混凝土碱骨料反应
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混凝土碱骨料反应
混凝土碱骨料反应
1940年,Stanton发现California, Bradley的公路AAR破坏
碱－骨料反应(Alkali-aggregate Reaction，AAR)：混凝土中的 碱(Na+、K+、OH-)与具有碱活性的骨料发生的一种膨胀性化 学反应，混凝土的“癌症”。
混凝土碱骨料反应
指孔溶液中的Na+、K+、OH-， 来自水泥、外加剂、环境等。
蛋白石
玉髓
＊取决于骨料中SiO2的结晶程度和混凝土中碱含量
混凝土碱骨料反应
反应机理： 膨胀机理：
吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大 时体积可增长3倍以上，大量凝胶体在混凝土骨料界面区的积聚、 膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。
混凝土碱骨料反应
混凝土碱骨料反应
(3) 潮湿环境
只有在空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境中， AAR破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治AAR破坏的一个有 效措施。
混凝土碱骨料反应
2、影响因素
➢碱含量越高，碱骨料反 应膨胀开裂越严重；
(1) 混凝土中碱含量： ➢硅质集料的活性越高，
其“安全总碱含量”越低；
混凝土碱骨料反应
(2) 碱活性骨料
含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱—碳酸盐反应活性的只 有黏土质白云石质石灰石。充分掌握骨科碱活性的情况，建立碱 活性骨料分布图。
花岗岩
花岗闪长岩
应变石英含量＞ 30％
片岩 片麻岩
应变石英含量＞30％
各
紫苏花岗岩
国 已
浮石
发
流纹石
变 石英岩 质 岩 角页岩
应变石英含量＞30 ％，隧 石含量＞5％
碱—硅酸盐反应的实质仍属碱-硅酸反应。
混凝土碱骨料反应
二、碱一骨料反应发生条件与影响因素
1、发生条件
＊混凝土中含有充足的碱(Na2O与K2O)； ＊骨料中含有碱活性矿物； ＊潮湿环境。
(1) 混凝土中碱含量：当量Na2O(Na2O+0.66K2O) ➢ 来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围
环境。 ➢ 低碱水泥：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。
混凝土碱骨料反应
➢ 发生碱骨料反应的碱含量范围： 高活性的硅质骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3; 中等活性的硅质骨料，大于3.0kg/m3; 碱—碳酸盐反应活性骨料，大于1.0kg/m3。 ➢ 我国标准CECS53:93《混凝土碱含量限制标准》中，提出 了防止碱—硅酸反应的碱含量限值。
混凝土碱骨料反应
混凝土碱骨料反应
AAR 已成为混凝土工程的全球性灾害问题。
混凝土碱骨料反应
一、碱一骨料反应机理
1、碱—硅酸反应
定义：骨料中的活性二氧化硅与碱发生化学反应生成膨胀 性碱硅胶，导致混凝土膨胀性开裂。
指无定形二氧化硅、 隐晶质、微晶质和 玻璃质二氧化硅。 如:蛋白石、玉髓、 隧石、受应力变型 的石英。
混凝土碱骨料反应
2、碱—碳酸盐反应
定义：某些骨料中的碳酸盐矿物与碱发生的化学反应引起 混凝土的地图状开裂。
指白云石与石灰石含量大致
相等，粘土的质量含量约为 5%一20%，白云石颗粒粒径 约在50μm以下且被微晶方解 石和黏土包围。
指孔溶液中的Na+、K+、OH-， 来自水泥、外加剂、环境等。
反应机理：碱与白云石发生反应, 去白云化(dedolomitization)。 CaMg(CO3)2 + 2ROH =Mg(OH)2 + CaCO3 + R2CO3 R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3
混凝土碱骨料反应
3、碱—硅酸盐反应
定义：碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间 距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。
