1、混凝土的碱混凝土的碱骨料反应骨料反应 孔凡敏孔凡敏 目 录 一、耐久性及碱骨料反应危害综述 二、碱骨料反应破坏机理 1、碱硅酸反应 2、碱碳酸反应 三、碱骨料反应影响因素 四、碱骨料反应预防措施 五、涉及到的物理化学问题 六、参考文献 混凝土的耐久性破坏 氯离子渗透 碳化 硫酸盐侵蚀 冻融循环 碱骨料反应 碱骨料反应的危害 碱骨料反应的危害较大，常见。英美等国家从40年代开始大量出现。我国自90年代以来也有发现。比如北京的东直门立交桥的破坏，就发现有碱骨料反应。由于一旦发生，无法抑制，被称为混凝土的“癌症”。碱骨料反应的巨大破坏 碱骨料反应机理 碱骨料反应是指混凝土中含有的碱性物质（Na2O+
2、K2O）与 骨料中的某些活性矿物反应生成一种新的生成物，即碱硅络合物，伴随吸水膨胀，导致混凝土开裂。碱硅酸反应 碱碳酸反应 碱硅酸反应机理 碱硅反应是指骨料中的活性二氧化硅与混凝土中的碱反应生成碱硅络合物的反应。活性二氧化硅是一种热力学不稳定的硅，一般是指无定形二氧化硅，隐晶质、微晶质和玻璃质二氧化硅。碱硅酸反应机理 最初由最初由Powers，steinour给出反应的模型给出反应的模型 硅醇的中和反应 SiOH+OH-SiO-+H2O SiO-+Na+Si-ONa（碱硅凝胶）硅氧烷切断反应 SiOSi+2OH-SiO-Si+H2O SiO-+O-Si+2Na+2（Si-ONa）（碱硅凝胶）反
3、应生成碱硅酸凝胶，这种反应在水泥浆和骨料的界面发生，形成一个碱硅胶薄层，然后这种反应向粒子内部进行，凝胶层厚度增大，未反应核同时也会消耗，由于碱硅凝胶吸水膨胀。当这种凝胶生成量超过一定限值时，就会造成混凝土开裂。唐明述对碱硅反应膨胀的总结 由于局部化学反应的结果，生成产物的固相体积大于反应产物的固相体积，引起膨胀应力。生成产物的强烈吸水，既增加了膨胀也加速了反应。反应和吸水的过程就是膨胀的过程，同时，二者相互促进。从热力学角度对肿胀的解释 肿胀是由于体系中溶剂分子的蒸汽压低、自由能小，因此，纯溶剂或稀溶液中的溶剂分子有自发的迁移到这个体系来的趋势。胶体的肿胀只需有溶液即可，甚至可以吸收空气中的
4、水。由于肿胀受到约束，因此产生巨大的膨胀压导致基体的破坏。碱碳酸反应机理 最早由加拿大的swenson发现 粗骨料是白云石灰岩，发生反应使混凝土膨胀开裂。与碱硅酸反应完全不同，混凝土孔溶液中的碱离子（Na+、K+）和骨料中的白云石CaMg（CO3）2之间的反应 去白云化反应 CaMg（CO3）2+2MOH Ca CO3+MgCO3+M2CO3 M2CO3+Ca（OH）2 2MOH+Ca CO3 Gillott解释的反应机理 反应物的固相体积大于反应产物的固相体积，因此反应本身不可能引起膨胀。他发现白云石晶体中包裹有干燥的粘土，上述的去白云化反应使白云石晶体遭受破坏，从而使粘土暴露造成能够吸收膨
5、胀的条件。而干粘土吸水是造成膨胀的主要原因而干粘土吸水是造成膨胀的主要原因。唐明述的机理解释 膨胀主要是由局部化学反应和结晶压引起膨胀主要是由局部化学反应和结晶压引起 通过岩相和STEM观察和试验，白云石晶体的分散分布并镶嵌在紧密包裹的基质之中，其间没有剩余的空间允许其他的离子进入。当Na+、K+、OH-和水进入被基质包裹的限制空间就必然会引起膨胀。再加以形成的方解石、水镁石晶体生长的结晶压就进一步产生了膨胀压力 该机理的热力学解释 上述反应之所以会发生，主要是由于上述反应实质上从化学热力学分析为自由能降低的过程。上述反应式写成离子反应式为 CaMg（CO3）2+2OH-Ca CO3+Mg（O
