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浅谈混凝土骨料碱活性反应、判别与防治

时间:2020-04-16 15:57 编辑:中华沙子网 点击量:

半个多世纪以来,在世界各地已发生多起因碱活性骨料反应而导致混凝土工程严重破坏的案例,部分工程因石料存在潜在碱活性反应而不得不放弃运距较近的料场。例如,美国的布克坝建成10年后,发生了较严重的碱活性骨料反应;加拿大魁北克省的博赫尔格依斯水电站建成10余年后,陆续发现坝体因碱活性骨料反应而出现严重的地图状开裂,并导致坝体各部位发生不同程度的位移;向家坝水电站运距较近的三叠系雷口坡组T 2 2 灰岩料场,经试验证明,其中的含泥云质泥晶灰岩、泥质泥晶云灰岩、泥晶云灰岩等,存在碱-碳酸盐活性反应,且不能进行有效抑制,最终不得不放弃。鉴于此,混凝土骨料的碱活性反应问题,已引起国内外工程技术人员的高度重视。

1 碱活性骨料反应及其危害

碱活性骨料指可与水泥或混凝土中的碱离子发生化学反应并产生体积膨胀的骨料。碱活性骨料反应主要包括碱-硅酸及碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应两类。

(1)碱-硅酸反应是指水泥中的碱(K 2 O、Na 2 O)与骨料中的活性SiO 2 反应产生碱硅凝胶。碱硅凝胶不仅固体体积大于反应前的体积,而且具有强烈的吸水性,其吸水膨胀后,在混凝土内部产生膨胀应力,导致混凝土开裂;此外,碱硅凝胶吸水后会进一步促进碱骨料反应的发展,使混凝土内部膨胀应力继续增大,发展严重的会使混凝土结构崩溃。

碱-硅酸盐反应则是水泥中的碱( K2 O、Na2 O)与某些层状硅酸盐骨料反应,使层状硅酸盐层间距离增大,骨料膨胀而造成混凝土膨胀和开裂。

(2)碱-碳酸盐反应的机理与碱-硅酸反应完全不同。在泥质、灰质白云岩中,含黏土和方解石较多,水泥中的碱( K2 O、Na2 O)与骨料中的碳酸钙镁发生反应,将其中的白云石(MgC O3 )转化为水镁石(Mg(OH) 2 ),水镁石晶体排列的压力以及黏土吸水膨胀,均会在混凝土内部产生膨胀应力,导致混凝土开裂。这种破坏在混凝土芯样的表现为:在混凝土中形成与骨料相连的网状裂纹,骨料有时会开裂,其裂纹会延伸到周围的浆体中去,裂纹能延伸到另一颗骨料,有时也会从另一未发生反应的骨料边缘通过。

2 碱活性骨料判别

国内目前现行的各类行业标准或规范,对碱活性骨料的判别和试验,主要参考ASTM的相关规范制定。

2.1 碱活性骨料初判

碱活性骨料初判,主要采用岩相法。详见表1。

表1 常见含碱活性成分的岩石

2.2 碱活性骨料复判

对初判具有潜在碱活性的骨料,需送试验室进行骨料碱活性的复判。

混凝土骨料碱活性试验方法及适用范围与判定标准参见表2。一般而言,应采取多种检测方法相互对照进行综合判定。

表2 混凝土骨料碱活性试验方法适用范围与判定标准

3 骨料碱活性破坏防治措施

3.1 碱-硅酸反应活性骨料

混凝土工程发生碱-硅酸反应破坏必须具备3个条件,一是配制混凝土时由水泥、掺合料、骨料、外加剂和水带进一定数量的碱,或者混凝土处于碱掺入的环境中;二是存在一定数量的碱活性骨料;三是水或潮湿环境,可以提供反应物吸水膨胀时所需的水分。碱( K2 O、Na2 O)是混凝土碱骨料活性反应的内在根源之一,不含碱或碱含量过低,混凝土不会发生碱骨料活性反应破坏。活性骨料是碱骨料活性反应的必须反应物,活性骨料对碱骨料活性反应的影响主要体现在其种类、含量和粒径3个方面,目前已发现的碱-硅酸活性反应主要是由含活性SiO2的骨料引起的。碱骨料活性反应发生膨胀的主要根源在于反应物吸水膨胀,如果混凝土或砂浆中不能提供反应物吸水的条件,即使碱与活性骨料发生了化学反应,反应物也不会膨胀。

基于以上分析,对于碱-硅酸反应活性骨料,通常采用如下方法来抑制其碱活性。

3.1.1 控制水泥含碱量

1941年,美国提出水泥含碱量低于0.6%氧化钠当量(即 Na2 O+0.658 K2 O)为预防发生碱骨料反应的安全界限。虽然有些地区的骨料在水泥含量低于0.4%时仍可发生碱骨料反应对工程的损害,但在一般情况下,水泥含碱量低于0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受,已有20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。加拿大铁路局则规定,不论是否使用活性骨料,铁路工程混凝土一律使用含碱量低于0.6%的低碱水泥。

