1、1940年年,Stanton发现发现California, Bradley的公路的公路AAR破坏破坏 碱骨料反应碱骨料反应( ，)：混凝土中的碱：混凝土中的碱(、)与具有碱活性的骨料与具有碱活性的骨料发生的一种膨胀性化学反应，混凝土的发生的一种膨胀性化学反应，混凝土的“癌症癌症”。指无定形二氧化硅、指无定形二氧化硅、隐晶质、微晶质和隐晶质、微晶质和玻璃质二氧化硅。玻璃质二氧化硅。如如:蛋白石、玉髓、蛋白石、玉髓、隧石、受应力变型隧石、受应力变型的石英。的石英。一、碱一骨料反应机理一、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
2、。指孔溶液中的、，来自水泥、指孔溶液中的、，来自水泥、外加剂、环境等。外加剂、环境等。 蛋白石蛋白石玉髓玉髓l 反应机理：反应机理：l 膨胀机理：膨胀机理：l 吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，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、区的积聚、膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。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指白云石与石灰石含量大
3、致相等，粘土的质量含量致相等，粘土的质量含量约为约为5%一一20%，白云石颗，白云石颗粒粒径约在粒粒径约在50m以下且被以下且被微晶方解石和黏土包围。微晶方解石和黏土包围。 指孔溶液中的、，来自水指孔溶液中的、，来自水泥、外加剂、环境等。泥、外加剂、环境等。 l 反应机理：碱与白云石发生反应反应机理：碱与白云石发生反应, 去白云化去白云化()。l (3)2 + 2 ()2 + 3 + R23l R23()2=23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? l 膨胀机理：膨胀机理：l 认为：白云石晶体中包裹有干燥的黏土，去白云石
4、化反应认为：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。膨胀，从而造成破坏作用。l 唐明述院士认为：活性碳酸盐岩石的显微结构特征是：微唐明述院士认为：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。形白云石晶体彼此孤立地分布于其中。l 一方面，一方面，+、和水等进入受限制的紧密空间产生膨胀，这、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
5、空间发生反应，主要是由于去白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，云化反应为自由能降低的过程， - 12.18 。 l 另一方面，去白云石化反应生成的水镁石和方解石晶体颗另一方面，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。成的结晶压，产
6、生膨胀应力。3、碱、碱硅酸盐反应硅酸盐反应 定义：碱与某些层状硅酸盐骨料反应，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。生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。n 蛇纹石、伊里石、绿泥石、滑心、白云母、黑云母、铁蛇纹石、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；锂云母、高岭石、微晶高岭石等层状结构的硅酸盐矿物；n 很多人反对将这种碱很多人反对将这种碱骨料反应划分为新的一类；骨料反应划分为新的一类；n 唐明述院士研究表明：这些层状结构硅酸盐矿物自身不唐明述院士研究表明：这些