6、H）2+CO32-可算得自由能的变化为G=-12.8KJ/mol，G0，所以此反应为自发过程。碱骨料反应的影响因素 活性骨料含量 水泥的碱含量 即使碱含量低于0.6%，但若碱活性骨料相应减少，也会引起很大的膨胀。活性骨料粒度减小时，一般会增加膨胀值，但当所有骨料全磨细到53m时，则无论其含碱量多少，都不会膨胀。环境湿度 反应温度 活性骨料量对膨胀值的影响活性骨料量对膨胀值的影响 水泥含碱量对膨胀的影响规律相似，当活性骨料含量和粒度相同时，存在一个最优碱含量使膨胀最低。砂中蛋白石含量不同时水泥的安全含碱量 项目 砂中蛋白石含量（%）无膨胀的最大碱含量（%）膨胀0.1%的碱含量（%）1 1 0.1
7、5 0.19 2 2 0.25 0.30 3 5 0.35 0.65 D.O.Woolf的研究证明，当活性骨料较少时，碱含量0.19%也会引起很大的膨胀。相对湿度对碱骨料反应膨胀的影响 反应温度对碱骨料反应膨胀的影响 碱骨料反应的抑制措施 使用非活性骨料 控制混凝土碱含量 控制混凝土湿度 使用矿物掺合料 使用化学外加剂 使用非活性骨料 最安全可靠的措施 目前对评定骨料碱活性特别是慢膨胀骨料潜在碱活性尚无绝对可靠的方法 我国碱活性骨料分布广泛，活性骨料的使用在所难免 控制混凝土碱含量 通常认为混凝土碱含量低于3 kg/m3，混凝土孔溶液中的Na+、K+、OH-浓度便低于临界值，AAR难于发生或发
8、生较轻 美国、英国、日本等国家，都曾广泛使用碱含量低于0.6%的低碱水泥以降低碱骨料反应 北京的地铁工程也规定使用碱含量低于0.6%的水泥。控制混凝土湿度 水是碱骨料反应发生的必要条件，因此隔绝水源很重要。有时难以实现 使用矿物掺合料 机理 混合材对ASR的抑制作用主要表现在对混凝土中碱和 Ca（OH）2的作用，可概括为对碱的物理稀释、吸附、与Ca（OH）2的火山灰反应，减少甚至消除体系中的 Ca（OH）2，以及火山灰反应生成的低钙硅比的产物对碱的吸附、滞留、和对体系的致密化作用等。混合材的掺量需要一定的限值才可见效 一般推荐的掺量为粉煤灰30%以上，磨细矿渣粉50%以上，硅粉10%以上，才能
9、有效的抑制碱骨料反应。此种方法对ACR的抑制作用不大。使用化学外加剂 是抑制碱骨料反应的有效措施 常用的化学外加剂有锂盐、钙盐等 涉及到的物理化学问题 肿胀吸水时用到蒸汽压和自由能理论 反应自由能小于零，反应为自发过程。参考文献 1.冯乃谦，邢峰，混凝土与混凝土结构的耐久性 2.唐明述，碱集料反应破坏的典型事例 3.POWERRS T C,STEINOUR H H An interpretation of some published research on alkali affregate reaction,part The chemical reactions and mechanism
10、of expansion.4.唐明述，薛万荣，关于碱骨料反应的几个问题 5.Swenson E G A reative aggregate undected by ASTM tests.6.Gillott J E Mechanism and kinetics of expansion in the alkali-carbonate rock reaction 7.唐明述，碱硅酸反应和碱碳酸反应 8.Likefei,Durability of engineering materials and structures.9.D.O.Woolf,Public Road,27 10.卢都友，许仲梓，吕亿农等 集料ASR活性检测方法评定。11.唐明述，世界各国碱集料反应及动向。12.曹杨，周敏等，C-S-H凝胶产物的Ca/Si比对碱骨料反应的影响。13.冯乃谦，邢峰，混凝土与混凝土结构的耐久性 14.莫祥银，许仲梓，锂盐抑制ASR的长期有效性研究。15.莫祥银，许仲梓，高温下锂化合物抑制ASR的研究。16.莫祥银，许仲梓，抑制ASR新型外加剂的研究。17.Mccoy W J,Caldwell A G,New approach to inhabiting alkai-aggregate expansiaon.18.莫祥银，化学外加剂抑制碱硅酸反应的长期有效性和机理。谢 谢！