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混凝土碱骨料反应的危害与防治

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2018/07/16 15:12
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1 概述 

  碱骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应,引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。自1984年首先在房屋建筑中发现,继而在桥梁领域中发现。因碱骨料反应时间较为缓慢,短则几年,长则几十年才能被发现,一旦发生破坏几乎无法修补,素有混凝土“癌症”之称,是近年来遇到的机率逐渐增多的一种病害。 

  2 反应原理 

  碱骨料反应是指混凝土中的碱(K2O、Na2O)与活性骨料(燧石、蛋白石、安山岩等等)之间发生的化学反应。碱骨料反应包括两种主要类型:碱硅酸反应(简称ASR)、碱碳酸反应(ACR)。其中,ACR发生率不高,且发生机理没有达到共识,所以现阶段碱骨料反应一般是指ASR。ASR发生机理在于骨料中含有碱活性的硅质矿物(常温活性二氧化硅),在混凝土硬化后,缓慢的与水泥石孔隙溶液中的纳、钾离子反应,产生碱――硅酸盐凝胶,凝胶吸水后产生膨胀,膨胀压力达到一定程度会使混凝土开裂。ASR破坏一般是在混凝土浇筑两、三年,乃至十几年后发生。 

  3 反应特征 

  碱―骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂,裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关:钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝;钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝,在裂缝处有白色凝胶物渗出。 

  碱骨料反应与其他原因产生的裂缝不同,主要有以下一些特点: 

  ①碱―骨料反应引起混凝土局部膨胀,裂缝的两个边缘出现不平状态(错台);是碱骨料反应裂缝的特有现象; 

  ②碱―骨料反应与环境湿度有关,在同一工程中潮湿部位出现裂缝,而干燥部位却安然无恙,是碱―骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。 

  ③从裂缝出现的时间来判断,碱―骨料反应裂缝出现的时间较晚,多在施工后5~10年内出现,而混凝土收缩裂缝出现的时间较早,一般在施工后若干天内出现。 

  4 发生碱骨料反应条件与预防措施 

  4.1 碱骨料反应条件 

  发生碱骨料反应需要具有三个条件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高;第二是骨料中有相当数量的活性成分;第三是潮湿环境,有充分的水分或湿空气供应。要预防或降低此反应就从这三项源头着手,因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施,使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。 

  4.2 预防措施 

  4.2.1 控制水泥含碱量 

  水泥中碱含量是指原材料中等当量氧化钠的含量,以重量百分率计。等当量氧化钠含量是指氧化钠与0.658氧化钾之和。一般情况下,以水泥碱(Na2O+0.658K2O)含量低于水泥总量的0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限,此标准为自1941年美国提出,已为世界多数国家所接受,并且已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。许多国家如新西兰、英国、日本等国内大部分水泥厂均生产含碱量低于0.6%的水泥。 

  4.2.2 控制混凝土中的含碱量 

  由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥,而且从混合材、外加剂、水,甚至有时从骨料(例如海砂)中来,因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。混凝土中碱含量是以等当量的氧化钠的含量,以kg/m3计。各国制定了不同的碱含量标准,我国根据不同等级结构不同环境做了如下(表1)规定。 

  4.2.3 选择骨料 

  如果混凝土含碱量低于3kg/m3,可以不做骨料活性检验,如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于3kg/m3,则应对骨料进行活性检测。常用的检测方法为岩相法和活性试验法。 

  (1)岩相法:鉴定砂石是否含有可能有活性的矿物,如燧石、蛋白石、安山岩等等。如果没有,则可以确定骨料是非活性的。否则,需要进行活性试验测试。 

  (2)试验测试:即砂浆棒法,水工、铁路均有标准试验方法,采用不同养护温度又分为快速或常规试验。试验将骨料粉碎成砂的粒度,与高碱水泥或外掺氢氧化钠,制成砂浆长条试件,常规试验在40°C潮湿环境养护,测定试件3个月和半年龄期是否有膨胀,根据膨胀量大小确定骨料属于非活性、潜在活性和活性三类。 

  如经检测为活性骨料,则不能使用,或经与非活性骨料按一定比例混合后,经试验对工程无损害时,方可按试验规定的比例混合使用 

  4.2.4 掺混合材 

  掺某些活性混合材(使用矿物掺合料,通常使用的矿物掺合料有硅灰、矿渣、粉煤灰和沸石粉 )可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料,掺S――10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应。 

  4.2.5 隔绝水和湿空气的来源 

  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。 

  4.2.6 使用化学外加剂 

  含碱金属锂的盐类如硝酸锂、氢氧化锂 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。 

  5 总结 

  自1940年发现碱-骨料反应问题以来,世界各国陆续发现很多碱-骨料反应对混凝土工程损坏的实例。我国也开始重视这个世界难题,由于其发病时间较晚,破坏性后也是无法修复的,因此,现阶段的主要措施还是在于预防,从源头上杜绝这中病害的发生,希望在今后的研究中能够得到更多的数据,大大减少碱骨料病害的发生与发展。 

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