混凝土的碱骨料反应抑制措施及实际应用

混凝土的碱骨料反应抑制措施及实际应用
温祖国(广东水电二局股份有限公司　广东增城　515400)
【摘　要】碱骨料反应(AAR)是造成混凝土结构破坏失效的重要原因之一,随着我国重大水利水电工程的持续大规模发展,延长工程寿命已成为迫切需要解决的问题。

阐述混凝土骨料的碱活性对混凝土结构的危害及抑制措施,并结合中易水倒虹吸工程实例介绍水工混凝土预防AAR破坏采取的有效抑制措施。

表1个。

【关键词】混凝土　碱骨料反应　抑制措施
1　混凝土的碱骨料反应简介
111　混凝土的碱骨料反应破坏特征
碱骨料反应(AAR)是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应,在混凝土浇筑成型后若干年(数年至二三十年)逐渐反应,反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力,膨胀开裂。

混凝土的碱骨料反应可分为:碱硅酸盐反应(ASR)和碱碳酸盐反应(ACR)。

活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布,发生碱骨料反应时,混凝土内各部分均产生膨胀应力,将混凝土自身胀裂,其现场最主要的特征是表面开裂,裂纹呈网状(龟背纹)。

碱—硅酸反应生成的碱—硅酸凝胶有时会顺裂缝渗到混凝土表面,新鲜的凝胶呈透明或浅黄色,外观类似于树脂状。

脱水后凝胶变成白色,凝胶在流经的过程中,吸收了钙铝硫等化合物后变成茶褐色到黑色。

ASR的膨胀是碱硅酸凝胶吸水引起的,因此ASR凝胶的存在是混凝土发生碱硅酸盐反应的直接证明,通过检查混凝土的芯样,可找到凝胶。

ACR 膨胀是存在骨料浆体界面和骨料内部的碱—硅凝胶吸水膨胀引起的,ACR开裂是反应生成的方解石和水镁石,在骨料内部受空间结晶生长形成的结晶压力引起的,也就是说,骨料是膨胀源。

这种破坏在混凝土芯样表现为:在混凝土中形成与骨料相连的网状裂纹,骨料有时会开裂,其裂纹会延伸到周围的浆体中去,裂纹能延伸到另一颗骨料,有时也会从另一未发生反应的骨料边缘通过。

112　混凝土的碱骨料反应条件及一般抑制措施混凝土工程发生碱骨料反应破坏必须具备3个条件:一是配制混凝土时由水泥、掺合料、骨料、外加剂和水带进一定数量的碱,或者混凝土处于碱掺入的环境中;二是一定数量的碱活性骨料存在;三是潮湿环境,可以提供反应物吸水膨胀时所需的水分。

使用非活性骨料无疑是防止碱骨料反应最安全可靠的措施,但由于活性骨料分置广泛,受工程建筑的经济性影响,骨料的选择余地往往受到限制。

对潜在危害反应疑似活性骨料的工程一般采取如下抑制措施:控制混凝土中的碱含量、选用低碱水泥、掺用低碱粉煤灰或掺用酸性矿碴、掺用低碱外加剂或矿物盐等。

对有条件的工程还可借鉴其它工程的经验采取掺用酸性矿碴、掺用低碱外加剂或矿物盐。

113　骨料碱活性检验
骨料碱活性检验方法是根据美国AST MG—1260—94的规定并结合我国碱活试验研究成果制定的,不同行业有其具体的规程规范,如建筑行业的规程(CECS48—93T)、水利水电行业规程(S L352—2006)以及水工混凝土骨料试验规范(D L—T5151—2001)等。

主要检验方法主要有:骨料碱活性岩相检验方法、骨料碱活性化学检验方法、骨料碱活性砂浆长度检验方法、碳酸盐骨料的碱活性检验、骨料碱活性砂浆棒快速检验方法、骨料碱活性混凝土棱柱体检验方法。

其具体试验方法及判定标准在规程、规范中都有详细说明。

2　实际应用
211　工程简介
中易水渠道倒虹吸工程位于河北省易县中易水河上。

工程等级为Ⅰ等,倒虹吸设计流量为60m3/s,加大设计流量为70m3/s。

倒虹吸管长
・
7
7
・
小水电　2009年第1期(总第145期) 工程施工
519m ,包括进、出口斜管段和水平段3部分,其中进、出口斜管段长分别为5510m 和5910m (水平
投影长),水平管段长405m 。