7、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。具有碱活性，产生膨胀反应的是其中含有微晶石英或玉髓。二、碱一骨料反应发生条件与影响因素二、碱一骨料反应发生条件与影响因素1、发生条件(1) 混凝土中碱含量：当量混凝土中碱含量：当量2O(20.66K2O) 来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围环来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围环境。境。低碱水泥：钠、钾含量小于低碱水泥：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。的水泥称为低碱水泥。 发生碱骨料反应的碱含量范围：发生碱骨料反应的碱含量范围： 高活性的硅质骨料高活性的硅质骨料(如蛋白石如蛋白石
8、)，大于，大于2.13; 中等活性的硅质骨料，大于中等活性的硅质骨料，大于3.03; 碱碱碳酸盐反应活性骨料，大于碳酸盐反应活性骨料，大于1.03。 我国标准我国标准53:93混凝土碱含量限制标准中，提出了防混凝土碱含量限制标准中，提出了防止碱止碱硅酸反应的碱含量限值。硅酸反应的碱含量限值。(2) 碱活性骨料碱活性骨料含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱碳酸盐反应活性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，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。建立碱活性骨料分布图。火火成成岩岩花岗岩花岗岩应变石英含量
9、应变石英含量30花岗闪长岩花岗闪长岩紫苏花岗岩紫苏花岗岩浮石浮石酸至中性富二氧酸至中性富二氧化硅的火山化硅的火山玻璃体、鳞玻璃体、鳞石英石英流纹石流纹石安山石安山石英安岩英安岩粗面岩粗面岩珍珠岩珍珠岩黑耀岩黑耀岩火山凝灰岩火山凝灰岩低硅玄武岩低硅玄武岩玉髓、蛋白石玉髓、蛋白石变变质质岩岩片岩片岩应变石英含量应变石英含量30片麻岩片麻岩石英岩石英岩应变石英含量应变石英含量30 ，隧，隧石含量石含量5角页岩角页岩页硅酸盐、变石英页硅酸盐、变石英干枚岩干枚岩泥板岩泥板岩沉沉积积岩岩砂岩砂岩应变石英、隧石含量应变石英、隧石含量5硬砂岩硬砂岩页硅酸岩、应变石英页硅酸岩、应变石英隧石隧石微晶石英、玉髓、蛋
10、白石微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土硅藻土蛋白石、微晶石英蛋白石、微晶石英碳酸岩碳酸岩泥质白云石、页硅酸岩泥质白云石、页硅酸岩各各国国已已发发现现碱碱活活性性矿矿物物 (3) 潮湿环境潮湿环境只有在空气相对湿度大于只有在空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境中，或直接接触水的环境中，破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治破坏的一个有效措破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治破坏的一个有效措施。施。2、影响因素(1) 混凝土中碱含量：碱含量越高，碱骨料反碱含量越高，碱骨料反应膨胀开裂越严重；应膨胀开裂越严重；硅质集料的活性越高，硅质集料的活性越高，其其“安全总碱含量安全总碱含量”越低；越低；的安全总
11、的安全总碱量远低于，碱量远低于，更难预防。更难预防。(2) 活性骨料含量：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，这与混凝土中活性凝土中活性2/碱含量有关碱含量有关 原始原始SiO2/Na2O与溶胶中与溶胶中SiO2/Na2O当当22O的摩尔比为的摩尔比为4.75时，溶胶中时，溶胶中22O的的摩尔比达到最大值摩尔比达到最大值4.5，此时溶胶中的，此时溶胶中的2含量最含量最高、胶粒尺寸小，具有最强的吸水膨胀性，破高、胶粒尺寸小，具有最强的吸水膨胀性，破坏能力最强。坏能力最强。 (3) 矿物掺合料：矿物掺合料：可有效抑制碱骨料反应对混凝土的破
