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碱集料反应的诊断与防治杨建森( 宁夏大学土木工程系 银川市 750021)摘 要: 概述了碱集料反应的类型与机理, 结合国内外碱集料反应研究的进展情况, 提出了碱集料反应的诊断方法和防治措施。关键词: 碱集料反应; 诊断; 防治碱集料反应(a lk a li2a gg rega te r eac t io n 2a a r )是指混凝土材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(n a2o 或 k 2o ) 与集料中的活性成分在混凝土浇注成 型后若干年(数年至 20 30 年) 逐渐反应, 反应生成物 吸水膨胀, 从而导致混凝土膨胀开裂而失去设计性能 的现象。从 20 世纪 40 年代以来, 碱集料反应已在全球 范围内造成巨大损失。 由于活性集料经搅拌后大体上呈均匀分布, 所以一旦发生碱集料反应, 便难以控制,并将造成混凝土膨胀开裂, 同时促使其它耐久性方面 的性能破坏加剧。进入 20 世纪 90 年代以后, 各种工程 尤其是大型工程对提高混凝土耐久性的要求日益迫 切, 按耐久性设计混凝土, 成为混凝土发展的一个新方向。作为影响混凝土耐久性的重要因素之一, 碱集料反 应仍是国内外混凝土界研究的重要领域。收稿日期: 2001- 10- 316结论本文分析了目前高速公路沥青路面常用的a c 2i 与a k 型级配混合料存在的缺点, 认为: a c 2i 型级 配高温稳定性较差、施工中易于离析; a k 型级配抗 水损害能力不足。 借鉴 sm a 和 sup e rp ave 混合料 设计思路的优点, 对 a c 2i 与 a k 级配设计提出了 改进意见。(1)a c 设计级配不一定必须走中值, 设计中可 根据集料特性选择各项性能都比较好的最优级配, 合理调整集料组成, 使其易于分布均匀。(2)a c 级配应有一定的骨架性, 在最佳油石比下, 沥青混合料的空隙率宜在 4% 左右。(3) 调整a k 级配曲线, 使其趋向于嵌挤、密实, 并提高对a k 级配密实性指标的要求, 增加其抗水 损害能力。参考文献:公路沥青路面施工技术规范 (j t j 032- 94) 1b row n e r , h addo ck e. d eve lopm en t o f a m ix12d e sign fo r s to ne m a t r ix a sp h a lt.1997.sm a 路面施工技术指南. 交通部公路科学研究所. 19991余叔藩 (译) 1sup e rp ave 水准 i 沥青混合料设计 11997134ana ly s is of cho ice f or a spha lt m ix ture grada t iongao yin g 1 , cao r on g - j i2( 11j iang su d ep a r tm en t o f e xp re ssw ay co n st ruc t io n, n an jing 210004, c h ina; 2. j iang su t ran spo r ta t io n r e sea rch in st itu te, c h ina)a bstra c t: a c 2i an d a k g rada t io n s o f ten u sed in exp re ssw ay b itum en io u s p avem en t a re an a lyzed an dth e p ro b lem s ex isted in th em a re po in ted o u t. som e adv ice s fo r a c 2i an d a k g rada t io n de sign s a re g iven acco rd in g to sm a an d sup e rp ave de sign m e tho d s.key word s: a sp h a lt m ix tu re; g rada t io n 88 公路2002 年 第 1 期1 碱集料反应的类型、机理和条件碱 集料反应可分为碱硅酸反应 (a lk a li2s ilica r eac t io n 2a sr ) 和碱碳酸盐反应 (a lk a li2c a rbo n a te r eac t io n 2a cr ) 2 大类。