总碱含量对混凝土工程的影响

总碱含量对混凝土工程的影响客户服务室：张向文（2009年7月发表于山东交通学院学报）摘要：目前公路桥涵混凝土工程中，对原材料的碱含量和碱骨料反应要求严格了，对于总碱含量的控制要求也越来越严格，本文就针对混凝土中总碱含量展开分析。关键词：碱骨料反应、总碱含量、碱活性、反应行为、超细粉等ThetotalalkalicontentoftheconcreteworksAbstract:Theconcretehighwaybridgeproject,therawmaterialofalkaliandalkaliaggregatereactionhasbeendemandingfortotalcontrolofthealkalimoreandmorestrictonthisarticleforthetotalalkalicontentinconcretetoanalyze.Keywords:alkaliaggregatereaction,withatotalalkali,alkali-activeresponse,ultra-finepowder1．前言目前除了一些特殊厂房等采用钢结构，其他结构物还是以混凝土为主要原材料。现在工程中的混凝土结构还存在很多问题，其中碱骨料反应的控制就是一项，且该项所导致后期开裂的严重后果已逐渐被人们所认识，虽然在一切公路桥涵工程中均对混凝土的原材料碱含量和碱骨料反应等进行了试验，但是在实际中碱骨料反应行为的影响还是没有得到具体的落实。引起混凝土破坏的内因是碱骨料反应(AAR),造成的破坏范围大，损坏重,开裂后将诱发其他诸多破坏因素,且难以阻止其继续发展,因而有人把碱骨料反应称为混凝土的癌症。混凝土中的碱类和集料的活性物质发生化学反应，使混凝土发生不均匀膨胀，产生裂缝，并有强度和弹性模量的下降等不良现象，从而缩短混凝土的寿命，危及工程安全。本文就混凝土总碱含量在不考虑外界环境的影响因素通过物理、力学和化学的角度分析并实例说明工程中混凝土的碱含量超标问题，最后提出预防和控制措施。2．碱骨料反应原理及具体要求2.1从化学因素分析：活性骨料、碱和水进行化学反应，在混凝土内骨料与水泥石的界面上生成硅酸盐凝胶，此胶体状从周围介质中吸水膨胀（体积可增大3倍），在混凝土内部产生较大的膨胀压和渗透压（可达3-4兆Mpa），致使混凝土发生裂缝和破坏。反映方程式为：SiO2+2ROH+nH2O→R2SiO3(n+1)H2O(R为Na或K)2.2碱与某些层状硅酸盐集料，与水泥水化生成ROH相作用后，使层状硅酸盐层距离由10（埃）增大到12（埃），集料发生膨胀，造成开裂，由于岩石结构、种类和质量因素，膨胀发生慢，但后果较为严重。2.3用细观力学的方法分析，硬化水泥石是基体相，当骨料与碱发生反应时，骨料产生膨胀，而硬化水泥石则约束骨料的膨胀，与此同时，硬化水泥石将受到一个拉应力，当这个拉应力超过硬化水泥石的抗拉强度时，将发生开裂，由此得出以下判据：（εp-εm）/[1+Ep（1/k2-1）/Em]R1式中：εp为粒子相(骨料)的自由膨胀；εm为基体相的自由膨胀；Ep为离子相的弹性模量；Em为基体相的弹性模量；k为粒子相体积因子（Vp1/3），Vp为粒子相体积分数；R1为基体相的抗拉强度。2.4碱骨料反应的三个条件：a.活性骨料的存在b.混凝土中含有一定数量的碱c.混凝土中含有足够的水分2.5从碱骨料反应角度讲，混凝土中的胶凝材料有着两方面的作用：一是为碱骨料反应提供碱；二是硬化水泥石作为连续相对碱骨料反应膨胀起约束作用。胶凝材料所提供的碱是混凝土碱含量的主要来源，但是胶凝材料也不允许少，胶凝材料越少，约束力越弱，混凝土的膨胀将越大，就越容易开裂。2.6在碱骨料反应过程中水的作用：一是碱离子化的基础；二是运输碱的载体；三是碱骨料反应膨胀的源泉。2.7碱能促进水泥混凝土的收缩开裂，从保证混凝土的耐久性和体积稳定性看，限制外加剂含碱量是控制混凝土总碱量的重要手段之一。2.8碱骨料反应具有膨胀、速度、潮湿三大特征，引起混凝土开裂、剥落，并在此部位积聚较多的白色浸出物，引起钢筋的锈蚀和冻融循环，对结构物的使用性能造成影响。受碱骨料反应膨胀开裂的工程从外观上看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可以看到从裂缝溢出白色或透明胶体的痕迹。在同一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征之一。