3.1.2 限制混凝土碱含量

预防碱骨料反应最直接、最有效的技术措施就是降低混凝土内部的碱含量。混凝土中的碱来源于两个方面:一方面是配制混凝土时形成的碱,包括水泥、掺合料、外加剂和混凝土拌合用水中的碱;另一方面是混凝土结构物在使用过程中从周围环境中侵入的碱,如海水、融雪剂等中的碱。因此在降低混凝土内部碱含量时,不仅要限制水泥的碱含量,还要控制混凝土的总含碱量。我国GB175—2007《通用硅酸盐水泥》规定:若使用活性骨料,用户要求提供低碱水泥时,水泥中碱含量不得大于0.6%或由供需双方商定;CECS53—93《混凝土碱含量限值标准》规定:混凝土最大含碱量不大于3kg/m 3 。

3.1.3 采用非活性骨料

为避免碱骨料反应发生,凡可能发生碱骨料反应的工程,在配制混凝土之前,均应检验所使用骨料是否具有碱活性。国家标准JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》对骨料的碱活性检验有明确要求。经碱骨料反应试验后,由所使用骨料制备的试件应无裂缝、酥缝、胶体外溢等现象,在规定的试验龄期内膨胀率应小于0.1%。

3.1.4 掺用低碱粉煤灰

粉煤灰抑制碱-硅酸反应的机理,可概括为粉煤灰对碱的物理稀释以及对Ca(OH) 2 的吸附,使之与火山灰反应减少,甚至消除其间的Ca(OH) 2 与火山灰反应生成的低Ca/Si比产物对碱的吸附、滞留和体系的致密化作用。通过试验证明,掺用25%~35%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰,有显著的抑制碱骨料膨胀破坏的作用,粉煤灰的比表面积越大,效果越明显。

3.1.5 掺入矿物掺合料

矿物掺合料掺入到混凝土中后,可改变混凝土孔隙结构、降低渗透性、有效抑制碱骨料反应的发生,继而提高混凝土结构的耐久性,但矿物掺合料掺量大小应考虑水泥、骨料和外加剂等因素,通过试验确定他们的最佳掺量。掺量过多,会对混凝土早期强度增长有所不利,为施工人员难于接受;掺量太小,则会增加碱骨料反应的破坏作用。实践证明,硅粉掺入量为5%~10%时,混凝土的膨胀量可降低10%~20%;粉煤灰掺入量大于20%、磨细矿渣粉掺入量大于60%时,混凝土的膨胀量可降低75%。

3.1.6 避免潮湿

为防止碱骨料反应的发生,应尽量使混凝土结构处于干燥状态,特别是防止经常遭受干湿交替作用。必要时还可采用防水剂或憎水涂层,改善混凝土的密实度,降低混凝土的渗透性,减少雨水浸入混凝土内部。

3.1.7 掺用引气剂

掺用引气剂,使混凝土具有一定的含气量,可以容纳一定数量的反应物,减轻碱骨料反应的膨胀压力。如在混凝土中引入4%的空气,能使碱骨料反应产生的膨胀量减少40%。

3.1.8 掺用低碱外加剂

化学外加剂中碱含量基本上为可溶盐(如Na 2 SO 4 等中性盐),加入到混凝土后,会与水泥中的水化产物如Ca(OH )2 等发生反应,产生部分OH - 离子,并与留在孔隙溶液中的Na + 、 K+保持电荷平衡。由于含碱盐外加剂能显著增加孔隙溶液中的O H- 离子浓度,进而加速碱骨料反应,因此,无论混凝土是否含有活性骨料,化学外加剂带入的碱不得超过0.13kg/m 3 。

3.1.9 其它措施

采用氢氧化锂溶液对混凝土试件进行浸泡处理后,活性骨料在氢氧化锂溶液中形成片状晶体,有助于消除碱骨料反应危害;这是因为Li + 与吸附在活性骨料表面的 Na+ 、K+交换,抢先形成非膨胀型晶体产物。在混凝土中掺加适量钢纤维,也有助于降低碱骨料反应的危害;钢纤维或其他纤维(如尼纶纤维、腈纶纤维、碳纤维等)的存在虽不能抑制碱骨料反应的进行,但是配制一定数量的纤维,可以提高混凝土的抗拉强度和韧性,并对碱骨料反应所产生的膨胀压力产生分散作用,继而减小因碱骨料反应所引起的破坏作用。

3.2 碱-碳酸盐反应活性骨料

碳酸盐岩产生碱活性反应同样需要具备3个方面的特征,质地纯正的石灰岩、白云岩是没有碱活性的:(1)岩石具有独特结构,即细小的白云石晶体晶粒一般为50μm,分散在更细粒的方解石和黏土矿物基质中;(2)具有特定的矿物组成合成分,即白云石占碳酸盐的40%~60%;(3)含有一定数量的酸不溶残渣,其含量为5%~25%。

目前,国内外对碱-碳酸盐反应活性骨料还没有找到行之有效的抑制方法。

4 结语

(1)随着工程实践中逐渐发生和发现碱活性骨料反应及其破坏,骨料的碱活性问题,已越来越引起国内外工程技术人员的重视。

(2)对碱活性骨料的判定,首先应采取岩相法进行初判,在此基础上进一步进行碱活性复判。

(3)对碱-硅酸反应活性骨料,已有多项措施对其碱活性进行抑制,采用低碱水泥并掺拌一定比例的粉煤灰来抑制骨料的碱活性,是工程中常用的措施之一。目前,对碱-碳酸盐反应活性骨料还没有找到行之有效的抑制方法。质地纯正的石灰岩、白云岩不具有碱活性。