碱—硅酸反应对混凝土的危害及预防.doc

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资源描述

1、碱硅酸反应对混凝土的危害及预防李 钊 林 (浙江省杭州市 311203)摘要:本文详细介绍了混凝土碱硅酸反应原理及特征、对混凝土存在的危害,并就预防混凝土工程发生碱骨料反应破坏及应釆取的措施进行了探讨 关键词:混凝土 碱骨料反应 预防措施 1 概述碱硅酸反应是 1940年美国加利福尼亚州公路局的斯坦敦首先发现,引起世界混凝土工程界的重视。我国在 20世纪 80年代首次在建筑、桥梁等建设领域中发现。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。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

2、症”之称,是近年来遇到的机率逐渐增多的一种病害。据专家估计,全世界每年因碱骨料反应而造成的工程损失高达 1500亿美元。随着混凝土高强化的发展趋势,硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥大批量使用,水泥用量不断增加,从而导致单位体积混凝土的碱含量成倍增加,这一切为碱骨料反应创造了“物质基础”。更值得注意的是我国外加剂生产较多釆用以硫酸钠作为水泥混凝土早强剂,而防冻剂则多釆用硝酸钠、亚硝酸钠、碳酸钾等,这些盐类中的可溶性钾、钠离子大大增加了混凝土的总碱量,提高了碱骨料反应发生的机率。2目前预防碱骨料反应现状由于碱骨料反应已构成我国建设领域混凝土工程一大潜在危害,同时吸取了国外许多土建工程因碱骨料反应造成对工

3、程的损害和重建的教训,我国各行业行政主管部门均出台了相应的规范、标准,以确保基础设施建设工程不发生碱骨料反应对工程的损害。特别是水利工程界,从上世纪 50年代起就明确规定凡较大的水利工程所釆用的骨料都要求进行活性检验以及专家论证,并釆用大量混合材的水泥以及在现场掺活性掺合料等措施,这些规定至今仍在水利工程有关规范和标准中沿用。但由于一些工程设计、管理和施工技术人员对碱骨料反应对工程损害的知识缺少系统、深入的了解,对其危害性认识不足,重视度停留在口头和程序上,很少在工程实施过程中釆取有效的预防控制措施,导致增加碱骨料反应对工程损害的潜在危害。3 反应原理及特征碱骨料反应是指混凝土中的碱(K2O、

4、Na2O)与活性骨料之间发生的化学反应。碱硅酸反应(简称 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。碱骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂,裂纹呈网状,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。在同一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征。 4碱骨料反应对

5、混凝土的危害及预防措施4.1碱骨料反应对混凝土的危害碱骨料反应对混凝土的危害性较大,目前也是常见的危害之一。结构混凝土,特别是地下结构等混凝土由于长期或周期性受到水的作用,容易发生碱骨料反应。碱骨料反应表现在外观上主要是混凝土因后期体积膨胀而开裂,混凝土构件发生附加变形。表现在内部结构中则使混凝土强度降低,碳化加快,引起钢筋锈蚀,严重影响结构的耐久性。引起的破坏要化大量的人力、物力、财力来修补或重建,有些损失甚至永远不可弥补。4.2预防措施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

6、气供应。要预防或降低此反应就需从这三项源头着手,因此世界各国都是在配制混凝土时采取相应措施,使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。4.2.1控制水泥碱含量水泥含碱量控制根据现行国家标准通用硅酸盐水泥(GB1752007)的规定及工程结构使用的实际情况,规定了若混凝土中使用碱性活性集料时,水泥的含碱量不应大于 0.6的要求,水泥的碱含量按氯化钠当量计。4.2.2控制混凝土中的碱含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,甚至有时从集料中来,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氯化钠的含量,以 kg/m3计。中国工程建设标准化协会批

7、准的混凝土碱含量限值标准(CECS53)规定:干燥环境,一般工程、重要工程结构不限制,特殊工程结构 3.0 kg/m3;潮湿环境,一般工程结构 3.5 kg/m3,重要工程结构 3.0 kg/m3,特殊工程结构 2.1 kg/m3;含碱环境,一般工程结构 3.0 kg/m3,重要和特殊工程结构釆用非活性集料。4.2.3对骨料选择使用 要做到有效地预防碱骨料反应对混凝土工程的破坏,应先对本地区产的集料进行调研,并根据混凝土质量控制标准(GB501642011)和普通混凝土用砂、石质量及检验方法(JGJ522006)进行碱活性检验。进碱活性检验时,首先应釆用岩相法检验碱活性集料的品种、类型和数量,