111 碱硅酸反应碱硅酸反应是水泥 ( 包括外加剂、掺合料等) 中 的碱与集料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐 凝胶或称碱硅凝胶。 碱硅酸盐凝胶固相体积大于反应前的体积, 而且有强烈的吸水性, 吸水后膨胀引起 混凝土内部膨胀应力。 碱硅酸盐凝胶吸水后进一步 促进碱集料反应的发展, 使混凝土内部膨胀应力增 大, 导致混凝土开裂, 严重的会使混凝土结构崩溃。1940 年美国加利福尼亚的斯坦敦, 首先发现的碱集料反应即属这种反应类型。 碱硅酸反应是迄今对工 程损坏最多、分布最广、研究最多的一种反应类型。能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石、 玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及结晶有缺陷的石 英以及微晶、隐晶石英等, 而这些矿物广泛分布于各种岩石中。112 碱碳酸盐反应1995 年加拿大金斯敦城人行路面发生大面积表 1国内外已发现的碱活性矿物岩石开裂, 怀疑是碱集料反应, 用美国 a stm标准的砂浆棒法和化学法试验, 属于非活性集料。后经研究发现, 该反应是一种与碱硅酸反应不同的反应碱 碳酸盐反应 (此理论由斯文森于 1957 年提出)。碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应完全不同1 。一般的碳酸盐如石灰石和白云石是非活性的, 只有泥质石灰质白云石才会与碱发生碱碳酸盐反 应。在泥质石灰质白云石中含粘土和方解石较多, 碱 与这种碳酸钙镁反应时, 将其中白云石 (m gco 3 ) 转211外观诊断( 1) 碱集料反应所产生的混凝土裂缝与结构钢筋的数量、分布所形成的限制和约束有关3 。钢筋限制、约束作用强的混凝土, 其裂缝往往发生在平行于 约束力的方向, 也就是顺筋方向。 限制、约束作用力 弱或不受约束 ( 无筋或少筋) 的混凝土, 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, 裂缝从网结点 3 岔分开, 在较大的六边形之间还 可再发展出小裂缝。限制、约束作用较均匀的混凝土 部位, 裂缝分布也较均匀。(2) 混凝土的收缩也会出现网状裂缝, 但出现时 间较早, 多在施工后若干天内, 而碱集料反应裂缝出 现较晚, 多在施工后数年至 10 20 年。 收缩裂缝环境愈干燥愈扩大, 而碱集料反应裂缝则随湿度增大 而增大。 由碱集料反应引起的裂缝往往发生在混凝 土断面大、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。( 3) 混凝土工程碱集料反应的产物碱硅凝胶可化为水镁石m g (o h ) 2 ,使干燥的粘土暴露, 这种干燥紧密的粘土吸水膨胀, 引起混凝土内部应力, 导致混凝土开裂。113碱集料反应的条件 混凝土工程发生碱集料反应需 3 个条件: 混凝土的原材料水泥、掺合料、外加剂或水中含碱量高; 集料中有相当数量的活性成分( 有关活性成分见 表 12 ) ; 潮湿环境, 有充分的水分或湿空气供应。2碱集料反应的诊断尽管碱集料反应比较复杂, 但仍有一些基本的 反应特征可循。 笔者在总结国内外碱集料反应研究 成果的基础上, 提出如下诊断方法。岩石活性成份火成岩花岗岩 花岗闪长岩紫苏花岗岩应变石英含量 30%浮石 流纹石 安山石 英安岩 粗面岩 珍珠岩 黑曜岩 火山凝灰岩酸至中性富二氧化硅的火山玻璃体鳞石英玄武岩玉髓、蛋白石变质岩片岩片麻岩应变石英含量 30%石英岩应变石英含量 30% , 燧石含量 5%角页岩 千枚岩 泥板岩页硅酸盐、变石英沉积岩砂岩应变石英、燧石含量 5%硬砂岩页硅酸盐、应变石英燧石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土蛋白质、微晶石英碳酸岩泥质白云石, 页硅酸盐2002 年 第 1 期杨建森: 碱集料反应的诊断与防治 89 顺裂缝渗流出来, 凝胶多半为半透明的乳白色或黄褐色, 在流经裂缝、孔隙的过程中吸收钙、铝、硫等化 合物也可变为茶褐色以至黑色, 流出的凝胶多有较湿润的光泽, 长时间干燥后变为无定形粉状物。