第七章--混凝土耐久性3(碱骨料反应)-2013.ppt

1、第7章 混凝土长期耐久性,7.3 混凝土碱骨料反应,Alkali Aggregate Reaction in Concrete（AAR）,碱集料反应是影响混凝土耐久性的主要因素之一，它被一些学者称为混凝土的“癌症”。充分掌握集料的碱活性程度对确保大型工程的耐久性具有重大的意义。,7.3.1 概述,碱集料反应对混凝土建筑物的破坏是在1930年首次发现的。100多年以来，混凝土的碱集料反应已经在世界各地造成了大量混凝土工程的严重破坏。 国际混凝土碱集料反应会议（ICAAR）自1974 年首次在丹麦召开以来，已连续召开十三届，并一直受到混凝土领域极大关注。该会议发展为本领域四年一次的学术盛会。会议的

2、主题内容也由最初的工程案例鉴定不断扩展到与土木结构工程、材料表征、物理、化学、应用矿物学和计算机模拟等专业领域相融合，研究层次更是深化到各尺度的细观研究。,研究历史,世界首例美国加州 Ash Creek桥梁AAR破坏图片,使用8年美国某高速公路隔音墙AAR破坏图片,世界,ASR 破坏案例几乎遍及美国所有州（ACR仅5个州），大坝、桥梁、机场、道路以及各种海工构筑物，在交通设施和机场路面尤为严重，仅次于钢筋锈蚀的第二大混凝土病害。,美国某些水库的混凝土膨胀率,魁北克电力公司的大坝,我国,陕西阳平关至安康的铁路线上，65个大型预应力钢筋混凝土桥梁，因碱集料反应严重损坏。 京广线石家庄154甲号桥1

3、03孔，70年建成，2002年开裂破坏换梁，京通、京秦、胶济、京沪、新兖、陇海等线有大量预应力钢筋混凝土桥梁因碱集料反应而损坏。,定义是水泥、含碱外加剂和环境等释放的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔溶液中，与骨料中的活性矿物成分在混凝土硬化后逐渐发生的具有膨胀性的化学反应。反应产物膨胀产生内应力，导致混凝土膨胀和开裂的现象。,反应类型,7.3.2 定义、类型及膨胀机理,碱硅反应（Alkali Silica Reaction，ASR）指碱性溶液与骨料中的硅酸类物质发生反应，形成凝胶体。,硅胶吸水膨胀，体积增大3倍，在混凝土中产生较大的膨胀压力和渗透压力，使混凝土开裂破坏，破坏处集料周围有反应环。,

4、也有学者认为：硅胶与氢氧化钙及其它水化物中的钙离子反应生成白色不透明的钙硅或碱钙硅混合物。它们吸水膨胀。,碱硅反应是迄今分布最广、研究最多的碱骨料反应。,日本某桥梁混凝土因ASR导致的钢筋脆性断裂,值得关注的是日本学者近年来，无论是的论文还是出席会议代表均居各国之冠，其中有相当比例的年轻学者，显示日本在该领域研究中的持续推动力。,集料界面的碱-集料反应物产物,巴西,建于1957年，1982年起 开始出现ASR破坏，进 行混凝土膨胀率调查。,膨胀机理 吸水膨胀机理： 二氧化硅与碱溶液反应，通过溶液生成凝胶，浆体内大量存在的氢氧化钙晶粒在碱硅溶液作用下转变成为含水的钠钙硅酸盐，它吸水膨胀，固体的体

5、积将有很大的增加，原来氢氧化钙占有的空间不能容纳新增的固体，导致混凝土内部产生大量裂缝、凝胶状反应产物溢出、混凝土体积膨胀。 有流水的情况下，硅胶溶出，加剧反应的持续进行。,碱硅反应可分为骨料表面的活性二氧化硅在碱溶液中的溶解、化学反应生成硅酸盐凝胶、反应生成物的体积脉胀、进一步反应形成液态溶胶等几个阶段。,渗透压机理： 由Hanscn提出的渗透压理论认为：集料周围的水泥水化生成的水泥石起着半渗透膜的作用，碱硅酸反应体系相当于渗透胞，反应产物在胞中产生静水压力，从而产生渗透压，造成水泥石膨胀、开裂。,北京三元桥,北京三元桥梁的开裂,取样的开裂（1991年取出试验室养护）,原 因： （1）使用的

6、是北京地区具有碱活性的砾石，粒径为0.52cm； （2） 在冬季施工时曾掺入5%NaNO2 和3 %Na2SO4 (以水泥质量计) 作为防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的碱含量高达15kg/m3。,碱碳酸盐集料反应（Alkali-Carbonate Reaction，ACR） 定义：是指黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。 机理：,碱硅酸盐反应（Alkali-silicate reaction ASLR）,系由于枚岩、硬砂者、等集料中的层状硅酸盐与NaOH和KOH反应，使混凝土膨胀开裂，其反应过程与碱硅反应相同，但反应、膨胀缓慢，集料周围几乎看不到反应环。（有学者认为该种反应与碱硅反应应