蛇纹石、伊里石、绿泥石、滑心、白云母、黑云母、铁 锂云母、高岭石、微晶高岭石等层状结构的硅酸盐矿物； 很多人反对将这种碱—骨料反应划分为新的一类； 唐明述院士研究表明：这些层状结构硅酸盐矿物自身不 具有碱活性，产生膨胀反应的是其中含有微晶石英或玉髓。
现火 碱成 活岩
安山石 英安岩
酸至中性富二氧 化硅的火山
干枚岩来自百度文库泥板岩
页硅酸盐、变石英
性
粗面岩
玻璃体、鳞
砂岩 应变石英、隧石含量＞5％
矿 物
珍珠岩
黑耀岩
石英
沉 硬砂岩
页硅酸岩、应变石英
积 隧石 微晶石英、玉髓、蛋白石
火山凝灰岩
岩 硅藻土
蛋白石、微晶石英
低硅玄武岩 玉髓、蛋白石
碳酸岩 泥质白云石、页硅酸岩
➢ 一方面，Ｒ+、OH-和水等进入受限制的紧密空间产生膨胀，这些离子之 所以会挤入受限空间发生反应，主要是由于去白云化反应为自由能降低 的过程，ΔG= - 12.18 kJ /mol 。
➢ 另一方面，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。
➢ACR的安 全总碱量远 低于ASR， 更难预防。
混凝土碱骨料反应
(2) 活性骨料含量：
国内外概况
自Stanton之后，美国其它州也相继发现AAR破坏，目前美国有 半数以上州发生了AAR破坏；
加拿大1953年发现首例AAR破坏事例，目前几乎遍及各省地区； 英国自1975 年发现首例AAR 破坏事例，近期调查表明在6000 座
钢筋混凝土桥梁中,有165 座已确信受AAR 的破坏,有303 座被怀 疑为AAR 所破坏； 丹麦早在50年代调查全国431 座混凝土建筑物,其中3/4 的建筑物 遭受了不同程度的AAR 破坏; 法国北部调查了1970 年后建成的860 座桥,受AAR 破坏者为123 座,占14 %； 中国在1990年后相继发现了立交桥、机场、大型预应力混凝土铁 路桥梁和轨枕、工业及民用建筑因AAR 而破坏。
去白云石化反应是一个固相体积减小过程，膨胀破坏如何产生?
混凝土碱骨料反应
膨胀机理：
Gillott认为：白云石晶体中包裹有干燥的黏土，去白云石化反应使菱形 白云石晶体遭受破坏，使黏土暴露出来，黏土吸水膨胀，从而造成破坏 作用。
唐明述院士认为：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是：微晶方解石和网 络状分布的粘土构成了这种岩心的基质，菱形白云石晶体彼此孤立地分 布于其中。
混凝土碱骨料反应
1940年,Stanton发现California, Bradley的公路AAR破坏
碱－骨料反应(Alkali-aggregate Reaction，AAR)：混凝土中的 碱(Na+、K+、OH-)与具有碱活性的骨料发生的一种膨胀性化 学反应，混凝土的“癌症”。
混凝土碱骨料反应
指孔溶液中的Na+、K+、OH-， 来自水泥、外加剂、环境等。
蛋白石
玉髓
＊取决于骨料中SiO2的结晶程度和混凝土中碱含量
混凝土碱骨料反应
反应机理： 膨胀机理：
吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大 时体积可增长3倍以上，大量凝胶体在混凝土骨料界面区的积聚、 膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。
混凝土碱骨料反应
混凝土碱骨料反应
(3) 潮湿环境
只有在空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境中， AAR破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治AAR破坏的一个有 效措施。
混凝土碱骨料反应
2、影响因素
➢碱含量越高，碱骨料反 应膨胀开裂越严重；
(1) 混凝土中碱含量： ➢硅质集料的活性越高，
其“安全总碱含量”越低；
混凝土碱骨料反应
(2) 碱活性骨料
含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱—碳酸盐反应活性的只 有黏土质白云石质石灰石。充分掌握骨科碱活性的情况，建立碱 活性骨料分布图。
花岗岩
花岗闪长岩
应变石英含量＞ 30％
片岩 片麻岩
应变石英含量＞30％
各
紫苏花岗岩
国 已
浮石
发
流纹石
变 石英岩 质 岩 角页岩
应变石英含量＞30 ％，隧 石含量＞5％
碱—硅酸盐反应的实质仍属碱-硅酸反应。
混凝土碱骨料反应
二、碱一骨料反应发生条件与影响因素
1、发生条件
＊混凝土中含有充足的碱(Na2O与K2O)； ＊骨料中含有碱活性矿物； ＊潮湿环境。