( 4) 碱集料反应膨胀可使混凝土结构工程发生 整体变形、移位病象, 如某些长度大的构筑物的伸缩 缝被顶实甚至膨胀, 有的桥梁支点因膨胀增长而错 位, 有的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因膨胀而发生弯曲、扭翘等现象。212 检测诊断2. 2. 1 取芯检验法在混凝土工程现场钻取芯样, 进行有关项目的 检查。 (1) 肉眼或用立体显微镜观察, 再用偏光显微镜观察光薄片, 一般碱集料反应造成的破坏常会损 伤集料颗粒, 裂缝多从集料延伸至浆体。有时还能明 显观察到集料颗粒裂开, 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 不会使集料颗粒受到损伤( 除非使用不抗冻的多孔集料)。因此这就是区分碱集料反应与其他破坏因素的重要特征4 。(2) 依靠电子显微镜加上能谱分析和 x 光衍射分析可以测得集料周围白色胶状物 ( 碱硅酸 凝胶) 的化学成分, 如含有钾、钠元素, 则属碱集料反 应特征。这是发生碱集料反应的直接证明。(3) 芯样 的长期养护与观察。 将芯样置于实验室室温下的潮 湿容器中长期养护和观察。 实验室中芯样裂缝的显 著扩大是碱集料反应破坏作用最有说服力的证据。2. 2. 2 非破损检验法研究表明, 碱集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降低, 其降低率比抗压强度降低率更显著。2. 2. 3留置试块的长龄期观察 如北京的预制构件厂将与每批试件配合比完全相同的混凝土试块存放于恒温、恒湿的实验室中 (一 般约 20, 温度 90% ) 长期养护, 经过 10 20 年的观察, 结果发现有 1/3 的试块开裂严重, 1/3 微开 裂, 1/3 完好。 这些实验室试块的开裂与冰冻、干湿 循环、钢筋锈蚀、化学腐蚀、去冰盐腐蚀等因素无关。 这种排除了其他因素的开裂并继续发展也是碱集料 反应的最直接证明。 大型及重要混凝土工程都应按生产批量和配合比留置长龄期观察的试块。2. 2. 4从混凝土中取出集料鉴定碱活性 一个受损害的工程是否由于碱集料反应引起,关键问题之一还需鉴定集料是否具有碱活性以及水泥的碱含量。但若面对一个龄期超过 20 30 年的混凝土工程, 往往查不到当时所用水泥的准确数据和 采石场集料的资料。 将混凝土的集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, 可以获得重要依据。根据普通混凝土用砂石标准(j gj 53- 92、j gj 52- 92) 的规定, 集料碱活性的鉴 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活性矿物的大约数量。 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。若岩中 含有 s io 2 类活性矿物, 则需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。另外我国对 s io 2 类岩石的碱活性检测方法还有砂石碱活性快速试验方法(c ec s 48- 93)。 在实际工程中要准确地判定碱集料反应的发生与否, 应根据工程混凝土的实际情况和多种影响因 素, 尽可能采用多种方法, 既要有宏观系统的对比考 察, 又要与实验室的试验和微观研究相结合, 以提高 碱集料反应诊断的置信度。3碱集料反应的防治由前所述, 碱集料反应的发生与破坏取决于以 下几个条件: 混凝土中的碱含量, 集料的碱活性程度 和湿度。 因此, 碱集料反应的防治, 最终表现为对其 反应条件的控制。 