7、为一个类型）。,这一反应说明，在混凝土中，在去白云石化反应中消耗掉的碱可以得到再生，直到全部白云石被反应完毕。正因为这样，实际上往往含碱量很低的混凝土也会蒙受相当严重的膨胀祸害。,CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3,去白云石化反应是一个固相体积减小的过程，因此去白 云石化反应本身并不引起膨胀。那么混凝土开裂的原因？ Gillott发现，去白云石化反应使菱形白云石晶体遭受破坏，使 粘土暴露出来，粘土吸水膨胀，从而造成破坏作用。在这个膨 胀机制中，干燥黏土吸水是膨胀的本质根源，而去白云石化反 应只不过提供了黏土吸水的前提条件。,邓敏、唐明述提出了另一种膨胀机制，

8、认为去白云石化反应生成的水镁石和方解石晶体颗粒细小，这些颗粒间存在大量孔隙，使固相反应产物的框架体积大于反应物白云石的体积，在限制条件下，固相反应产物的框架体积的增大以及水镁石和方解石晶体生长形成的结晶压，产生膨胀应力。进而使混凝土膨胀开裂。,美国丹佛机场除冰盐（醋酸钾+醋酸钠） 引起的AAR（ACR）开裂,美国有30家军用机场因使用化冰盐而导致严重AAR 破坏。,显微镜下的ACR,山东潍坊机场建于1984 年，90 年代初调查，开裂的跑道达33. 3 %。实验室仔细鉴定证明该机场主要为碱碳酸盐反应引起的破坏。所取20 cm 40 cm 的混凝土芯样表明，从表面深至底部全部开裂，部分裂缝穿过集

9、料。,跑道开裂,活性集料,山东潍坊机场,混凝土的碱含量约3.9kg/m3，集料活性，含有微晶白云石晶体。,（1） 反应条件,水：空气中的相对湿度必须大于85%， 或混凝土直接与水接触就有可能产生碱骨料。 活性集料 含活性二氧化硅的集料分布较广，包括蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英和隐品、微晶或玻璃质石英等，含这类矿物的岩石分布很广，有火成岩、变质岩和沉积岩，如花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、玄武岩、石英岩、隧石和硅藻土等。含粘土质白云石质石灰石分布也存在。 混凝土中碱,三个必要条件：水（潮湿环境）、混凝土中过量的碱含量（ Na2O、K2O ）、集料中含有碱性活性矿物组分。,7.3.3 反应条件,活

10、性集料,（2）活性集料来源,混凝土中碱,外加剂中碱,混合材中碱,水泥中碱,环境中的碱,骨料中碱,（3）混凝土中碱的来源及含量要求,混凝土及其组成材料的碱以等当量Na2O（Na2O+0.658K2O）计算： 主要来自于： 水泥： 因水泥用量大，水泥中的碱是混凝土碱的主要来源，其中的K+、Na+主要以可溶性的盐存在，水泥水化后，这些离子释放出来，使混凝土的孔溶液呈碱性。硅酸盐水泥中的碱以其酸溶碱的100%计入混凝土的碱含量。 外加剂：由其带入的碱按碱含量的100%计算。,1）混凝土中碱的来源,掺合料,集料和拌和水中的碱：全部计入。 环境中的碱：全部计入。,一般认为，对于高活性的硅质骨料(如蛋白石)

11、，混凝土的碱含量大于2.1kg/m3时，将发生AAR破坏；对于中等活性的硅质骨料，混凝土的碱含量大于3.0kg/m3时，将发生AAR破坏；当骨料具有碱碳酸盐反应活性时，混凝土的碱含量大于 1.0kg/m3时，就可能发生AAR破坏。,水泥：通常折合成当量Na2O表示（ R2O） ，国标规定Na2O 0.6%为低碱水泥。国际公认：用低碱水泥一般不发生AAR。,2）碱含量规定,德国、英国、加拿大、日本规定混凝土的碱限值是3.0kg/m3，新西兰和南非则分别是2.5kg/m3和2.1kg/m3。,我国标准CECS53:93混凝土碱含量限制标准中、根据工程的不同环境条件提出了防止碱硅酸反应的碱含量限值，

12、见表。,GB50010混凝土结构设计规范规定的碱含量为3.0kg/m3，但使用非活性骨料或一类环境时可不限制 。,北京地区规定的碱含量为1.0kg/m3。为什么？,JGJ55普通混凝土配合比设计规程规定：对于有预防混凝 土碱骨料反应设计要求的工程，混凝土中最大碱含量不应大于 3.0kg/m3。,混凝土含碱量的阈值,时间特征：国内外工程破坏的事例表明，碱骨料反应破坏般发生在混凝土浇筑后二、三年或者更长时间，它比混凝土收缩裂缝发生的速度慢，但比其他耐久性破坏的速度快。,凝胶析出及内部特征：ASR:混凝土透明或淡黄色凝胶析出，ACR:混凝土表面不会有凝胶析出；混凝土会在集料表面产生网状的内部裂缝，在

