碱—集料反应及其控制方法.ppt

一一座座桥桥何何以以只只有有二二十十年年寿寿命命？拆拆除除前前的的西西直直门门桥桥197919991.2.3.4.建成于建成于1984年年9月月25日，日，水泥用量水泥用量约约300400kg/m3，该桥该桥1984 年建成后在年建成后在80年代末已年代末已发现发现开裂，其后开裂，其后继续发继续发展。盖梁及展。盖梁及桥桥台台开裂特开裂特别严别严重，裂重，裂缝宽缝宽度最度最大已达大已达1.4cm.北京三元立交北京三元立交桥桥原原 因：因：（1）使用的是北京地区具有）使用的是北京地区具有碱活性的碱活性的砾砾石石，粒径，粒径为为0.52cm；（2）在冬季施工在冬季施工时时曾曾掺掺入入5%NaNO2 和和3%Na2SO4(以水泥以水泥质质量量计计)作作为为防防冻剂冻剂及早及早强强剂剂，致使部分混凝土的，致使部分混凝土的碱含量高达碱含量高达15kg/m3。5.19821984 年由北京的构件厂共生年由北京的构件厂共生产产跨度跨度为为2432 m 的的预应预应力混凝土力混凝土铁铁路路桥桥梁梁188孔用于山孔用于山东兖东兖石石(兖兖州至石臼所州至石臼所)线线上，上，水泥用量水泥用量约约500kg/m500kg/m3 3，水灰水灰比比为为0.30.3，强强度非常高。度非常高。顺顺筋开裂筋开裂端部开裂端部开裂山山东兖东兖石石线预应线预应力混凝土力混凝土铁铁路路桥桥1991 年共年共调查调查183 孔其中无裂孔，其中无裂缝缝者者仅仅6 孔，裂孔，裂缝宽缝宽度大于度大于0.2mm，一般在一般在0.20.4 mm 之之间间，最大者达，最大者达0.7 mm。原原 因：因：（1）采用高碱）采用高碱(1.1%1.3%)纯纯硅酸硅酸盐盐水泥，水泥用量水泥，水泥用量约约500kg/m3，混凝土，混凝土的的碱含量碱含量约约6.5kg/m3；（2）集料活性集料活性。6.7.混凝土的耐久性混凝土的耐久性抗碱集料反应性能抗硫酸盐侵蚀性能抗冻融循环破坏性能抗钢筋锈蚀性能抗(水、气)渗透性能抗碱集料反应性能8.19901990年以前我国未年以前我国未发现发现AAR AAR 的工程破坏的工程破坏实实例，因此人例，因此人们认为这们认为这是国外的是国外的问题问题，我国并不存在，但事，我国并不存在，但事实实并非如此，原因有二：并非如此，原因有二：（1 1）我国生）我国生产产大量高碱水泥大量高碱水泥,特特别别是是6060年代后生年代后生产产了大量高了大量高碱碱纯纯硅酸硅酸盐盐水泥。水泥。碱含量最高可达碱含量最高可达1.3%1.3%，特，特别别是在黄河以北，由于是在黄河以北，由于粘土粘土(有有时时是石灰石是石灰石)含碱量高，致使北方地区水泥含碱量多在含碱量高，致使北方地区水泥含碱量多在0.8%0.8%1.0%1.0%以上。以上。（2 2）在）在7070至至8080年代年代为为了加速施工和便于冬季施工，常采用了加速施工和便于冬季施工，常采用NaNONaNO2 2 和和NaNa2 2SOSO4 4为为防防冻剂冻剂和早和早强强剂剂，前者，前者掺掺量可达量可达5%5%，后者可达，后者可达3%3%(以水泥以水泥质质量量计计)。因此当采用高碱水泥。因此当采用高碱水泥时时，混凝土中碱含量可达，混凝土中碱含量可达151520kg/m20kg/m3 3，这远远这远远高于高于3kg/m3kg/m3 3安全碱含量的限安全碱含量的限值值。客。客观观上上为为AARAAR反反应创应创造了条件。