1、第7章 混凝土长期(chngq)耐久性,7.3 混凝土碱骨料(lio)反应,Alkali Aggregate Reaction in Concrete（AAR）,第一页，共六十一页。,碱集料反应是影响混凝土耐久性的主要因素之一，它被一些学者称为混凝土的“癌症”。充分掌握(zhngw)集料的碱活性程度对确保大型工程的耐久性具有重大的意义。,7.3.1 概述(i sh),碱集料反应对混凝土建筑物的破坏是在1930年首次发现的。100多年以来，混凝土的碱集料反应已经在世界各地造成了大量混凝土工程的严重破坏。国际混凝土碱集料反应会议（ICAAR）自1974 年首次在丹麦召开以来，已连续召开十三届，并一
2、直受到混凝土领域极大关注。该会议发展为本领域四年一次的学术盛会。会议的主题内容也由最初的工程案例鉴定不断扩展(kuzhn)到与土木结构工程、材料表征、物理、化学、应用矿物学和计算机模拟等专业领域相融合，研究层次更是深化到各尺度的细观研究。,研究历史,第二页，共六十一页。,世界首例美国加州 Ash Creek桥梁AAR破坏(phui)图片,使用(shyng)8年美国某高速公路隔音墙AAR破坏图片,世界(shji),ASR 破坏案例几乎遍及美国所有州（ACR仅5个州），大坝、桥梁、机场、道路以及各种海工构筑物，在交通设施和机场路面尤为严重，仅次于钢筋锈蚀的第二大混凝土病害。,第三页，共六十一页。,
3、美国某些(mu xi)水库的混凝土膨胀率,第四页，共六十一页。,魁北克电力公司的大坝(d b),第五页，共六十一页。,我国,陕西阳平关至安康(nkng)的铁路线上，65个大型预应力钢筋混凝土桥梁，因碱集料反应严重损坏。京广线石家庄154甲号桥103孔，70年建成，2002年开裂破坏换梁，京通、京秦、胶济、京沪、新兖、陇海等线有大量预应力钢筋混凝土桥梁因碱集料反应而损坏。,第六页，共六十一页。,第七页，共六十一页。,定义是水泥、含碱外加剂和环境等释放的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔溶液中，与骨料中的活性矿物(kungw)成分在混凝土硬化后逐渐发生的具有膨胀性的化学反应。反应产物膨胀产生内应力，导
4、致混凝土膨胀和开裂的现象。,反应类型,7.3.2 定义、类型及膨胀(png zhng)机理,第八页，共六十一页。,碱硅反应(fnyng)（Alkali Silica Reaction，ASR）指碱性溶液与骨料中的硅酸类物质发生反应，形成凝胶体。,硅胶吸水膨胀，体积增大3倍，在混凝土中产生较大(jio d)的膨胀压力和渗透压力，使混凝土开裂破坏，破坏处集料周围有反应环。,也有学者认为：硅胶与氢氧化钙(qn yn hu i)及其它水化物中的钙离子反应生成白色不透明的钙硅或碱钙硅混合物。它们吸水膨胀。,第九页，共六十一页。,碱硅反应(fnyng)是迄今分布最广、研究最多的碱骨料反应。,第十页，共六十
5、一页。,日本某桥梁(qioling)混凝土因ASR导致的钢筋脆性断裂,值得关注的是日本学者近年来，无论是的论文(lnwn)还是出席会议代表均居各国之冠，其中有相当比例的年轻学者，显示日本在该领域研究中的持续推动力。,集料(j lio)界面的碱-集料反应物产物,第十一页，共六十一页。,巴西(b x),建于1957年，1982年起开始出现(chxin)ASR破坏，进行混凝土膨胀率调查。,第十二页，共六十一页。,膨胀机理 吸水膨胀机理：二氧化硅与碱溶液反应，通过溶液生成凝胶，浆体内(t ni)大量存在的氢氧化钙晶粒在碱硅溶液作用下转变成为含水的钠钙硅酸盐，它吸水膨胀，固体的体积将有很大的增加，原来氢
6、氧化钙占有的空间不能容纳新增的固体，导致混凝土内部产生大量裂缝、凝胶状反应产物溢出、混凝土体积膨胀。有流水的情况下，硅胶溶出，加剧反应的持续进行。,碱硅反应可分为骨料表面的活性二氧化硅在碱溶液中的溶解(rngji)、化学反应生成硅酸盐凝胶、反应生成物的体积脉胀、进一步反应形成液态溶胶等几个阶段。,第十三页，共六十一页。,第十四页，共六十一页。,渗透压机理：由Hanscn提出的渗透压理论认为：集料周围的水泥水化生成的水泥石起着半渗透膜的作用，碱硅酸反应体系相当于渗透胞，反应产物在胞中产生静水压力，从而(cng r)产生渗透压，造成水泥石膨胀、开裂。,第十五页，共六十一页。,北京(bi jn)三元
