在役桥梁混凝土碱-集料反应检测.pdf

2 0 1 2 年 第 1 期 【总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a 1 No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL T ECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 1 0 3 8 在役桥梁混凝土碱一 集料反应检测 喻乐华 ，程海根 ，相斌辉 z ( 1 华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心， 江西 南昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 上海先科桥 隧检测加 固工程技术公司 ，上海 2 1 4 0 0 0 ) 摘要： 为寻找在役桥梁结构混凝土出现大量裂缝且周边有些伴随白色 、 黄褐色析出物现象的原因， 对混凝土碱一 集料反应的可能性做 诊断检测。 通过现场观察桥梁混凝土裂缝数量、 分布密度和方向、 宽度及与结构的空间关系等特征 ， 了解渗流物特征和结构变形特征， 钻 取混凝土芯样进行岩相分析、 电子探针分析和分离粗骨料鉴定碱活性。 结果表明桥梁各桥墩以及不同结构部位混凝土裂隙发育差异性明 显； 岩相分析可见碱活性矿物含量很少； 显微结构分析可知混凝土水泥基体发育裂纹或沿着骨料的边缘延伸或止于骨料边界， 粗、 细集料 边缘界线清晰； 电子探针分析骨料周边没有碱成分富聚的迹象； 粗骨料用砂浆长度法测得膨胀率甚小显示其无潜在的碱活性反应危害。 因而得出该工程混凝土没有出现碱一 集料反应的结论。 关键词 ： 混凝 土；碱一 集料反应 ；骨料 ；裂缝 中图分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) O l 一 0 l 1 9 0 4 I ns pe c t i on on a I k a 一 ag gr eg a t e r ea c t i on of c on c r e t e i n s er v an t br i d ge YU Le - h u a ， C HENG Ha i - g e n ， XI ANG Bi n- h u i ( 1 E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e r o f R 1 wa yE n v i r o n me n t a l V i b r a t i o n a n dNo i s e ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， C h i n a ， E a s t C h i n a J i a o - t o n gUn i v e r s i t y ， Na n c h ang 3 3 0 0 1 3 ， Ch i n a ； 2 S h a n g h a i T u n n e l Ya s h c h e n k oB r i d g e S t r e n g t h e n i n g Wo r k s De t e c t i o nT e c h n o l o g yC o ， L t d ， S h ang h a i 2 1 4 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e x p l o r e c a u s e s o f c r a c k e me r g e s in c o n c r e t e o f s e r v a n t b r i d g e ， a l k a l i a g g r e g a t e r e a c t i o n wa s t h o ug h t o n e o f t h e p o s s i b l e c a us e sa ndt h e n c a r r i e d o u t t oi n v e s t i g a t e I n s i t u， c r a c kf e a tur e o fn umb e r ， s c a l e， wi d t h， di s t r i b u t ean d r e l a t i o nwit h s t r u c t u r ewe r ei n s p e c t e d S od i d c h ara c t e r i s t i c o f e d u c t s a l o n g c r a c ks a n d s t r u c t u r a l d e f o r ma t i o n Co n c r e t e c o r e s we r e d r i l l e d f o r p e t r o gra p h y s t u d y， e l e c t r o n - p r o b e mi c r o a n a l y s i s a n d d e t e r m i n e o f a l k a l i a c t i v i t y i n c o a r s e a g gr e g a t e Th e r e s u l t s r e v e a l e d t h a t d i ffe r e n c e o f c rac ks i n v a r