chap5 高性能混凝土的性能-耐久性能-2

碳化 Carbonation 碳化机理碳化是指空气中的CO2气体不断透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔道 气相扩散到混凝土内部充水的毛细孔中与其中的孔隙液所溶解的Ca OH 2进行中和反应 生成碳酸盐或其他物质的现象 CO2 H2O H2CO3Ca OH 2 H2CO3 CaCO3 2H2OC2S2H3 3H2CO3 3CaCO3 2SiO2 6H2O 碳化 Carbonation 碳化对混凝土性能的影响 体积收缩不利于钢筋保护有可能提高混凝土强度 刘家峡 甘肃 盐锅峡 甘肃 八盘峡 甘肃 龙羊峡 青海 大量已建工程硫酸盐侵蚀破坏严重 硫酸盐侵蚀 Sulphateattack 硫酸盐侵蚀的类型 原理及影响因素提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的措施 硫酸盐侵蚀 Sulphateattack 硫酸盐侵蚀的类型 物理侵蚀破坏 化学侵蚀破坏 石膏侵蚀钙矾石侵蚀TSA 碳硫硅钙石硫酸盐侵蚀 盐类结晶破坏 化学侵蚀破坏 TSA型 TSA侵蚀的认识过程1965年 Erlin和Stark首次发现thaumasite腐蚀产物 1971 1976间 法国人Lachaud报道69例硫酸盐侵蚀破坏 认为有一半以上是由thaumasite形成引起的 1998年 英国格洛斯特郡10座高速公路桥基础因thaumasite而破坏 TEG ThaumasiteExpertGroup 成立 1999年 TEG提交研究报告 明确提出TSA概念 Thaumasiteformofsulfateattack 2002年6月 第一届Thaumasite和TSA国际会议在英国召开 化学侵蚀破坏 TSA型 碳酸盐 硫酸盐 水共同作用下水泥石中CSH分解形成无强度的thaumasite 混凝土变为无强度的泥 砂混合物与传统的钙矾石或石膏型侵蚀破坏相比 TSA侵蚀并不引起混凝土宏观体积发生明显膨胀 开裂 英国某桥墩基础混凝土因TSA侵蚀成泥浆状 TSA发生的条件 SO42 离子主要来源于含硫地下水及土壤 SiO32 的来源硬化浆体中其主要胶凝物质是CSH 它是形成碳硫硅钙石所需硅酸盐的主要来源 残留的未水化的硅酸三钙和硅酸二钙是次级来源 CO32 的来源大部分来自石灰石质骨料或填料的石灰石 或者来源于水中所溶解的无机碳酸盐及生物碳酸盐 水的来源所有的硫酸盐侵蚀形式都需要水源或非常潮湿的环境条件 混凝土中TSA的发生和发展也是如此 干燥条件可以有效阻止或减缓TSA的发生 温度低温条件 15 不是混凝土发生TSA的必要条件 但低温条件加快了TSA的发生和发展 TSA发生的条件 改变胶凝材料组份 控制C3A和C4AF的含量 能直接减少钙矾石的生成量 而控制C3S的含量 主要是为了减少水化后混凝土中Ca OH 2的含量混合材的掺入 粉煤灰 矿渣等火山灰质混合材的掺入 特别是与抗硫酸盐水泥联合使用时 能显著提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能 防止水分的进入 一方面它是直接参与反应的物质 另一方面水的存在为各种离子的迁移和反应的进行提供一个介质减少硫酸盐 碳酸盐源 提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的措施 青藏铁路工程面临硫酸盐侵蚀的严峻考验 内容概要 AAR的分类和反应机理AAR的发生条件AAR的破坏特征AAR的主要影响因素防止AAR的措施AAR与其它耐久性破坏的协同作用 碱骨料反应 Alkali aggregatereaction 一 碱 集料反应的分类和反应机理 AAR是指混凝土孔溶液中由水泥 含碱外加剂和环境等释放的Na K OH 与集料中的有害矿物发生具有膨胀性化学反应 导致混凝土膨胀和开裂 按有害矿物的种类不同 AAR可以分为碱硅酸反应 ASR 和碱碳酸盐反应 ACR 1碱 硅酸反应 ASR 碱 硅酸反应 ASR 是指混凝土中的碱组分与集料中的某些硅活性组分之间发生的化学反应 其结果导致集料被侵蚀 生成具有膨胀性的产物并导致混凝土结构开裂 其过程包括碱溶液扩散到活性组分 物理过程 碱与活性组分发生化学反应形成ASR凝胶 化学过程 和产物吸水肿胀 物理过程 2碱 碳酸盐反应 ACR 碱 碳酸盐反应 ACR 是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物产生化学反应引起混凝土的地图状开裂 ACR的膨胀机理与ASR是完全不同的 当碱与白云石作用时发生如下的反应 并称之为去白云化 dedolomitization 反应 化学方程式表示为 CaMg CO3 2 2OH Mg OH 2 CaCO3 CO32 在此反应中 反应物的固相体积大于反应产物的固相体积 