由于碱集料反应一旦引起混凝土 开裂和破坏, 往往难以阻止其继续发展, 且修补也较费事, 所以碱集料反应的防治应以防为主。3. 1碱集料反应的预防3. 1. 1限制混凝土的含碱量 混凝土中碱的主要来源是水泥, 另一重要来源是含碱量高的混凝土外加剂, 另外是拌合水、集料带入的碱。 因此降低混凝土中碱含量的一个重要措施是 使用低碱水泥, 在各国的标准中均有此项规定, 以含碱量(n a2o % +658k 2o % ) 低于0. 6% 为含碱量安全0.界限。在外加剂的选择上, 我国正在研究和使用不含或少含钾、钠离子的外加剂, 如已生产使用的硝酸钙、亚 硝酸钙等早强型防冻剂。另外, 使用粒径较大的石子和中粗砂, 选用高效减水剂和提高水泥强度等级也能适当降低混凝土碱含量。研究表明, 混凝土的总碱 量控制指标: 对一般工程, 混凝土总碱量应小于 90 公路2002 年 第 1 期3. 0 k g (n a2o 当量) /m 3; 对重大工程, 混凝土总碱量应小于2. 0 k g (n a2o 当量) /m 3。控制水泥和混凝土 安全含碱量是防止碱集料反应的最有效途径。3. 1. 2控制碱活性集料的应用 使用非活性集料对于防止碱集料反应而言是最安全可靠的措施。 但由于活性集料特别是硅质活性 集料分布广泛, 且集料资源亦非“取之不尽”的可再生资源, 随着资源的不断消耗和受工程造价等因素 的影响, 集料的可选择余地愈来愈受限制。 因此, 要想绝对不使用碱活性集料则不太现实, 只有视工程 情况合理地加以控制。 对于接触到水或处在潮湿环 境中的以及重要的混凝土工程, 施工前必须对集料 的碱活性进行检验, 判明所用的集料是否有碱活性, 应严格选用对工程无害的集料。对于一般工程, 如果混凝土含碱量低于 3 k g/m 3 , 可以不做集料的活性 检验; 如果混凝土含碱量高于 3 k g /m 3 , 则应对集料进行活性检测, 如经检测为碱活性集料, 则不能使用, 或经与非活性集料按一定比例混合后, 经试验对 工程无损害时, 方可按试验确定的比例混合使用。3. 1. 3掺加活性掺合料 使用低碱水泥常常受到资源和生产的限制, 采用活性掺合料取代部分高碱水泥是重要的且很有潜 力的措施。掺加活性掺合料可缓解、抑制混凝土的碱集料反应。 常用的这类掺合料有粉煤灰、硅灰、高炉 水 淬矿渣、熟硅藻土和偏高岭土等。 根据各国资混凝土发生碱集料反应, 引起混凝土膨胀开裂,进而使混凝土力学性能及耐久性能下降, 从而使混 凝土失效。为延长这类混凝土的使用年限, 必须进行修补。 修补包括结构和材料两条途径。 混凝土工程 的承载能力、稳定性和整体性只能通过结构的重新 设计, 改变受力体系, 选用一般结构工程的补强加固 技术进行加固。例如, 化学灌浆, 喷射混凝土, 外包混 凝土, 外包钢板、粘贴钢板, 预应力拉杆加固, 预应力撑杆加固等。材料加固是指采用修补材料, 修补混凝 土裂纹, 同时阻止或延缓碱集料反应的进程, 以达到 提高混凝土耐久性, 延长其使用寿命。这里着重介绍几种主要修补材料的性能与应用。 碱集料反应维修材料的研究工作十多年来已受到各国重视, 但至今尚无成熟经验。日本在这方面的 研究工作开展较快, 并取得一定成效。国际上研究并 在工程实践中试用的表面材料主要有 5 类: 树脂 (最 常用的是环氧树脂)、聚合物水泥、有机硅烷、橡胶(常用的氯丁橡胶) 和碳纤维增强塑料。3. 2. 1 环氧树脂这种材料韧性好, 与混凝土的粘结强度大, 但是 环氧树脂仅能填充 25 30 mm 深的表面裂缝, 可填 裂缝的宽度为 012 mm , 不能渗入更小的裂缝。在维 修初期 (1 年之内) 情况一般良好。 但 1 年后又会开 裂。 这主要是由于环氧树脂只能阻止外界水侵入混凝土, 而不能使混凝土中的水蒸发逸出, 而使保留在 混凝土中的水使碱集料反应继续进行, 混凝土进一 步膨胀造成开裂。理论研究和实践证明5 , 环氧树指 不能作为碱集料反应混凝土破坏工程的修补材料。料2, 3, 掺 5% 10% 的硅灰可以有效地抑制碱集料反应。 冰岛自 1979 年以来, 一直在生产水泥时掺5% 7. 5% 的硅灰, 以预防碱集料反应对工程的损 害。 