12、坏。可有效抑制碱骨料反应对混凝土的破坏。掺硅灰掺硅灰掺粉煤灰掺粉煤灰p火山灰作用降低水泥石中的大量火山灰作用降低水泥石中的大量()2；p生成大量低比水化产物，对碱的物理稀释和吸附；生成大量低比水化产物，对碱的物理稀释和吸附；p物理填充和火山灰反应使水泥石结构更加致密。物理填充和火山灰反应使水泥石结构更加致密。 (4) 环境温度与湿度：环境温度与湿度：高温、高湿环境对碱骨料反应有明显加速作用。高温、高湿环境对碱骨料反应有明显加速作用。不同温度下砂浆棒膨胀随时间的增长情况不同温度下砂浆棒膨胀随时间的增长情况砂浆先干燥蒸发一定水后再湿热养护膨胀率砂浆先干燥蒸发一定水后再湿热养护膨胀率混凝土碱骨料反应
13、主要影响因素混凝土碱骨料反应主要影响因素混凝土碱含量，增加混凝土碱含量，增加碱活性骨料，最不利含量范围碱活性骨料，最不利含量范围矿物掺合料，增加掺量矿物掺合料，增加掺量环境条件，高温、高湿环境条件，高温、高湿掺减水剂、引气剂掺减水剂、引气剂三、碱一骨料反应破坏特征三、碱一骨料反应破坏特征 1) 时间特征:510年内发生破坏, 比其它耐久性破坏的速度快。工程名称工程名称建设时间建设时间发现明显碱骨料破坏发现明显碱骨料破坏破坏年限破坏年限英国西南部普利茅斯城，英国西南部普利茅斯城，老沼泽磨坊桥老沼泽磨坊桥1969-1970年年70年代未，明显裂缝年代未，明显裂缝10年左右年左右加拿大康沃尔城，某公
14、路加拿大康沃尔城，某公路1979年年1986年，整个路面呈蛛年，整个路面呈蛛网状开裂网状开裂7年年加拿大，博赫尔洛依斯水电站加拿大，博赫尔洛依斯水电站1928 年开始年开始1940 年，发现电站坝体年，发现电站坝体因裂缝而渗漏因裂缝而渗漏12年年英国普利茅斯，停车场英国普利茅斯，停车场1970 年年1980 年，决定修补年，决定修补10年年香港，某水处理厂香港，某水处理厂1980-1982年年1991年，明显开裂年，明显开裂9-12年年香港，香港， 公立学校公立学校1987年年1999年，明显开裂年，明显开裂12年年香港某水处理厂香港某水处理厂2) 膨胀特征:膨胀开裂发生在整个结构物中，使结构
15、物发生整体位移或变形，如膨胀错位、弯曲、扭翘等。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，使裂缝两侧的混凝土出现高低错位和不平整。混凝土表面网状裂缝混凝土表面网状裂缝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
16、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。 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混凝土工程碱骨料破坏特征时间范围：时间范围：510年年体积变形：整体膨胀体积变形：整体膨胀表面裂缝：网状开裂表面裂缝：网状开裂表面析出物：透明或淡黄色凝胶表面析出物：透明或淡黄色凝胶内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环内部特征：沿界面开裂，骨料周围反应环外界条件：潮湿环境外界条件：潮湿环境四、碱骨料反应检测方法四、碱
17、骨料反应检测方法骨料的碱活性检测是防止新建混凝土破坏的骨料的碱活性检测是防止新建混凝土破坏的重要手段。重要手段。检测方法检测方法美国美国欧洲欧洲英国英国加拿大加拿大中国中国岩相法岩相法C2951 812： 104水工砼试验水工砼试验规程规程(105 -82) 化学法化学法C289砂浆棒法砂浆棒法C227 快速砂浆棒快速砂浆棒法法C12602 249:1999A23.2-25A混凝土棱柱混凝土棱柱体法体法 2933 812： 123A23 .214A蒸压法蒸压法4(混凝土混凝土)48 93 (砂浆砂浆)1) 岩相法岩相法( C295)： 基于光性矿物学理论，把骨料磨制成薄片，在基于光性矿物学理论