最后判断还需要从受害的工程取芯样鉴定。2.9公路桥涵水泥混凝土碱含量具体要求：每立方米混凝土的总碱含量，对一般桥涵不宜大于3.0kg/m3，对于特殊大桥、大桥和主要桥梁不宜大于1.8kg/m3，当处于严重受侵蚀的环境，不得使用有碱活性反应的骨料；且在工程中尽量使用低碱水泥（水泥中碱含量不得大于0.6%）和低碱外加剂，减少混凝土中的碱含量。3.碱含量计算实例混凝土碱含量计算：混凝土总碱含量=水泥用量*水泥碱含量+粉煤灰用量*1/6*粉煤灰碱含量+矿粉用量*1/2*矿粉碱含量+外加剂用量*外加剂碱含量+用水量*水的碱含量某高速公路某项目部配合比及各种原材料碱含量汇总和计算如下：C50普通砼配比质量比例（kg）碱含量（%）水泥P.O42.5R4860.56砂628无碱骨料反应碎石1166无碱骨料反应水174不计减水剂4.3743.87阻锈剂14.585.411)水泥碱含量：486*0.56%=2.72kg2)减水剂碱含量：4.374*3.87%=0.169kg3)阻锈剂碱含量：14.58*5.41%=0.789kg4)每方混凝土总碱含量为:2.72+0.169+0.789=3.678kg在不考虑水和集料含碱的条件下，根据以上计算得知C50用于大桥混凝土总碱含量3.68kg/m3大于1.80kg/m3，严重超标，其中水泥提供2.72kg/m3，其余主要由外加剂提供，同样原理计算该工程的其他混凝土配合比的碱含量也同样超标。目前，在工程中虽均使用非活性骨料，但是在混凝土中引起破坏的主要是碱硅反应。粗细骨料的主要成分是SiO2，随时可能引起破坏，应引起注意。在此情况下，分情况讨论：一是混凝土总碱含量超标，但使用了非活性骨料，不引起任何碱骨料反应，但碱能促进水泥混凝土的收缩开裂，应慎重使用。二是混凝土总碱含量超标，但在骨料中可能引起碱骨料反映就应采取措施，否则不予使用。4.工程中碱骨料反应引起混凝土破坏实例马颊河桥柱与桩间混凝土破坏图某桥梁和某试件的破坏图5．预防和控制措施5.1采用无碱活性的骨料；5.2采用低碱水泥或降低水泥用量；5.3减少外加剂中的碱含量；5.4掺粉煤灰和矿粉等材料，取代一部分水泥，增加混凝土的和易性，降低成本；5.5采用超细粉取代10%-15%水泥用量，最大取代20%水泥用量，形成密实混凝土结构，同时可以取消外加剂从而降低成本。5.6外涂防腐涂料，使混凝土具有良好的耐碱性、附着力和抗渗透性，减少混凝土的破坏，防止钢筋的锈蚀，如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。5.7加强施工和养护的控制，遵守施工规程，保证混凝土的密度。通过以上七种方法尽量预防碱骨料反应和控制混凝土中总碱含量，保证工程质量，仅供在实际工程工作中参考选择。参考文献：[1]HobbsDW,GutteridgeWA.ParticleSizeofAggregateandItsInfluenceupontheExpansionCausedby：235-242.[2]TanMingshu,HanSufen,ZhenShihua.ARapidMethodforIdentificationofAlkaliReactivityofAggregate[J].CementandConcreteResearch,1983，13(3)：417-422.[3]ZhangChengzhi,WangAiqin,TangMingshu,WuBinqing,ZhangNingsheng.InfluenceofhteSizeandtheSizeGradingofAggregateonASRExpansion[J].CementandConcreteResearch,1999,29：1393-1396.[4]张承志.集料碱活性的评定与混合材抑制碱骨料反应膨胀有效性的评定[D].南京，南京化工大学，1996年6月.[5]唐明述.加拿大公路桥梁和大坝的考察报告[J].南京化工学院学报，1987，(2)：124-128[6]吴中伟高性能混凝土及其矿物细掺料《建筑技术》1999年第3期[7]廉慧珍路新赢我国混凝土工程发展中的几个问题《建筑技术》2000年第1期作者简介：张向文，男，1981年生，工程师，毕业于山东交通学院土木工程系交通土建试验与检测技术专业，现任职于山东广信工程试验检测有限公司，主要从事材料检测，公路、铁路、桥梁、隧道、建筑等施工和现场检测工作。