13、钢筋等约束或外压应力作用下，裂缝会平行于压应力方向成列分布，与外部裂缝相连；有些集料发生碱骨料反应后，会在骨料周围形成一个深色的反应环。,7.3.4 碱集料反应的特征,白色 硅胶,膨胀特征：碱集料反应破坏是反应产物的体积膨胀引起的，往往使结构物发生整体位移或变形，如伸缩缝两侧结构物顶撞、桥梁支点膨胀错位、水电大坝坝体升高等；对于两端受约束的结构物，还会发生弯曲、扭翘等现象。,美国加州Mugu停机坪路面板错位、裂缝,膨胀错位、位移（英国Val de la Mare坝）,裂缝特征：对于不受约束和荷载的部位，或约束和荷载较小的部位；碱集料反应破坏一般形成网状裂缝；对于钢筋限制力较大的区域，裂缝常常平

14、行于钢筋方向；在外部压应力作用下，裂缝也会平行于压应力方向。碱集料反应在开裂的同时，经常出现局部膨胀，使裂缝两侧的混凝土出现高低错位和不平整。,网状裂缝,顺筋裂缝,集料开裂,钢筋及裂缝方向,部位特征：碱集料反应破坏的一个明显的特征就是越潮湿的部位反应越强烈，膨胀和开裂破坏越明显；对于碱硅酸反应引起的破坏，越潮湿的部位其凝胶析出等特征也越明显。,空气中的相对湿度大于85%， 或混凝土直接与水接触就有可能产生碱骨料。,7.3.5 碱集料反应的影响因素及预防措施 （1）影响因素 活性二氧化硅与碱含量的关系,北京地区常见岩石碱活性检定表,碱含量,混凝土中的碱含量与其膨胀的关系,反应性集料的特性,随着反

15、应性集料含量的增加，混凝土的反应膨胀量加大； 集料粒度：粒度过大或过小都能使反应膨胀量减小，中间粒度（0.150.6mm）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。,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1%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。

16、,水胶比,水胶比大，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，混凝土水胶比大其孔隙量大，又能减少孔隙水中碱液浓度，因而减缓碱-集料反应。,掺合料,硅灰掺量对碱骨料膨胀率的影响,粉煤灰对混凝土膨胀率的影响,time(m),化学掺加剂,环境相对湿度,混凝土表面涂层,（2）碱-集料反应的预防措施,选用掺加混合材料的水泥 在拌制混凝土时掺加质量较好的粉煤灰或其他混合材料 限制或禁止钠盐外加剂的使用 适当降低水灰比 使用非活性集料 控制混凝土总碱量：水泥含碱量（R2O0.6%），以混凝土的体积为基础，R2O 3kg/m3，但控制碱含量并不能有效抑制碱碳酸盐

17、反应，故需杜绝使用含活性碳酸盐骨料。 掺加引气剂 在混凝土表面涂层等。,对于一般ASR活性的集料，碱含量小于3.5%的粉煤灰的掺量在30%以上时或碱含量小于1.0%的矿渣在大于50%时能有效抑制ASR。但对于ACR活性集料，粉煤灰、矿渣和硅灰难以防止其ACR破坏。,（1）检验方法 岩相法：岩相法一直是作为骨料碱活性鉴定的首选方法，其缺点是得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系 化学方法：,砂浆棒法：ASTM C227-71，集料与含1%R2O水泥混合制成砂浆，14d的砂浆膨胀率小于0.1%，则骨科是无害的，膨胀率大于0.2%，则表明骨料具有潜在碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料。,

18、7.3.6 检验方法及判定,砼棱柱法：3105kg/m3，sl=8010mm的混凝土试件（75mm75mm350mm），在相对湿度95%以上的条件下测量试件长度变化.如试件1年龄期的膨胀率等于或超过0.04%，则骨料判定为具有潜在活性，膨胀率小于0.04%时，则判定为非活性骨料,（2）AAR的综合判定方法,尽管AAR的过程比较复杂，但现在已经掌握了这一反应的特征和判别方法。AAR的明显迹象是：混凝土结构表面出现网状裂缝或特有的龟裂和纵向裂缝，以及淤积于混凝土裂缝和空隙中的玻璃状或白色凝胶盐析。混凝土硅质集料的边缘出现白色反应环，是AAR的典型特性之一。,1）肉眼或用立体显微镜观察, 再用偏反光

19、显微镜观察光薄片. 一般AAR 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。因冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀、化学腐蚀、碳化、机械荷载等不会使集料颗粒受到损伤。这是区分AAR与其他破坏因素。,2）依靠电子显微镜加上能谱分析可以测得碱硅酸盐凝胶的化学成分。这是发生AAR 的直接证明。破坏的工程芯样中集料含有活性二氧化硅（如玉髓等），反应后经能谱鉴定确证碱硅酸盐凝胶的存在。,集料中玉髓,(c) 集料能谱Si ; (d) 碱硅酸凝胶,西直门原老桥 在1999年春拆除前留影,7.3.7 案例分析,显微镜下的碱硅胶,加拿大Mactaquac水电站（不哈罗水电站）,加拿大