掺加粉煤灰也很有效, 经试验5 , 即使含碱量高的粉煤灰, 取代 30% 水泥, 也可有效地抑制碱集料 反应。如掺用矿渣, 其掺量必须大于 50% , 才能有效 地抑制碱集料反应对工程的损害, 现在英、美、德诸 国对高炉矿渣的推荐掺量均为 50% 以上。3. 1. 4 在混凝土中掺入纤维材料在混凝土中掺入钢纤维、碳纤维等纤维材料, 对 碱集料引起的膨胀有限制、约束作用, 使破坏性的膨 胀转化为预应力的效果, 或认为纤维材料对混凝土 的膨胀、开裂有阻止作用。3. 1. 5 在混凝土中掺用引气剂掺用引气剂使混凝土保持 4% 5% 的含气量, 可容纳一定数量的反应产物, 从而可以缓解碱集料 反应的膨胀压力。3. 2 碱集料反应混凝土的维修聚合物水泥砂浆 (pcm )3. 2. 2以聚合物乳液作为水泥砂浆的韧性剂。 日本常用的聚合物品种为单分子 22乙基已基丙烯酸盐。 pcm 中聚合物与水泥用量之比 (p /c ) 对涂层的粘 结强度、延性以及水和水蒸气渗透能力有很大影响。 pcm 能阻止碱集料反应。当 p /c 较小时, 阻止碱集 料反应的能力更显著, 试验证明 pcm 中 p /c 值取0. 5 为好。3. 2. 3 硅烷浸渍混凝土硅烷是憎水剂, 能阻止水进入混凝土, 又允许混 凝土毛细管中的自由水蒸发, 因而能有效抑制碱集料反应。 试验表明, 分子量为 262 的硅烷效果更佳。硅烷处理混凝土的有效深度是 10 20 cm , 因此它 只能控制离表面 10 20 cm 的湿度。3. 2. 4 l in o 2 或l in o 2 和 pcm 复合2002 年 第 1 期杨建森: 碱集料反应的诊断与防治 91 单一的l in o 2 或 pcm处理的试样其膨胀值相参考文献:近, 都能抑制碱集料反应。 但是l in o 2 浸渍后再用pcm 涂覆, 复合处理的试件效果更佳3 。3. 2. 5碳纤维增强塑料 近年来用碳纤维增强塑料修补混凝土结构工程已臻完善, 并迅速发展, 且设计、施工方法不断创新。意大利不少工业厂房 ( 如双曲薄壳)、桥梁、住宅 ( 混 凝土框架) 采用粘贴碳纤维增强塑料筋带加固进行 试验, 效果明显, 达到原有强度、刚度性能要求。日本在桥梁、桥面和隧道工程中亦有采用碳纤维增强塑 料筋片获得成功的实例。1d eng m , h am s f , l u y n , e t a l. d e te r io ra t io n o fco nc re te st ruc tu re s due to a lk a li- do lom ite reac t io n inc h ina cem en t an co nc re te re sea rch , 1993.刘崇熙, 文梓芸. 混凝土碱集料反应. 广州: 华南理工 大学出版社, 1995.h o bb s d w . a lk a li silica reac t io n in co nc re te. l o ndo n: t hom a s t e lfo rd, 1998.唐明述, 许仲梓, 等. 我国混凝土中的碱集料反应. 建筑科学报, 1998 (1).co nc re te so c ie ty. a lk a li silica reac t io n,m in im izing th e r isk o f dam age to co nc re te. co nc re te so c ie ty t ech n ica l r epo r t n o. 30. co nc re te so c ie ty l o ndo n, 1992.2345d iagn o s is an d preven t ion ofa lka l i-aggrega te reac t ionyan g j ia n - sen(d ep a r tm en t o f c iv il e ng inee r ing, n ingx ia u n ive r sity, y inch uan 750021, c h ina)a bstra c t: t h is p ap e r summ a r ise s th e ca tego ry an d m ech an ism