7、桥,北京三元桥梁(qioling)的开裂,取样的开裂(ki li)（1991年取出试验室养护）,原 因：（1）使用的是北京地区具有碱活性的砾石，粒径为0.52cm；（2）在冬季施工时曾掺入5%NaNO2 和3%Na2SO4(以水泥质量计)作为防冻剂及早强剂，致使部分混凝土的碱含量高达15kg/m3。,第十六页，共六十一页。,碱碳酸盐集料反应（Alkali-Carbonate Reaction，ACR）定义(dngy)：是指黏土质白云石质石灰石与水泥中的碱发生的反应。机理：,碱硅酸盐反应(fnyng)（Alkali-silicate reaction ASLR）,系由于枚岩、硬砂者、等集料中的层
8、状硅酸盐与NaOH和KOH反应，使混凝土膨胀开裂，其反应过程(guchng)与碱硅反应相同，但反应、膨胀缓慢，集料周围几乎看不到反应环。（有学者认为该种反应与碱硅反应应为一个类型）。,这一反应说明，在混凝土中，在去白云石化反应中消耗掉的碱可以得到再生，直到全部白云石被反应完毕。正因为这样，实际上往往含碱量很低的混凝土也会蒙受相当严重的膨胀祸害。,CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3,第十七页，共六十一页。,去白云石化反应是一个固相体积减小的过程，因此去白云石化反应本身并不引起膨胀。那么混凝土开裂的原因？Gillott发现，去白云石化反应使菱形白云石晶体遭受破坏
9、，使粘土(zhn t)暴露出来，粘土(zhn t)吸水膨胀，从而造成破坏作用。在这个膨胀机制中，干燥黏土吸水是膨胀的本质根源，而去白云石化反应只不过提供了黏土吸水的前提条件。,邓敏、唐明述提出了另一种膨胀机制，认为去白云石化反应生成的水镁石和方解石晶体颗粒细小，这些颗粒间存在大量(dling)孔隙，使固相反应产物的框架体积大于反应物白云石的体积，在限制条件下，固相反应产物的框架体积的增大以及水镁石和方解石晶体生长形成的结晶压，产生膨胀应力。进而使混凝土膨胀开裂。,第十八页，共六十一页。,美国(mi u)丹佛机场除冰盐（醋酸钾+醋酸钠）引起的AAR（ACR）开裂,美国有30家军用机场因使用(sh
10、yng)化冰盐而导致严重AAR 破坏。,显微镜下的ACR,第十九页，共六十一页。,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(phui)。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(podo)开裂,活性集料(j lio),山东潍坊机场,混凝土的碱含量约3.9kg/m3，集料活性，含有微晶白云石晶体。,第二十页，共六十一页。,（1）反应(fnyng)条件,水：空气中的相对湿度必须大于85%，或混凝土直接与水接触就有可能产生碱骨料。活性集料含活性二氧化硅的集料分布较
11、广，包括蛋白石、玉髓、鳞石英(shyng)、方石英(shyng)和隐品、微晶或玻璃质石英(shyng)等，含这类矿物的岩石分布很广，有火成岩、变质岩和沉积岩，如花岗岩、流纹岩、安山岩、珍珠岩、玄武岩、石英(shyng)岩、隧石和硅藻土等。含粘土质白云石质石灰石分布也存在。混凝土中碱,三个必要条件(b yo tio jin)：水（潮湿环境）、混凝土中过量的碱含量（Na2O、K2O）、集料中含有碱性活性矿物组分。,7.3.3 反应条件,第二十一页，共六十一页。,活性集料,（2）活性集料(j lio)来源,第二十二页，共六十一页。,第二十三页，共六十一页。,混凝土中碱,外加剂中碱,混合(hnh)材中