管身为钢筋混凝土箱型结构(2孔),单孔断面511m ×511m ,管身水平段座于岩石地基上。

根据料场勘察成果,中易水渠道倒虹吸工程原材料选定中易水天然河道砂砾料场的砂料、灰岩石料场的人工碎石料作为该段所需建筑材料。

中易水砂砾料场砂料及砾料的碱活性试验结果为:砂浆试件14d 膨胀率分别为01124%、01128%。

判别标准:膨胀率<011%的骨料为非活性骨料;膨胀率在011%～012%之间为具潜在危害反应疑似活性骨料;膨胀率>012%的骨料为潜在危害反应活性骨料。

由上述可以看出:中易水砂砾料场砂料及砾料为潜在危害反应疑似活性骨料,使用过程中混凝土配比中应考虑抑制措施。

石亢料场岩石质量符合规程要求,岩石无碱活性反应。

212　混凝土的碱骨料反应抑制措施21211　控制混凝土中的碱含量
研究表明:当采用具有活性骨料或疑似的活性骨料混凝土时,混凝土的总碱含量应在干燥环境下不超过310kg/m 3,潮湿环境下不超过215kg/m 3。

南水北调中线干线工程《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》中规定本工程的混凝土的总碱含量不得超过215kg/m 3。

21212　选用低碱水泥
低碱水泥的碱含量应≤016%,CaO 含量≤
110%,MgO ≤510%,S O 3≤315%;中易水渠道倒虹吸工程混凝土所选用的水泥在使用前及使用过程中对其化学成份共检测13组,平均值为:SiO 2=2011%、Al 2O 3=5134%、Fe 2O 3=419%、CaO =54182%、MgO =1155%、S O 3=2122%、碱含量=0149%。

为低碱水泥。

21213　掺用低碱粉煤灰
粉煤灰抑制ARR 机理可表现为对混凝土中的
碱及Ca (OH )2的作用,可概括为粉煤灰对碱的物理稀释、Ca (OH )2的吸附,使之与火山灰反应减少,甚至消除体系中的Ca (OH )2以及火山灰反应生成的低Ca/Si 比产物对碱的吸附、滞留和体系的致密化作用。

通过试验证明,掺用25%～35%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰,有显著的抑制碱骨料膨胀破坏作用。

AS MC618限定的用于抑制ARR 的粉煤灰的碱含量必须小于115kg 。

粉煤灰的细度及颗粒分布与
抑制ARR 有关,比表面积越大,效果越明显。

中易水渠道倒虹吸工程混凝土施工配合比设计遵循高等级低掺、低等级高掺的原则,掺用Ⅱ级粉煤灰25%～30%。

21214　掺用低碱外加剂
由于化学外加剂中含碱基本上为可溶盐,如Na 2S O 4等中性盐加入到混凝土后会与水泥中的水化产物如Ca (OH )2等反应,新产生部分OH -离子,并与留在孔隙溶液中的Na -、K -保持电荷平衡。

外加剂含碱盐能显著增加孔隙溶液中的OH -浓度,进而加速ARR 反应。

因此,无论混凝土是否含有活性骨料,化学外加剂带入的碱不得超过013kg/m 3。

中易水渠道倒虹吸工程混凝土使用的高效减水剂为DH3G,引气剂为DH9。

外加剂的化学成份:PH 值=4156、NaS O 4=13108%、Cl -=0122%、K 2O =8178%、Na 2O =1185%、碱含量=1193%。

213　抑制措施的应用效果
中易水渠道倒虹吸混凝土主体工程采用的具体施工配合比(见表1),其碱含量均小于210kg/m 3。

同时采用“砂浆棒快速法”试验6组,砂浆试件14d 膨胀率在0106%～01089%之间,能满足规范、规程的要求,本工程所采取的抑制措施效果还是明显的。

表1　施工配合比汇总
强度等级
水胶比
掺灰率(%)减水剂(%)水泥(kg/m 3)粉煤灰
(kg/m 3)砂(kg/m 3)石子(kg/m 3)碱含量(kg/m 3)C 30W 6F 1500140250172257563413801186C 25W 6F 1000145250172107063213891175C 20W 6F 1000150
30
017
175
75
648
1421
1131
3　结束语
防止碱骨料反应的主要措施是预防。

为此应建
立优质原材基地,限制高碱水泥和外加剂的使用,加强碱骨料反应的机理及补救研究工作。

中易水渠道倒虹吸工程混凝土的碱骨料抑制措施是成功的,值得类似工程的借鉴。

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温祖国(1971-),男,高级工程师,主要从事水利水电工程施工管理工作。

责任编辑　吴　昊
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87・工程施工 S M A LL HY DRO POWER 2009No1,Total No145。