造了条件。9.碱集料反碱集料反应应的概念的概念 碱集料反碱集料反应应是是指混凝土中的碱与集料中的某些活性指混凝土中的碱与集料中的某些活性组组分分发发生反生反应应并并产产生异常膨生异常膨胀胀的的现现象，象，简简称称为为AAR。碱集料反碱集料反应应分分为为碱硅酸反碱硅酸反应应（ASR）和和碱碳酸碱碳酸盐盐反反应应（ACR）两两类类。10.集料碱活性集料碱活性 集料分集料分为为活性和非活性两活性和非活性两类类。当集料中含有。当集料中含有硅硅质组质组分或白云分或白云石石时时，混凝土中的碱都将与其，混凝土中的碱都将与其发发生化学反生化学反应应，如果化学反，如果化学反应进应进行行得非常得非常缓缓慢，混凝土不会因此慢，混凝土不会因此产产生异常膨生异常膨胀胀，如反，如反应应快速快速进进行，行，混凝土在短期内就有膨混凝土在短期内就有膨胀胀破坏的可能。破坏的可能。11.硅硅质质集料集料 硅硅质质集料是指集料是指含有一定量含有一定量SiO2矿矿物的岩物的岩浆浆岩、沉岩、沉积积岩和岩和变质变质岩，岩，SiO2可以多种形式存在，可以多种形式存在，蛋白石、玉髓、微晶蛋白石、玉髓、微晶质质石英、石英、隐隐晶晶质质石英、次生石英、石英、次生石英、应变应变石英、中酸性火山玻璃体、中酸性人工石英、中酸性火山玻璃体、中酸性人工玻璃体、玻璃体、鳞鳞石英和方石英石英和方石英；对对于于ASR：集料的碱活性分：集料的碱活性分为为高活性、高活性、一般活性和低活性。一般活性和低活性。蛋白石蛋白石集料属于集料属于高活性集料高活性集料。集料中硅集料中硅质组质组分与碱分与碱发发生生ASR。12.ASR破坏机理破坏机理 碱与活性碱与活性SiO2反反应应，生成碱硅凝胶，生成碱硅凝胶，凝胶吸水凝胶吸水肿胀导肿胀导致混凝土膨致混凝土膨胀胀或开裂。或开裂。Alkali Silica Reaction（ASR）13.碳酸碳酸盐盐集料是以集料是以方解石、白云石或碳酸方解石、白云石或碳酸镁镁等碳酸等碳酸盐组盐组分分为为主主的岩石的岩石，主要，主要为为沉沉积积岩。集料中岩。集料中这这些些组组分与碱分与碱发发生生ACR。岩石中有岩石中有时时也含有一些二氧化硅也含有一些二氧化硅矿矿物，如微晶物，如微晶质质石英、石英、隐隐晶晶质质石英等，此石英等，此时时岩石可称岩石可称为为硅硅质质碳酸碳酸盐盐集料。集料。则则ACR与与ASR会同会同时发时发生。生。对对于于ACR：集料的活性可分：集料的活性可分为为一般活性和低活性一般活性和低活性。碳酸碳酸盐盐集料集料14.ACR破坏机理 碱与集料中的微晶白云石反碱与集料中的微晶白云石反应应生成生成水水镁镁石和方解石，在石和方解石，在白云石表面和周白云石表面和周围围水泥石之水泥石之间间的受限空的受限空间间内内结结晶生晶生长长，使集，使集料膨料膨胀胀，进进而使混凝土膨而使混凝土膨胀胀开裂。开裂。Alkali Carbonate Reaction（ASR）1、AAR定义及分类；2、集料碱活性的检验方法；3、AAR反应条件与判别；4、碱集料反应预防措施。15.集料活性的集料活性的检测检测方法方法 岩相法、化学法、砂岩相法、化学法、砂浆浆棒法和混凝土柱法，其中砂棒法和混凝土柱法，其中砂浆浆棒棒法和混凝土柱法根据所需法和混凝土柱法根据所需时间时间的的长长短又分短又分为为快速快速试验试验方法和方法和常常规实验规实验方法。方法。岩相法（岩相法（结结合合XRD分析）是建分析）是建议议采用的首采用的首选选方法。