12、碱,水泥(shun)中碱,环境(hunjng)中的碱,骨料中碱,（3）混凝土中碱的来源及含量要求,第二十四页，共六十一页。,混凝土及其组成材料的碱以等当量Na2O（Na2O+0.658K2O）计算：主要来自于：水泥(shun)：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+主要以可溶性的盐存在，水泥水化后，这些离子释放出来，使混凝土的孔溶液呈碱性。硅酸盐水泥中的碱以其酸溶碱的100%计入混凝土的碱含量。外加剂：由其带入的碱按碱含量的100%计算。,1）混凝土中碱的来源(liyun),第二十五页，共六十一页。,掺合料,集料和拌和(bn hu)水中的碱：全部计入。环境中的碱：全部
13、计入。,第二十六页，共六十一页。,一般认为，对于高活性的硅质骨料(如蛋白石)，混凝土的碱含量大于2.1kg/m3时，将发生AAR破坏；对于中等(zhngdng)活性的硅质骨料，混凝土的碱含量大于3.0kg/m3时，将发生AAR破坏；当骨料具有碱碳酸盐反应活性时，混凝土的碱含量大于1.0kg/m3时，就可能发生AAR破坏。,水泥：通常折合成当量Na2O表示(biosh)（R2O），国标规定Na2O 0.6%为低碱水泥。国际公认：用低碱水泥一般不发生AAR。,2）碱含量(hnling)规定,德国、英国、加拿大、日本规定混凝土的碱限值是3.0kg/m3，新西兰和南非则分别是2.5kg/m3和2.1k
14、g/m3。,第二十七页，共六十一页。,我国标准CECS53:93混凝土碱含量(hnling)限制标准中、根据工程的不同环境条件提出了防止碱硅酸反应的碱含量限值，见表。,GB50010混凝土结构设计规范规定的碱含量为3.0kg/m3，但使用(shyng)非活性骨料或一类环境时可不限制。,北京地区规定(gudng)的碱含量为1.0kg/m3。为什么？,JGJ55普通混凝土配合比设计规程规定：对于有预防混凝土碱骨料反应设计要求的工程，混凝土中最大碱含量不应大于3.0kg/m3。,第二十八页，共六十一页。,混凝土含碱量的阈值(y zh),第二十九页，共六十一页。,时间特征：国内外工程破坏的事例表明，碱
15、骨料反应破坏般发生在混凝土浇筑后二、三年或者更长时间，它比混凝土收缩裂缝发生的速度慢，但比其他(qt)耐久性破坏的速度快。,凝胶析出及内部特征：ASR:混凝土透明或淡黄色凝胶析出，ACR:混凝土表面不会有凝胶析出；混凝土会在集料表面产生网状的内部裂缝，在钢筋(gngjn)等约束或外压应力作用下，裂缝会平行于压应力方向成列分布，与外部裂缝相连；有些集料发生碱骨料反应后，会在骨料周围形成一个深色的反应环。,7.3.4 碱集料反应(fnyng)的特征,第三十页，共六十一页。,白色(bis)硅胶,第三十一页，共六十一页。,第三十二页，共六十一页。,膨胀特征：碱集料反应破坏是反应产物的体积膨胀引起的，往
16、往使结构物发生整体位移或变形，如伸缩缝两侧结构物顶撞、桥梁支点膨胀错位、水电大坝坝体升高等；对于两端(lin dun)受约束的结构物，还会发生弯曲、扭翘等现象。,美国(mi u)加州Mugu停机坪路面板错位、裂缝,膨胀错位(cu wi)、位移（英国Val de la Mare坝）,第三十三页，共六十一页。,裂缝特征：对于不受约束和荷载的部位，或约束和荷载较小的部位；碱集料反应破坏一般形成网状裂缝；对于钢筋限制力较大的区域，裂缝常常平行于钢筋方向；在外部(wib)压应力作用下，裂缝也会平行于压应力方向。碱集料反应在开裂的同时，经常出现局部膨胀，使裂缝两侧的混凝土出现高低错位和不平整。,网状裂缝(li fng),第三十四页，共六十一页。,顺筋裂缝(li fng),集料(j lio)开裂,钢筋及裂缝(li fng)方向,第三十五页，共六十一页。,部位特征：碱集料反应破坏的一个明显的特征就是越潮湿的部位反应越强烈(qin li)，膨胀和开裂破坏越明显；对于碱硅酸反应引起的破坏，越潮湿的部位其凝胶析出等特征也越明显。,空气中的相对湿度大于85%，或混凝土直接与水接触就有可能(knng)产生碱骨料