i o u s p i e r a n d s t r u c t u r a l p o s i t i o n wa s e v i d e n t Th e r e we r e l e s s mi n e r a l wi t h a l k a l i a c t i v i t y o n p e t r o gr a p h y Ri ms of a g gr e g a t e s we r e c l e ar ， an d c r a c ks i n ma t r i x e s o fc o n c r e t e we re e l o n g a t e d b e s i d e s b o r d e r s o f a g gr e g a t e s o r s t o p p e d t i l 1 b o r d e r s o f a g gre g a t e s T he r e n o i n d i c a t i o n o n a s s e m b l e o f a lka l i c o ns t i t u t e n e a r b o r d e r s o f a g gre g ate s b y e l e c tr o n - p r o b e mi c r o a n a l y s i s C o a r s e a g g r e g a t e wa s i mp l i e d t o b e p o t e n t i a l n u i s anc e l e s s o n a l k a l i a c t i v i t y d u e t o l o we r e x p a n s i b i l i ty me a s ure d b y m e t h od o fJ GJ 5 2 2 0 0 6 F i n a l l y， that wa s c o n c l u d e d tha t t h e r e wa s n o a l k a l i a g gr e g ate r e a c t i o n i n t h e c o nc r e t e o f b r i d g e Ke y wor ds ： c o n c r e t e； a l k a l i a g gre g a t e r e a c t i o n； a g gre g a t e； c r a c k 1工程 概 括 在役桥梁位于内蒙古鄂尔多斯市大( 同) 一 准( 格尔) 铁路线 上五孔混凝土简支梁桥 ， 1 9 9 3年建成后一直承担运输煤炭的主 要任务 ， 近期发现桥梁主要结构部位混凝土出现大量裂缝并有 发展扩大趋势， 其周边有些伴随白色 、 黄褐色析出物。 为确保桥梁铁路运煤的正常运行， 需要先寻找混凝土出现 裂缝等问题的成因， 以其作为桥梁加固改造的依据。 为此 ， 在初 步观察桥梁全部 1 - 6号桥墩、 帽石及垫石等部位混凝土现象后 ， 把检测混凝土碱一 集料反应作为先期的工作展开。 2 碱一 集料反应的常规诊断与鉴定卜 2】 2 1 外观诊 断 2 1 1 裂缝特征 由碱一 集料反应所产生的混凝土裂缝与结构钢筋的数量 、 分布所形成的限制约束有关。 钢筋限制、 约束作用强的混凝土， 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 7 1 3 其裂缝往往发生在平行于约束力的方向。 限制、 约束作用力弱或 不受约束( 无筋或少筋) 的混凝土 ， 其裂缝往往呈网状( 龟背状 或地图形) ， 典型的裂缝网接近六边形 ， 裂缝从网节点三岔分开， 在较大的六边形之间还可再发展出小裂缝。 限制、 约束作用较均 匀的混凝土部位， 裂缝分布也较均匀。 混凝土的收缩也会出现网状裂缝 ， 但出现时间较早， 多在 施工后若干天内， 而碱一 集料反应裂缝则出现较晚， 多在施工后 数年至一二十年。 收缩裂缝环境愈干燥愈扩大， 而碱一 集料反应 裂缝则随湿度增大而增大。 由碱一 集料反应引起的裂缝往往发 生在混凝土断面大、 受雨水或渗水影响、 受太阳照射而引起环 境湿度、 温度变化大的部位。 2 1 2 渗流物特征 混凝土工程碱一 集料反应的产物碱硅凝胶可顺裂缝渗流出 来， 凝胶多半为半透明的乳白色或黄褐色， 在流经裂缝、 孔隙的 过程中吸收钙、 铝、 硫等化合物也可变为茶褐色以至黑色 ， 流出 的凝胶多有较湿润的光泽， 长时间干燥后变为无定形粉状物。 l 1 9 2 1 3 结构变形特征 碱一 集料反应膨胀可使混凝土结构发生整体变形、 移位病象， 如有的桥梁支点因膨胀增长而错位 ， 有的大坝因膨胀导致坝体 升高， 有些横向结构在两端限制的条件下因膨胀而发生弯曲、 扭 翘等现象。 2 2 检 测诊 断 2 2 1 取芯检验法 在混凝土工程现场钻取芯样 ， 进行有关项 目的检查。 ( 1 ) 岩相法 ： 岩相法的基本理论是基于光性矿物学， 具体操 作是把骨料磨制成薄片， 在偏光显微镜下鉴定矿物成分及其含 量 ， 以及矿物结晶程度和结构。 岩相法能判定岩石的种类是属二 氧化硅类， 还是碳酸盐类， 以及是否含有活性矿物及其大约数 量。 岩石活性的大小不仅与活性矿物的品种、 数量有关 ， 还与活 性矿物的形态、 结构 、 尺寸等因素有关。 若岩石中没有活性矿物， 就可判定其为非活性岩石。 若岩石中含有 S i O ： 类活性矿物 ， 则 得进一步用化学法或砂浆长度法进行检测 ， 以判断岩石是否有 潜在危害。 