因此反应本身不可能引起膨胀 但白云石晶体中包裹有干燥的粘土 去白云化反应使菱形白云石晶体遭受破坏 从而使粘土暴露造成能够吸水而膨胀的条件 即去白云石化是膨胀的前提条件 而干粘土吸水是膨胀的本质原因 碱 硅酸盐反应实质上是碱 硅酸反应 而膨胀的快慢决定于石英的晶体尺寸 晶体缺陷以及微晶石英在岩石中的分布状态 当微晶石英分散分布于其它矿物之中 则Na K OH 必须通过更长的通道和受到更大的阻力才能到达活性颗粒表面 从而使反应延缓 二 碱 集料反应的发生条件 不论是ASR还是ACR 必须同理具备三个条件 混凝土中有一定量的碱 必须有相当数量的活性集料 使用环境有足够的湿度 1混凝土中有一定量的碱 配制混凝土时带入的碱外界环境中带入的碱 2必须有相当数量的活性集料 所谓活性二氧化硅一般是指无定形二氧化硅 隐晶质 微晶质和玻璃质二氧化硅 硅质岩石的碱活性主要决定于二氧化硅的结晶度 无定性者活性最大 晶体缺陷越强 则活性越高 RILEM 国际材料与建筑构造研究实验所联合会 标准中根据集料所含活性组分的类型及其含量对其进行分类 集料中含有 或更多的蛋白石类高活性的组分时 集料为活性 集料中不含有蛋白石或类似的高活性组分 并且组成中含有95 以上的被认定为非活性组分时 集料为非活性 集料中含有活性组分 但活性组分的含量介于非活性与活性集料含量之间的集料为潜在碱活性集料 采用光学显微镜可以在一定程度上做出定性的判定 用差示扫描量热计 DSC 测石英573 晶型转变的吸热谷 用正电子湮没测晶体缺陷以及用X 射线上五指峰图形来判定石英的结晶程度 直接实验方法如砂浆棒法 压蒸法等 活性集料的判定方法 3使用环境有足够的湿度 混凝土发生碱 集料反应破坏的第三个条件是空气中相对湿度必须大于80 或者直接与水接触 如果混凝土的原材料具备了发生碱 集料反应的条件 则只要具备高湿度或水直接接触的条件 反应物就会吸水膨胀 使混凝土内部受到膨胀压力 内部膨胀压力大于混凝土自身抗拉强度时 混凝土结构就会破坏 三 碱 集料反应的破坏特征 外观上主要是表面裂缝 变形和渗出物 内部特征主要有内部凝胶 反应环 内部裂缝等 四 主要影响因素 由碱 集料反应的机理得知 影响这一反应的主要因素为水泥的碱含量及集料本身有无反应活性 另外就是孔隙水量 这三要素缺一不可 因此 影响碱 集料反应的因素也均与这三要素相关 1水泥的含碱量 碱 集料反应引起的膨胀值与水泥中的Na2O的当量含量紧密相关 Na2O 0 658K2O 公式中K2O的系数是根据Na2O和K2O的分子量之比确定的 即将K2O换算成等当量的Na2O 因而使它们产生的OH 和阳离子溶液浓度相等 2混凝土的水灰比 水灰比大 混凝土的孔隙度增大 各种离子的扩散及水的移动速度加大 会促进碱 集料反应发生 另一方面 混凝土水灰比大其孔隙量大 又能减少孔隙水中碱液浓度 因而减缓碱 集料反应 在通常的水灰比范围内 随着水灰比减小 碱 集料反应的膨胀量有增大的趋势 在水灰比为0 4时膨胀量最大 3反应性集料的特性 一般 随着反应性集料含量的增加 混凝土的反应膨胀量加大 集料粒度对碱 集料反应也有影响 粒度过大或过小都能使反应膨胀量减小 中间粒度 0 15 0 6mm 的集料引起的膨胀量最大 因为此时反应性集料的总表面积最大 反应性集料的孔隙率对膨胀量有影响 多孔集料能减缓碱 集料反应 4混凝土孔隙率 混凝土的孔隙率能减缓碱 集料反应时胶体吸水产生的膨胀压力 因而随孔隙率增加 反应膨胀量减小 特别是细孔减缓效果更好 因此 加入引气剂能减缓碱 集料反应的膨胀 根据试验 引入4 的空气能使膨胀量减少约40 5环境湿度 虽然在低湿度条件下混凝土孔隙中的碱溶液浓度增大会促进碱 集料反应 但如果环境相对湿度低于85 如果外界不供给水分 就不会发生反应胶体的吸水膨胀 冻融循环 Freezingandthawingcycle 抗冻性是指混凝土在水饱和状态下 能经受多次冻融循环作用而不破坏 同时也不严重降低强度的性能 混凝土抗冻性一般以抗冻等级表示 抗冻等级是采用龄期28 的试块在吸水饱和后 承受反复冻融循环 以抗压强度下降不超过25 而且质量损失不超过 时所能承受的最大冻融循环次数来确定的 混凝土划分为以下抗冻等级 10 F15 F25 F50 F150 F200 F250 F300等九个等级 分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为10 25 25 50 100 150 200 250和300次 冻融循环 Freezingandthawingcycle 冻融循环 Freezingandthawingcycle 混凝土受冻融作用破坏的原因 是混凝土内部的孔隙水在负温下结冰后体积膨胀造成的静水压力 因冷冻水蒸汽压的差别推动未冻水向冻结区的迁移造成的渗透压力 当这两种压力所产生的内应力超过混凝土抗拉强度时 混凝土就会产生裂缝 多