘土质细粒白云质骨料发生下列反应，进行所谓的去白云化作用：碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应不同，其特点是反应快，一般在浇筑后6个月就有膨胀或开裂现象，反应物中很少见凝胶产物，多呈龟裂或开裂。③碱硅酸盐反应混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间间距增大，骨料发生膨胀，致使砼膨胀开裂，能发生这类反应的岩石有：页状硅酸盐岩石、石英质岩石、2混合性硅酸盐岩石等。这类反应的特点是：在砼中膨胀的速度非常缓慢，一般30-50年后才会出现膨胀开裂现象，骨料颗粒周围少见反应环，凝胶产物也不多见，传统检测方法尚不能检测其碱活性。4、骨料碱活性的检验方法①岩相法通过眼睛观察并结合偏光显微镜、X射线衍射，差热分析、红外光谱分析等手段，确定骨料的岩石种类，矿物组成和各组分含量，属传统的岩石碱活性鉴定方法，所提供的信息仅表明被检骨料产生碱骨料反应的可能性或可疑性，无法对其膨胀性作出定量的判定，故不能作为骨料碱活性的最终判定，还需要与化学法或砂浆长度法配合使用。②化学法在一定试验条件下测定某些粒级的骨料与规定浓度的NaOH溶液反应所溶出的SiO2浓度Sc（mmol/l）及溶液碱度降低值Rc（mmol/l）。当试验结果出现Rc70而ScRc或Rc70而Sc35+Rc/2中的任一种情况，该骨料就被认为具有潜在活性。如果不出现上述情况，则判定为非活性骨料，可作为最终判定，工程实践证明，化学法可能出现误判，不适用于膨胀过程缓慢的骨料，如片麻岩、含微晶石英或应变石英的砂岩等。因此，化学法的适用范围正在缩小。③砂浆长度法是将骨料按一定粒级配制后再按比例与水泥制成砂浆，在特定养护条件下，按龄期分别测出砂浆试件的长度。对于砂石骨料，当砂浆半年膨胀率超过0.1%，可判定骨料具有碱活性。主要缺点是试验时间长，不能满足现代工程需要。④快速砂浆棒法（南非学者OberhosterR.E和Davies.G1986年提出）将试件放入80℃的1mol/lNaOH溶液中，以浸泡14d的膨胀值作为评定骨料潜在活性的依据。膨胀率0.1%为非活性，膨胀率0.2%为活性，膨胀率在0.1%-0.2%之间为潜在活性，此法也被称为NBRI法，经多个国家的验证，研究发现此法与实际工程有较好的相关性，1994年稍作修改后被订为美国标准（ASTMC1260-94）和加拿大标准（CSAA23.2-25A）。我国学者在碱骨料反应研究中也多采用该法。5、预防碱骨料反应的措施①控制水泥含碱量使用低碱水泥和减少水泥用量是降低砼总碱量的关键。美国提出水泥含碱量以低于0.6%Na2O质量浓度为预防碱骨料反应的安全界限以来，虽然有些地区的骨料在含碱量低于0.4%时仍发生碱骨料反应的危害。但水泥含碱量低于0.6%作为安全界限已被广泛认可，《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）规定水泥中熟料碱含量不得超过0.6%。②控制混凝土含碱量砼中的碱不仅来自水泥，还可能来自混合材、外加剂、水等几个方面，因此，必须控制砼原材料总碱量。我国对碱含量的限值或措施规定见表1。3③选择骨料若水泥含碱量高，砼总碱量高或处于含碱环境下，对可能引起碱骨料反应的可疑骨料，应进行活性检验，如需将活性骨料与非活性骨料混合使用，则应经试验验证确认对工程无危害，方可按规定比例混合使用。