方法。对对于于ASR，通常采用砂，通常采用砂浆浆棒法（快速法）棒法（快速法）进进行行检测检测；对对于于ACR，通常采用快速混凝土小棒法。，通常采用快速混凝土小棒法。16.17.砂砂浆浆棒法棒法 将集料破碎至一定的尺寸与高碱水泥拌和制将集料破碎至一定的尺寸与高碱水泥拌和制成砂成砂浆试浆试件，在件，在37.8和和100%相相对对湿度湿度条件下，条件下，测测定砂定砂浆浆棒的棒的经时经时膨膨胀胀。认为认为3个月内膨个月内膨胀胀率大率大于等于于等于0.05%的具有潜在的有害活性，的具有潜在的有害活性，6个月内个月内膨膨胀胀率大于等于率大于等于0.1%的是有害集料。的是有害集料。18.（1）混凝土的原材料水泥、）混凝土的原材料水泥、掺掺合料、外加合料、外加剂剂或水中或水中含碱量高含碱量高（如果集料（如果集料为为一般活性，一般活性，碱含量大于碱含量大于3kg/m3；当集料具有高的；当集料具有高的ASR反反应应活性活性时时，碱，碱含量大于含量大于2.1kg/m3；当集料具有一般的；当集料具有一般的ACR反反应应活性活性时时，碱含量大于，碱含量大于1.0kg/m3）；）；（2）集料中有相当数量的活性成分（）集料中有相当数量的活性成分（ASR或或/和和ACR）；）；（3）潮湿）潮湿环环境，有充分的水分或湿空气的供境，有充分的水分或湿空气的供应应（内部湿度低于（内部湿度低于80%时时，AAR会停止；内部湿度低于会停止；内部湿度低于75%时时，AAR无法无法进进行）。行）。碱集料反应的条件19.混凝土中混凝土中AAR的的过过程程缓缓慢，决定了慢，决定了问题问题的复的复杂杂性，它的特征出性，它的特征出现现一般一般经过经过几个月，在很多情况下，几个月，在很多情况下，结结构构经过经过几年使用才能几年使用才能发现发现，并且并且这这种腐种腐蚀蚀的表面特征的的表面特征的发发展与其它展与其它过过程（湿和程（湿和冻冻融、硫酸融、硫酸盐盐侵侵蚀蚀等）引起混凝土的等）引起混凝土的损伤损伤相似。相似。AAR的特征及判别方法20.钢筋锈蚀（2）钢筋锈蚀，承载截面变小。钢筋锈蚀（1）混凝土表面剥落。21.冻融破坏（1）冻融破坏（2）混凝土表面出现缺边、掉角、开裂的现象。混凝土表面龟裂现象。22.硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀混凝土表面有白色的析晶混凝土表面有白色的析晶23.尽管尽管AAR的的过过程比程比较较复复杂杂，但，但现现在已在已经经掌握了掌握了这这一反一反应应的特征和判的特征和判别别方法。方法。AAR的明的明显显迹象是：混凝土迹象是：混凝土结结构表面出构表面出现现网状裂网状裂缝缝或特有的或特有的龟龟裂和裂和纵纵向裂向裂缝缝，以及淤，以及淤积积于混凝土裂于混凝土裂缝缝和空隙中的和空隙中的玻璃状或白色凝玻璃状或白色凝胶胶盐盐析析。混凝土硅混凝土硅质质集料的集料的边缘边缘出出现现白色反白色反应环应环，是，是AAR的典型特性的典型特性之一之一。AAR的综合判定方法24.（1 1）肉眼或用立体）肉眼或用立体显显微微镜观镜观察察,再用偏反光再用偏反光显显微微镜观镜观察光薄片察光薄片.一般一般AAR AAR 造成的造成的破坏常会破坏常会损伤损伤集料集料颗颗粒，裂粒，裂缝缝多从集料延伸至多从集料延伸至浆浆体。有体。有时还时还能明能明显观显观察到集料察到集料颗颗粒裂开，或粒裂开，或边缘边缘被撕裂被撕裂。