摘要:混凝土碱骨料反应可分为碱- 硅酸反应(ASR) 和碱- 碳酸盐反应(ACR) 两种,均造成混凝土膨胀开裂,加之与钢筋锈蚀、冻融协同效应严重影响混凝土的耐久性能。现结合南水北调中线工程实践,介绍有关碱骨料检验方法和评定标准,重点对易县段混凝土碱骨料反应预防措施进行分析。
关键词:碱活性骨料;检验与评定;碱含量;抑制措施
中图分类号: TV431 ; TV68 文献标识码:B 文章编号:1672-1683 (2008) 02-0026-02
1 研究背景
自1940 年美国首先发现并证实混凝土工程碱骨料反应破坏以来,在法国、丹麦、澳大利亚等地相继出现各种工程破坏事例,从统计资料显示,将近有15 %的建筑物遭受不同程度的碱骨料反应破坏。我国首先是在立交桥、机场和铁路路枕工程中发现的,北京三元立交桥建成于1984 年,骨料采用北京地区的碱活性砾料,水泥用量约300～400 kg/ m3 ,加之冬季施工掺加早强剂和防冻剂,混凝土的碱含量最高达到15kg/ m3 ,到20 世纪80 年代末,盖梁及桥台等部位严重开裂,裂缝宽度最大达1. 4 cm ,在漏水部位的破坏明显有与钢筋锈蚀、冻融等的协同效应。碱骨料反应已成为混凝土工程的全球性灾难性问题,自1974 年至今已经召开了12 次国际会议,此外有关的水泥及混凝土会议也对AAR 问题进行了专门讨论,由此可见世界各国都对此给予了高度重视。
1 碱骨料反应机理及危害
1. 1 碱骨料反应机理
碱骨料反应(AAR) 是指混凝土孔隙溶液中由水泥、含碱外加剂和环境中的碱离子与骨料中的有害物质发生化学反应,导致混凝土膨胀开裂。按照碱活性骨料有害成份种类不同,碱骨料反应分为碱- 硅酸反应(ASR) 和碱- 碳酸盐反应(ACR) 。
(1) 碱- 硅酸反应是指骨料中的活性二氧化硅成分与混凝土中的碱之间发生化学反应,生成白色碱硅酸凝胶,固体凝胶具有强烈吸水膨胀的特性,体积最大可膨胀3 倍以上,由于反应一般发生在骨料与水泥石界面,混凝土内部不均匀膨胀势必引起开裂,且界面状况改变也影响到结构强度。
(2) 碱- 碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩骨料发生去白云石化反应,反应使得菱形白云石晶体遭受破坏,致使其内部包裹的黏土暴露,黏土吸水膨胀引起混凝土开裂。
1. 2 碱骨料反应危害
无论是为碱- 硅酸反应还是碱- 碳酸盐反应(ACR) ,其破坏特征均表现为混凝土膨胀开裂,大量微裂缝的产生不仅降低混凝土的力学性能,更重要的是加速了水、腐蚀离子渗入混凝土内部,从而诱发碱骨料反应、钢筋锈蚀、冻融破坏协同效应,严重影响了混凝土工程耐久性能。再有碱骨料反应是在混凝土碱活性骨料周围缓慢、长期发生的,不仅无法阻止其破坏继续发展,且破坏后不宜修复,因此被称为混凝土的“癌症”。
2 骨料碱活性评定
骨料碱活性评定是预防混凝土碱骨料反应破坏的首要工作,直接影响到使用非碱活性骨料可能性和抑制措施合理性问题,进一步来说关系到预防混凝土发生碱骨料反应破坏的成败。骨料碱活性的检验方法包括岩相法、化学法、快速砂浆棒法、混凝土棱柱体法、岩石柱法等,目前区域及行业间不仅没有形成普遍认可的方法,且同一种方法的评定标准又有所差异。
为了有效预防南水北调中线工程发生碱骨料反应破坏,中国水利水电科学研究院专门编制了南水北调中线干线工程标准《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例(试行) 》,其检验方法和评定标准在参照《水工混凝土砂石骨料试验规程》(以后简称《试验规程》) 的基础上,在有些方面有所侧重地进行了细化。
2. 1 骨料碱活性检验方法
骨料碱活性检验采用岩相法、快速砂浆棒法和岩石圆柱法。首先通过岩相法鉴定骨料的种类和矿物成分,利用碱活性类型判断结果以指导后续选择合适的骨料碱活性检测方法,对于含有硅质活性成分的采用快速砂浆棒法检验,含有白云岩矿物成分的采用岩石圆柱法检验。
2. 2 骨料碱活性评定标准
快速砂浆棒法(适用于碱—硅酸反应活性检验) :砂浆试件14 d 的膨胀率小于0. 10 % ,为非碱硅酸反应活性骨料;砂浆试件14 d 的膨胀率大于0. 20 % ,则骨料为碱- 硅酸反应活性骨料;14 d 试件膨胀率在0. 10 %～0. 20 %之间时,将试件观测龄期延至28 d ,若试件膨胀率未超过0. 20 %时,则判定骨料为碱- 硅酸反应疑似活性骨料;若试件膨胀率大于0. 20 %时,则判定骨料为碱- 硅酸反应活性骨料。对于14 d 试件膨胀率在0. 10 %～0. 20 %之间的情况《, 技术条例》相对于《试验规程》的界定进行了细化,更具有可操作性。