建议采用花岗岩质骨料，绝大多数花岗岩质骨料不含有活性SiO2。另外，花岗岩质骨料强度较高，能满足砼强度要求。④掺混合材硅灰、高炉矿渣、粉煤灰、沸石粉等活性混合材可缓解抑制砼的碱骨料反应，冰岛在生产水泥时掺入5.0%-7.5%硅灰以预防砼碱骨料反应。美国、英国、德国等对高炉矿渣的推荐掺量为50%以上。粉煤灰的含碱量不同，即使含碱量高的粉煤灰，如取代30%的水泥，也可有效抑制碱骨料反应。资料显示，只要掺入不少于胶凝材料总量15%的混合材（一般选用粉煤灰或硅灰），就可以有效降低水化物的Ca/Si，达到抑制碱骨料反应的目的。另有数据表明，在砂浆膨胀试验中掺入30%的一级粉煤灰，可使砂浆半年膨胀率值比不掺用粉煤灰时降低66%。研究表明，粉煤灰掺量30%时，抑制效果最佳。矿物掺合料能抑制或延缓碱骨料反应主要在于其部分替代水泥后的稀释作用，二次水化反应降低反应产物中氢氧化钙的含量，并形成较多能吸附一定量碱的低碱性水化硅酸钙，提高砼的密实度，改善砼内部孔结构。当骨料碱活性较高时，矿渣掺量越大，抑制效果越好。一般认为应大于50%，此时砼的安全碱含量可达8.5kg/m3，当矿渣掺量达80%时，即使砼总碱量高达10，砼也不会发生AAR膨胀。⑤掺加纤维材料在砼掺入钢纤维、碳纤维等材料，对碱骨料引起的膨胀有抑制、约束作用，能使破坏性膨胀转换为预应力的效果。在无法参用其他预防措施（加混合材、非活性骨料、控制砼碱量）的场合，可考虑此法。⑥隔绝水和湿空气的渗入碱骨料反应的充分条件是水分存在，砼内部相对湿度低于80%，则碱骨料反应会停止膨胀，相对湿度低于75%时，碱骨料反应就不会发生。因此通过提高砼的抗渗能力，做放水面层等方法，来组织水和湿空气的进入，可以缓和碱骨料反应带来的不利影响，但完全隔绝水和湿空气的进入是很难实现的。⑦使用引气剂等外加剂小气泡的存在可以使碱骨料反应产物嵌进分散的空隙中，降低了膨胀压力，从而减小碱骨料反应所产生的膨胀，但是，对于活性较高的骨料和高碱水泥，引气不能有效防止碱骨料反应引起的破坏。砂浆的最优含气量约为10%，引气过少达不到抑制效果，但此时砼的强度会降低25%-40%。因此，此法对有较高强度要求的砼不适用。研究表明含碱金属锂的盐类如硝酸锂、氢氧化锂以及氟硅酸钠、磷酸盐、部分硝酸盐等对碱骨料反应具有一定抑制作用。通过高压注入方式可使外加剂溶液渗透到砼内部可以治理已经发生碱骨料反应的砼结构，外加剂也可以在拌制砼时加入。6、无害碱与有害碱砼由固相、液相和气相组成的。固相主要由水泥及掺合料水化后的水化产物和集料组成；液相就是存在于极细空隙中的含有多种离子的水溶液，即孔溶液；气相则是分布在砼中的大小不等的气孔。砼中的碱，一部分存在于固相中，即存在水化产物C-S-H凝胶中；一部分存在于液相中，即孔溶液中以离子形式存在的碱。一般认为，存在于固相中的碱是不参与碱骨料反应的，可4称为无害碱。而存在于液相中的碱是参与碱骨料反应的，可称为有害碱。研究证明，孔溶液的碱度降低到一定程度，则可抑制碱骨料反应。Na+、K+在C-S-H的存在量与其Ca/Si比有关。降低C-S-H的Ca/Si比，可增加其对Na+、K+的容纳量。Ca/Si比高时，C-S-H凝胶带正电，排斥Na+、K+，使其保留在孔溶液中，相反Ca/Si比低时，C-S-H凝胶带负电，吸引Na+、K+。7、水的影响水或潮湿环境是碱骨料反应的必要条件之一。