8、当检验出骨料中含活性二氧化硅时,应釆用快速砂浆法和砂浆长度法进行碱活性检验;当检验出骨料中含有活性碳酸盐时,应釆用岩石柱法进行碱活性检验。经上述检验,当判定集料存在潜在碱碳酸盐反应危害时,不宜用作混凝土骨料,否则应通过专门的混凝土试验做最后评定;当判定骨料存在潜在碱硅酸反应危害时,应控制混凝土中的碱含量不超过 3.0 kg/m3,或釆用能抑制碱骨料反应的有效措施。如果混凝土含碱量低于 3kg/m3,可以不做集料活性检验,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。4.2,4 掺混合材掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应

9、。根据各国试验资料,掺 510的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应,掺 30的粉煤灰或掺 50的高炉矿渣均可有效地抑制碱硅酸反应对工程的损害。4.2.5 掺用引气剂掺用引气剂可使混凝土具有 45的含气量,可容纳一定数量的反应物,从而可以缓解碱骨料反应后的膨胀压力。4.2.6 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破坏的效果。5.思考与建议5.1骨料碱活性检测方法和标准在工程建设之初可靠的检测骨料碱活性是预防碱骨料反应的关键。我国骨料碱活性检测的方法主要有测长法、化学法、岩相法等几种。测长法为砂浆棒法、混凝土棱柱体法和快速

10、法,均为对特定的测试原件,在特定的温度,碱浓度的溶液中,测定其在特定时间内的膨胀率,是我国目前应用比较普遍的判定骨料碱活性的方法。化学法以骨料在碱性溶液中的反应速度作为判断依据,反映骨料与碱的反应能力,一般认为其对混凝土的破坏能力没有直接的关系。用于评定非活性骨料较合适,但不能准确地评定具有潜在活性的骨料。目前提出的化学法一般都有一定的局限性,每一种方法仅适用于一定的骨料类型。另外化学法易受一些元素的干扰,使评定结果产生较大的误差,现在使用较少。岩相法为岩石学估计法,由有经验的资深岩相学家通过偏光显微镜对样品薄片进行鉴定,依据主要为光性矿物学及 GB/T174121998 岩石命名和分类方案。

11、岩相法主要解决二个方面的问题:一是骨料中有无碱活性组分以及其含量;二是如含有活性组分,描述其分布状态、颗粒大小,确定其属于哪一类型的碱活性组分。由于岩相法的特殊性,只能给出指导性的结论,但是当岩相法认为骨料为非活性时,可以作为最终结果。综观在碱骨料反应对预防方面取得成功的国家和地区,其主要经验之一是这些国家和地区无不重视骨料碱活性检测方的研究和相关标准的制定和更新,我国由于缺少负责或协调研究和制定标准的组织或机构,以及历史原因长期形成的行业隔离,对国内外研究和工程实践的成果和经验,在我国标准中往往不能及时釆纳和更新。建议有关部门结合国内外的研究和工程经验,尽快修订国家标准,同时加强对现行检测方

12、式的研究和评价。5.2碱骨料反应知识的普及国际上预防碱骨料反应的另一经验是在正视该问题的基础上,通过宣传、培训普及相关知识,成立相应机构,一方面在碱骨料反应研究方面统筹规划、协同研究,另一方面组织报告会、学术研讨会、各种碱活性检测方法培训班等普及和加强检测和预防知识。近年来我国工程界对碱骨料反应不可谓不重视,特别是一些大型基础设施建设都规定了相关条款以保证工程不发生碱骨料反应。由于骨料涉及岩石种类的多样性、复杂性和单一检测方法的局限性,往往需要有时甚至必须多种方法综合判定。无论是检测方法的研究验证及其标准化,还是相关知识的普及推广以及不同检测方法或试验技能的培训都非个别单位所能完成,需试验室和工程应用单位的通力合作。建议有关部门成立相应机构,协调组织相关研究、更新和普及相关知识,无疑将会有效促进全国碱骨料反应的研究、预防和交流。6结语目前混凝土碱骨料反应的情况虽不十分广泛和突出,但由于碱骨料反应造成的破坏巨大,已构成我国基础设施建设的一大潜在危害。因此,工程设计、管理和施工技术人员应引起高度重视,通过宣传、培训普及相关知识,釆用科学合理的措施,预防碱骨料反应对工程的损害。参考文献【1】普通混凝土用砂、石质量及检验方法(JGJ522006)【2】混凝土质量控制标准(GB50164-2011) 【3】建筑材料(第三版) 武汉理工大学出版社 高琼英 主编

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