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。
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。 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。
碱—硅酸盐反应的实质仍属碱-硅酸反应。
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。
2、影响因素
ACR的安 全总碱量远 低于ASR， 更难预防。
(2) 活性骨料含量：
每种活性骨料都存在一个最不利掺量范围，这与混凝土 中活性SiO2/碱含量有关．
原始SiO2/Na2O与溶胶中SiO2/Na2O
当SiO2/Na2O的摩尔比为4.75时，溶胶中 SiO2/Na2O的摩尔比达到最大值4.5，此时溶胶 中的SiO2含量最高、胶粒尺寸小，具有最强的
浮石
流纹石 火 成 岩 安山石 英安岩 粗面岩 珍珠岩 黑耀岩
பைடு நூலகம்
页硅酸盐、变石英
火山凝灰岩
低硅玄武岩 玉髓、蛋白石
(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。
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；
工程名称 建设时间 1969-1970年 1979年 发现明显碱骨料破坏 70年代未，明显裂缝 1986年，整个路面呈蛛 网状开裂 1940 年，发现电站坝体 因裂缝而渗漏 破坏年限 10年左右 7年
英国西南部普利茅斯城， 老沼泽磨坊桥
加拿大康沃尔城，某公路
加拿大，博赫尔洛依斯水电站 英国普利茅斯，停车场
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。
(2) 碱活性骨料
四、碱－骨料反应检测方法
骨料的碱活性检测是防止新建混凝土AAR破
坏的重要手段。
检测方法 美国 ASTM 欧洲 RILEM 英国 加拿大 CSA 中国 《水工砼试验 规程》(SD105 -82)
岩相法
化学法 砂浆棒法 快速砂浆棒 法 混凝土棱柱 体法 蒸压法
C295
C289 C227 C1260 Cl293
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;
应用方面：遭到国际许多专家质疑，在欧洲、加拿大等国已 淘汰，国内各行业标准还沿用。
3) 快速砂浆棒法 (ASTM C1260)：
基于ASTM C227发展起来的一种加速试验方法，又 称南非法(NBRI法)。
原材料、灰砂比、试件尺寸、制作过程与C227相同；
水灰比：0.47； 养护制度： 先80℃恒温水浴1天，再浸入1mol/L的 NaOH溶液在80℃恒温条件下养护．
香港，某水处理厂 香港，North Point 公立学校
1928 年开始 1970 年
1980-1982年 1987年
12年 10年
9-12年 12年
1980 年，决定修补
1991年，明显开裂 1999年，明显开裂
2) 膨胀特征:
膨胀开裂发生在整个结构物中，使结构物发生整 体位移或变形，如膨胀错位、弯曲、扭翘等。
结构等来判断骨料是否为活性；还可借助于扫描电镜，X衍射分析、差热分析、红外光谱分析等手段 。
＊主要特点：
操作简单，试验速度快； 适用范围广，可直接观察到集料中的活性组分； 得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系；

需要有相当熟练的技术。
应用方面：作为集料碱活性鉴定的首选方法，其鉴定结果
对进一步选择合适的检测方法具有重要指导作用．
缝两侧的混凝土出现高低错位和不平整。
4)凝胶析出特征:
发生碱—硅酸反应的混凝土表面经常可以看到有透明 或淡黄色凝胶析出；碱—碳酸盐反应中未生成凝胶，混凝
土表面无凝胶析出。
5)内部特征:
在骨料间产生网状的内部裂缝，在钢筋等约束或外压 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；某些骨料周围形成一些深色的反应环；混凝土 内部空隙、裂缝、骨料—浆体界面发现凝胶。
2) 砂浆棒法 (ASTM C227)：
直接测量砂浆长度以反映集料与碱作用所产生的膨 胀率大小，是检测骨料碱活性的经典方法。 高碱波特兰水泥：碱含量大于0.8%，或外加1.79mol/L NaOH溶液调整； 骨料：级配满足下表要求； 灰砂比：质量比l:2.25； 砂浆流动度：105 mm-120 mm： 试体尺寸：25mm ×25mm ×285mm。
香港某水处理厂 香港某水处理厂
3)开裂特征:
内部骨料周围膨胀受压，表面混凝土受拉开裂。


对于不受约束和荷载或约束和荷载较小的部位， —般形 混凝土表面网状裂缝
成网状裂缝（表面保护层呈地图状裂缝）。 对于钢筋限制力较大的区域，裂缝常常平行于钢筋方向； 在外部压应力作用下，裂缝也会平行于压应力方向。 碱-骨料反应在开裂的同时，经常出现局部膨胀，使裂
L1
L2
L3
L６
L９
L１２
1d 1m 2m 3m
6m
评定标准：
9m
12m
3个月膨胀率小于0 .05%或6个月小于0 .1%，非活性集料。
＊主要特点：
提出时间较早、技术成熟，可直接观测到膨胀值大小；


试验周期较长，时间上不能满足很多情况下工程需要；
适用于活性较高、反应较快的骨料，对于反应较慢的活 性骨料或活性较低的骨料往往导致误判（英国、日本）； 检测结果受水泥碱含量、水灰比、养护容器的湿度控制 精度等影响较大，不适于碱碳酸活性骨料。
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 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?
6)潮湿特征:
越潮湿的部位反应越强烈，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。
混凝土工程碱骨料破坏特征
时间范围：5~10年 体积变形：整体膨胀 表面裂缝：网状开裂 表面析出物：透明或淡黄色凝胶 内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环 外界条件：潮湿环境 ＊ ＊＊ ＊＊ ＊＊＊ ＊＊ ＊
筛孔尺寸/mm 5～2.5 2.5～1.25 1.25～0.63 质量百分比(%) 10 25 25 筛孔尺寸/mm 0.63～0.315 0.315～0.16 质量百分比(%) 25 15
Cure at (38±2)℃ and RH＞95%
Initial
1m
2m
3m
6m
9m
12m
Demould (L0)
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”。
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；
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。
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。