因冰。因冰冻冻、盐盐腐腐蚀蚀、钢钢筋筋锈蚀锈蚀、化学腐、化学腐蚀蚀、碳化、机械荷、碳化、机械荷载载等不会使集料等不会使集料颗颗粒受到粒受到损伤损伤.这这是区分是区分AARAAR与其他破坏因素。与其他破坏因素。25.（2 2）依靠依靠电电子子显显微微镜镜加上能加上能谱谱分析可以分析可以测测得得碱硅酸碱硅酸盐盐凝胶凝胶的化的化学成分。学成分。这这是是发发生生AAR AAR 的直接的直接证证明。破坏的工程芯明。破坏的工程芯样样中集料含有中集料含有活性二氧化硅（如玉髓等）活性二氧化硅（如玉髓等）,反反应应后后经经能能谱鉴谱鉴定定确确证证碱硅酸碱硅酸盐盐凝胶凝胶的存在。的存在。集料中玉髓集料中玉髓(c)集料能集料能谱谱Si;(d)碱硅酸凝胶碱硅酸凝胶26.预防措施 混凝土混凝土一旦遭受一旦遭受AAR破坏就很破坏就很难难修修补补，也，也难难以阻止破坏以阻止破坏的的进进一步一步发发展展，避免，避免AAR反反应应造成重大危害的造成重大危害的唯一可行唯一可行的的办办法就是采取措施法就是采取措施进进行行预预防。防。对对于于ASR有一些有一些应对应对方法，但方法，但对对于于ACR的破坏一直是一个国的破坏一直是一个国际际上没有解决的上没有解决的问题问题。27.混凝土及其混凝土及其组组成材料的碱以等当量成材料的碱以等当量Na2O（Na2O+K2O）计计算：算：主要来自于：主要来自于：（1）水泥：）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+主要以可主要以可溶性的溶性的盐盐存在，水泥水化后，存在，水泥水化后，这这些离子些离子释释放出来，使混凝土的孔溶液呈碱性。放出来，使混凝土的孔溶液呈碱性。硅酸硅酸盐盐水泥中的碱以其酸溶碱的水泥中的碱以其酸溶碱的100%计计入混凝土的碱含量。入混凝土的碱含量。（2）外加）外加剂剂：由其：由其带带入的碱入的碱按碱含量的按碱含量的100%计计算算。措施之一：控制混凝土的碱含量措施之一：控制混凝土的碱含量28.（3）掺合料（4）集料和拌和水中的碱：全部计入。（5）环境中的碱：全部计入。29.根据集料的活性根据集料的活性类别类别和等和等级级，环环境条件和工程境条件和工程结结构的重要性分构的重要性分别别采取措施，例如采取措施，例如对对于一般活性于一般活性ASR的集料：的集料：30.对对于一般于一般ASR活性的集料，碱含量小于活性的集料，碱含量小于3.5%的粉煤灰的的粉煤灰的掺掺量在量在30%以上以上时时或碱含量小于或碱含量小于1.0%的的矿矿渣在大于渣在大于50%时时能有效抑制能有效抑制ASR。但但对对于于ACR活性集料，粉煤灰、活性集料，粉煤灰矿矿渣和硅灰渣和硅灰难难以防止其以防止其ACR破坏。破坏。对于ACR反应活性集料，具有一定效果。措施之二：使用措施之二：使用掺掺合料合料措施之三：使用措施之三：使用锂盐锂盐措施之四：使用硫措施之四：使用硫铝铝酸酸盐盐水泥水泥1、AAR定义及分类；2、集料碱活性的检验方法；3、AAR反应条件与判别；4、碱集料反应预防措施。31.32.33.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,部分裂缝穿过集料.跑道开裂活性集料山山东潍东潍坊机坊机场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。34.谢谢观看！