但要通过控制孔隙水来抑制碱骨料反应显然是不现实的。因此水的影响目前主要考虑水灰比。据研究，当水灰比大时，砼的孔隙率增大，各种离子扩散速度和水的移动速度加大，助长碱骨料反应。另一方面，砼孔隙多，又可减少孔隙中碱溶液浓度，有利于减缓碱骨料反应，同时有足够的空间来满足膨胀的自由扩展，使膨胀应力得到有效吸收，减缓或抑制了碱骨料反应所带来的破坏发生。有试验表明，水灰比“最不利”极值大约为0.4。在一般水灰比范围内，随水灰比减小，不利于缓和膨胀压力，碱骨料反应膨胀量有增加趋势。8、碱骨料反应的诊断与鉴定一）外观诊断①裂缝特征钢筋限制、约束作用强的砼，其裂缝往往发生在平行于约束力的方向。限制、约束作用力弱或不受约束（无筋或少筋）的砼，其裂缝往往呈网状（龟背状或地图形），典型的裂缝网接近六边形，裂缝从网节点三岔分开，在较大的六边形之间还可再发展出小裂缝。限制、约束作用较均匀的砼部位，裂缝分布也较均匀。往往发生在砼截面大、受雨水或渗水影响、受太阳照射而引起环境湿度、温度变化大的部位。②渗流物特征反应的产物碱硅凝胶可顺裂缝渗流出来，多半为半透明的乳白色或黄褐色，在流经裂缝、孔谢的过程中吸收钙、铝、硫等化合物也可变成茶褐色以至黑色，流出的凝胶多为较湿润的光泽，长时间干燥后变为无定形粉状物。③结构宏观变形特征可使砼结构发生整体变形、移位病象，如有的桥梁支点因膨胀增长而错位，有点大坝因膨胀导致坝体升高。有些横向结构在两端限制的条件下银膨胀而发生弯曲、扭翘等现象。二）检测诊断①取芯检验法肉眼或用立体显微镜观察，再用偏关显微镜观察光薄片，一般碱骨料反应常会损伤骨料颗粒，裂缝多从骨料延伸至浆体。有时能观察到骨料裂开，或边缘被撕裂，这一特征十分重要。因为冰冻、盐腐蚀、化学腐蚀、碳化、机械荷载不会使骨料颗粒受到损伤（除非使用不抗冻的多孔颗粒）。这是区分碱骨料反应与其他因素破坏的重要特征。用电子显微镜加上能谱分析和X光衍射分析可以测得骨料周围白色胶状物（碱硅酸凝胶）的化学成分，如含有钾、钠元素，则属碱骨料反应特征，这是发生碱骨料反应的直接证明。芯样的长期养护与观察，将芯样置于试验室室温下的潮湿容器中长期养护和观察。芯样裂缝的显著扩大是碱骨料反应破坏最有说服力的证据。②非破损检验法5研究表明，碱骨料反应会使工程结构的回弹值降低；用超声波仪测得的弹性模量也会降低，且降低率比抗压强度降低率更显著。③留置试块的长龄期观察对于大型及重要砼结构，在试验室可根据关键结构部位砼生产的批量及配合比适当留置长龄期砼试件，如发生开裂，则可根据养护条件直接排出冰冻、干湿循环、钢筋锈蚀、化学腐蚀、冰盐腐蚀等因素的影响，这有利于对砼是否发生碱骨料反应展开分析，同时这种排除了其他因素的开裂并继续发展的破坏也是碱骨料反应的最直接证明。④从砼中取出骨料鉴定碱活性可将砼的骨料用机械方法和化学方法（一般是盐酸溶液处理）分离并鉴定其碱活性。根据普通砼用砂石标准的规定，骨料碱活性的鉴定有4种方法：岩相法、化学法、砂浆长度法及岩石柱法。岩相法能判定岩石的种类是属二氧化硅类还是碳酸盐类，以及是否含有活性矿物及其大概数量。岩石活性的大小不仅与活性矿物的品种、数量有关，还与活性矿物的形态、结构、尺寸等因素有关。若岩石中没有活性矿物，就可判定其为非活性岩石。若岩石中含有二氧化硅类活性矿物，则得进一步用化学法或砂浆长度法进行检测，以判断岩石是否有潜在危害。在岩石活性组分为白云石时要用岩石柱法判断其是否有害。