在岩石活性组分为白云石时要用岩石柱法判断其是 否有害。 该方法的试验要点是准确判断蛋白石( 无定形) 、 玉髓 ( 隐晶纤维) 、 和鳞石英( 结晶) 和细粒状泥质白云灰岩的分颗粒 子形态。 该法只能定性而不能定量地评估含碱活性的骨料在混 凝土中引起破坏的程度。 岩相鉴定结果对其后选择合适的检测 方法有重要指导作用， 因而一直作为集料碱活1生 鉴定的首选方法。 一 般碱一 集料反应造成的破坏常会损伤骨料颗粒， 裂缝多从 骨料延伸至浆体。 有时还能明显观察到骨料裂开， 或边缘被撕裂， 这一特征十分重要。 因为冰冻、 盐腐蚀、 化学腐蚀、 碳化、 机械荷 载不会使骨料颗粒受到损伤( 除非使用不抗冻的多孔骨料 ) 。 因 此这是区分碱一 集料反应与其他破坏因素的重要特征。 ( 2 ) 依靠电子显微镜加上能谱分析和x光衍射分析可以测 得骨料周围白色胶状物( 碱硅酸凝胶) 的化学成分， 如含有钾、 钠 元素， 则属碱一 集料反应特征， 这是发生碱一 集料反应的直接证明。 ( 3 ) 芯样的长期养护与观察， 将芯样置于实验室室温下的 潮湿容器中长期养护和观察。 实验室中芯样裂缝的显著扩大是 碱一 集料反应破坏作用最有说服力的证据。 2 2 2 非破损检验法 研究表明， 碱一 集料反应会使工程结构的混凝土回弹值降低； 用超声波仪测得的弹性模量也会降低， 且降低率比抗压强度降 低率更显著。 2 2 _ 3 留置试块的长龄期观察 对于大型及重要混凝土结构， 在实验室内可根据关键结构 部位混凝土生产的批量及配合比适当留置长龄期混凝土试件， 如这些实验室试块发生开裂， 则可以根据养护条件直接排除冰 冻 、 干湿循环、 钢筋锈蚀、 化学腐蚀、 去冰盐腐蚀等因素的影响 ， 这有利于对混凝土是否发生碱一 集料反应展开分析， 同时这种排 除了其他因素的开裂并继续发展的破坏也是碱一 集料反应的最 直接证明。 2 2 4 从混凝土中取出骨料鉴定碱活I生 一 个受损害的工程是否由于碱一 集料反应引起， 关键问题之 一 还需鉴定骨料是否具有碱活性以及水泥的碱含量。 但若面对 一 个龄期超过 2 O 3 O年的混凝土工程 ， 往往查不到当时所用水 泥的准确数据和采石场集料的资料。 可将混凝土的骨料用机械 方法和化学方法( 一般是盐酸溶液处理) 分离并鉴定其碱活性 ， 可以获得重要依据。 根据普通混凝土用砂石标准的规定3 ， 骨料 1 2 0 碱活性的鉴定有 4种方法 ： 岩相法、 化学法、 砂浆长度法及岩石 柱法。 由于碱一 集料发生反应的时间( 在混凝土成型后 8 1 0 d ) 与产 生破坏的时间( 在混凝土成型数年后) 不同， 因此在判定混凝土 是否发生碱一 集料反应时，不可能完全按实际情况进行模拟。 目 前采用的主要方法是快速试验法， 其做法是采用高碱拌合物或 将试样浸入碱溶液以增加碱的浓度； 将试样置于较高的温度环 境如 3 8 、 8 0或采用压蒸处理； 将试样置于高压环境 ； 将试样 置于高湿度或水溶液中； 将骨料破碎成粉末或砂粒状以提高其 比表面积等。 3 本工程碱一 集料反应的诊 断分析方法 3 1 工程现场观察分析桥 梁混凝土宏观现象 调查分析桥梁混凝土裂缝数量、 分布密度和方向、 宽度及与 结构钢筋的空间关系等特征 ， 了解渗流物特征和结构变形特征。 3 2 取混凝土芯样进一步分析 在裂缝较多的桥梁帽石部位钻取混凝土芯样， 进行以下有 关项 目的检查 。 3 2 1 岩相分析 根据 J GJ 5 2 -2 0 0 6 ( 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法 标准 3 _ 中 7 1 5 ( 岩相法 ) ， 在帽石混凝土芯样选择具有粗、 细集 料及其边缘代表性的部位切、 磨成薄片， 用偏光显微镜单偏光、 正交偏光进行岩相分析， 在了解粗、 细集料矿物组成 、 结构构造 等基本情况的基础上， 着重观察、 分析粗、 细集料是否有活性矿 物、 集料边缘部位的矿物组成和结构构造以追踪、 评判混凝土 碱一 集料反应迹象。 3 2 2 电子探针微区结构和成分分析 在光学显微镜岩相分析的基础上 ， 用扫描电子显微镜对具 有代表陛的粗、 细集料及其边缘之矿物组成和形貌、 结构进行更 细致的观察分析， 进一步寻找可能混凝土碱一 集料反应的迹象； 对 于部分矿物组成变异现象等其他可能出现碱一 集料反应的部位， 采 用电子探针对其微区进行化学成分分析， 比较成分差异以判别 可能发生的化学反应， 从而确认混凝土碱 集料反应的可能性。 3 2 3 取出粗骨料采用砂浆长度法鉴定其碱活性 将混凝土的粗骨料用机械方法分离， 根据 J G J 5 2 -2 0 0 6 ( ( 普 通混凝土用砂、 石质量及检验方法标准 四 中7 1 7 ( 砂浆长度法 ) 鉴定粗骨料碱活性 。 4结果及讨论 4 1 现场混凝土宏观现象 全桥 1 6号桥墩中位于桥梁转弯处的2 4号桥墩裂隙发 育程度无论是裂隙数量、 密度及分布范围还是裂缝宽度等方面 明显强于其他桥墩， 显示各桥墩 昆 凝土裂缝破坏的差异性。 裂缝 无 明显 的定 向性。 在承台、 桥墩、 帽石 、 托盘、 垫石 、 跨梁部位的混凝土裂缝也 表现出的差异性 ， 以帽石混凝土裂缝最发育， 托盘 、 垫石 、 跨梁 次之， 承台、 桥墩身几乎未见裂缝。 这些裂缝的集中分布空间与 荷载较大位置比较接近。 2 4号桥墩顺裂缝渗流出来多为半透明的乳 白色或黄褐色 析出物， 局部使混凝土表面剥离约数毫米厚 ， 长时间干燥后变 为无定形粉状物填充或附着在裂缝附近表面， 有明显的沿桥梁 结构混凝土表面顺雨( 渗) 水下流扩散的痕迹。