(1) 混凝土中碱含量：当量Na2O(Na2O+0.66K2O) ➢ 来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围
环境。 ➢ 低碱水泥：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。
混凝土碱骨料反应
➢ 发生碱骨料反应的碱含量范围： 高活性的硅质骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3; 中等活性的硅质骨料，大于3.0kg/m3; 碱—碳酸盐反应活性骨料，大于1.0kg/m3。 ➢ 我国标准CECS53:93《混凝土碱含量限制标准》中，提出 了防止碱—硅酸反应的碱含量限值。
混凝土碱骨料反应
混凝土碱骨料反应
AAR 已成为混凝土工程的全球性灾害问题。
混凝土碱骨料反应
一、碱一骨料反应机理
1、碱—硅酸反应
定义：骨料中的活性二氧化硅与碱发生化学反应生成膨胀 性碱硅胶，导致混凝土膨胀性开裂。
指无定形二氧化硅、 隐晶质、微晶质和 玻璃质二氧化硅。 如:蛋白石、玉髓、 隧石、受应力变型 的石英。
混凝土碱骨料反应
2、碱—碳酸盐反应
定义：某些骨料中的碳酸盐矿物与碱发生的化学反应引起 混凝土的地图状开裂。
指白云石与石灰石含量大致
相等，粘土的质量含量约为 5%一20%，白云石颗粒粒径 约在50μm以下且被微晶方解 石和黏土包围。
指孔溶液中的Na+、K+、OH-， 来自水泥、外加剂、环境等。
反应机理：碱与白云石发生反应, 去白云化(dedolomitization)。 CaMg(CO3)2 + 2ROH =Mg(OH)2 + CaCO3 + R2CO3 R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3
混凝土碱骨料反应
3、碱—硅酸盐反应
定义：碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间 距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。
蛇纹石、伊里石、绿泥石、滑心、白云母、黑云母、铁 锂云母、高岭石、微晶高岭石等层状结构的硅酸盐矿物； 很多人反对将这种碱—骨料反应划分为新的一类； 唐明述院士研究表明：这些层状结构硅酸盐矿物自身不 具有碱活性，产生膨胀反应的是其中含有微晶石英或玉髓。
现火 碱成 活岩
安山石 英安岩
酸至中性富二氧 化硅的火山
干枚岩来自百度文库泥板岩
页硅酸盐、变石英
性
粗面岩
玻璃体、鳞
砂岩 应变石英、隧石含量＞5％
矿 物
珍珠岩
黑耀岩
石英
沉 硬砂岩
页硅酸岩、应变石英
积 隧石 微晶石英、玉髓、蛋白石
火山凝灰岩
岩 硅藻土
蛋白石、微晶石英
低硅玄武岩 玉髓、蛋白石
碳酸岩 泥质白云石、页硅酸岩
➢ 一方面，Ｒ+、OH-和水等进入受限制的紧密空间产生膨胀，这些离子之 所以会挤入受限空间发生反应，主要是由于去白云化反应为自由能降低 的过程，ΔG= - 12.18 kJ /mol 。
➢ 另一方面，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。
➢ACR的安 全总碱量远 低于ASR， 更难预防。
混凝土碱骨料反应
(2) 活性骨料含量：
国内外概况
自Stanton之后，美国其它州也相继发现AAR破坏，目前美国有 半数以上州发生了AAR破坏；
加拿大1953年发现首例AAR破坏事例，目前几乎遍及各省地区； 英国自1975 年发现首例AAR 破坏事例，近期调查表明在6000 座
钢筋混凝土桥梁中,有165 座已确信受AAR 的破坏,有303 座被怀 疑为AAR 所破坏； 丹麦早在50年代调查全国431 座混凝土建筑物,其中3/4 的建筑物 遭受了不同程度的AAR 破坏; 法国北部调查了1970 年后建成的860 座桥,受AAR 破坏者为123 座,占14 %； 中国在1990年后相继发现了立交桥、机场、大型预应力混凝土铁 路桥梁和轨枕、工业及民用建筑因AAR 而破坏。
去白云石化反应是一个固相体积减小过程，膨胀破坏如何产生?
混凝土碱骨料反应
膨胀机理：
Gillott认为：白云石晶体中包裹有干燥的黏土，去白云石化反应使菱形 白云石晶体遭受破坏，使黏土暴露出来，黏土吸水膨胀，从而造成破坏 作用。
唐明述院士认为：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是：微晶方解石和网 络状分布的粘土构成了这种岩心的基质，菱形白云石晶体彼此孤立地分 布于其中。