岩石圆柱法(适用于碱- 碳酸盐反应活性检验) :试件浸泡84 d 时间膨胀率在0. 10 %以上时,判定骨料具有潜在碱活性危害。
2. 3 抑制效果试验方法和标准
采用抑制骨料碱活性效能试验,标准试件采用工程水泥和骨料制作,对比试件用75 %工程水泥、25 %(20 %) 工程粉煤灰和骨料制作,试验方法与“快速砂浆棒法”相同。判定抑制有效的标准:对比试件14 d 龄期砂浆膨胀率降低率不小于75 % ,且对比试件14 d 龄期膨胀率不大于0. 02 %。
3 易县段混凝土碱骨料反应预防措施分析
混凝土工程使用非碱活性骨料是预防碱骨料反应最安全措施,但当经济权衡不得不使用活性骨料时,则应根据骨料的活性类型以及区域内原材料的情况,进行预防碱骨料反应的方案设计,主要考虑两方面内容,一是控制混凝土碱含量,降低原材料有效碱的带入量,包括水泥、外加剂和粉煤灰等;二是利用掺加辅助材料进行抑制。
3. 1 骨料碱活性检测
易县段南水北调中线干线工程全长43. 0 km , 混凝土工程60. 1 万m3 ,中砂32. 2 万m3 ,碎石54. 3 万m3 ,粗骨料采用石亢和井尔峪人工碎石,细骨料采用中易水河砂。
经岩相法分析,石亢岩石为典型的石灰岩,主要成份为方解石,且矿物结晶颗粒极细,含有少量白云石、石英和黏土矿物;井尔峪岩石为石灰岩,主要成份为方解石,基质中有少量的硅质和泥质,硅质是由游离的细粒硅组成的,部分泥质是由结晶的绢云母和白云石组成的;中易水河砂矿物成分以石英和斜长石为主,还有少量闪长石和黑云母等暗色矿物质。快速砂浆棒法和岩石柱法检验结果统计见表1 和表2 。
按照《技术条例》或《试验规程》评定标准,判定石亢和井尔峪粗骨料为非碱活性骨料;从偏于工程安全考虑,中易水河砂判定为碱- 硅酸反应活性骨料。
3. 2 混凝土碱含量控制
控制混凝土碱含量是根据混凝土碱骨料反应膨胀值与碱含量阈值理论,将孔隙溶液中的碱浓度控制在安全临界值(3～4 kg/ m3 ) 以下,混凝土则不会发生开裂性膨胀。《技术条例》有关抑制碱- 硅酸反应碱含量控制标准规定:水泥碱含量不大于0. 6 % ,外加剂碱含量不大于10 % ,粉煤灰碱含量不大于1. 5 %;潮湿环境下II、III 类工程混凝土总碱量不超过2. 5kg/ m3 ,其它不超过3. 0 kg/ m3 。
易县段南水北调中线工程混凝土原材料碱含量和总碱含量的控制均能够满足《技术条例》标准。工程主要是使用鼎新和鹿泉水泥,从历次检测统计结果来看,一般在0. 55 %左右,最大到0. 59 %。普通结构混凝土的碱含量一般在1. 4～2. 5 kg/ m3 之间,预应力C50 混凝土的碱含量最大达到2. 94 kg/ m3 。
3. 3 掺加抑制材料
在混凝土中掺加混合材是抑制AAR 的重要途径,掺合料呈微细颗粒散布在混凝土体系中,使得掺合料中的活性成分与碱充分发生反应,进而降低孔隙溶液碱浓度以减轻或延缓碱骨料反应。抑制材料主要有矿物掺和料和化学外加剂两类,后者的研究和应用还是有限的。其中粉煤灰作为优先抑制材料,其活性二氧化硅成分不仅对碱- 硅活性骨料有抑制作用,而且具有改善混凝土和易性、提高抗渗能力和减少水泥水化热的作用。
易县段南水北调中线工程选用粉煤灰作为抑制材料,粉煤灰掺量按照《技术条例》规定的抑制效能试验确定,效能试验结果见表3 ,结果表明掺入20 %粉煤灰抑制混凝土碱硅酸反应有效。由于工程实施阶段仅有一组骨料检测评定为碱活性骨料,并进行了抑制效能试验,以工程安全考虑,易县段南水北调工程混凝土掺加粉煤灰等级不低于II 级,比例不小于20 %。
4 结语
南水北调中线工程是国家战略性水利工程,沟通长江、淮河、黄河、海河四大流域,惠及北京、天津、河北、河南、湖北5省市,仅总干渠全长1241. 2 km。沿线骨料料场分散,且属活性骨料广泛分布区域,应高度重视料场前期勘察阶段和工程实施阶段的碱活性检验评定工作,采用碱活性骨料必须制定有效的预防措施,避免混凝土发生碱骨料反应破坏。
参考文献:
[1] DL/ T515122001 ,水工混凝土砂石骨料试验规程[ S] .
[2] 南水北调中线干线工程建设管理局. 预防混凝土工程碱骨料反应技术条例(南水北调中线干线工程标准) [ S] . 2005.
[3] 莫祥银,许仲梓,唐明述. 国内外混凝土碱集料反应研究综述[J ] . 材料科学与工程,2002 ,20 (1) :1282132.