18、，把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定岩相种类、矿物组成及其含量，偏光显微镜下鉴定岩相种类、矿物组成及其含量，矿物结晶程度和结构等来判断骨料是否为活性；还矿物结晶程度和结构等来判断骨料是否为活性；还可借助于扫描电镜，衍射分析、差热分析、红外光可借助于扫描电镜，衍射分析、差热分析、红外光谱分析等手段谱分析等手段 。 l高碱波特兰水泥：碱含量大于0.8%，或外加1.79 溶液调整；l骨料：级配满足下表要求；l灰砂比：质量比l:2.25；l砂浆流动度：105 120 ：l试体尺寸：25 25 285。2) 砂浆棒法砂浆棒法 ( C227)： 直接测量砂浆长度以反映集料与碱作用所产直接测量砂浆长度以反
19、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。生的膨胀率大小，是检测骨料碱活性的经典方法。筛孔尺寸质量百分比(%)筛孔尺寸质量百分比(%)52.5100.630.315252.51.25250.3150.16151.250.63251d1m2m3m6m9m12mDemould (L0)L1L2L3LLLCure at (382) and RH95% Initial 1 m 2m 3m 6m 9m 12m l原材料、灰砂比、试件尺寸、制作过程与C227相同；l水灰比：0.47；l养护制度： 先80恒温水浴1天，再浸入1的溶液在80恒温条件下养护3) 快速砂浆棒法快速砂浆棒法 (
20、C1260)：基于基于 C227发展起来的一种加速试验方法，发展起来的一种加速试验方法，又称南非法又称南非法(法法)。 评定标准：评定标准：14d膨胀率小于膨胀率小于0.1%，骨料无害；膨胀率大于，骨料无害；膨胀率大于0.2%，具有潜在有害碱活性；膨胀率在具有潜在有害碱活性；膨胀率在0.1%和和0.2%之间为可疑骨料，应之间为可疑骨料，应用混凝土棱柱体法进一步鉴定。用混凝土棱柱体法进一步鉴定。4) 混凝土棱柱体法混凝土棱柱体法( C1293)：类似于类似于 C227方法，通过测量混凝土棱柱体方法，通过测量混凝土棱柱体试件的长度变化反映骨料碱活性大小。试件的长度变化反映骨料碱活性大小。 l型波特
21、兰水泥：碱含量(0.90.1)%，拌和水中掺加使水泥碱含量调到1.25%；l骨料要求：l1) 评定粗集料时，集料级配为20 14、14 10、105的集料各占1/3，快速砂浆棒法的14d膨胀率小于0.1%的细集料；l 2)评定细集料时，应使用快速砂浆棒法的14d膨胀率小于0.1%的粗集料。l配合比：水泥用量4203，粗集料:细集料=60: 40，水灰比0.420.45：l试体尺寸：7575350。评定标准：半年膨胀率超过评定标准：半年膨胀率超过0.03%或或3月膨胀率超过月膨胀率超过0.02%，一，一年膨胀率超过年膨胀率超过0.04%，为活性骨料。，为活性骨料。p 采用混凝土试件，更接近实际工
22、程情况；采用混凝土试件，更接近实际工程情况；p 可同时适用于硅质骨料和碳酸盐骨料碱活性检验；可同时适用于硅质骨料和碳酸盐骨料碱活性检验；p 经多个实验室研究，表明水泥碱含量、试体尺寸等经多个实验室研究，表明水泥碱含量、试体尺寸等参数对结果无明显影响；参数对结果无明显影响；p 实验周期较长。实验周期较长。5)蒸压法蒸压法(48:93)：快速法，中国法：快速法，中国法l硅酸盐水泥：碱含量0.40.8%，净浆膨胀值不大于0.02%，外加溶液调整水泥碱含量达1.5%；l骨料：0.630.16，小于0.15的粉料不超过0.5%；l灰砂比：分别为10:1、5:1、2:1；l水灰比：0.3;l试体尺寸：10
23、 10 40。主要特点：快捷，试验周期为主要特点：快捷，试验周期为3d；适用于碱硅酸活性骨料；适用于碱硅酸活性骨料；各国相继采用类似方法。各国相继采用类似方法。250 的的10%浓度浓度溶液溶液成型成型养护养护(202)、RH95%以上，以上，242h拆模拆模基准长度基准长度1100 下蒸下蒸汽养护汽养护4h1502下下蒸压养护蒸压养护6h5min冷却、冲洗冷却、冲洗室温放置室温放置605min基准长度基准长度26) 小结：小结：p岩相法是其他方法的前提；岩相法是其他方法的前提；p快速砂浆棒法和压蒸法是发展的主流；快速砂浆棒法和压蒸法是发展的主流；p化学法和砂浆棒法有逐渐被淘汰的趋势；化学法和
24、砂浆棒法有逐渐被淘汰的趋势；p混凝土棱柱体法通常不用，但可作为最终检验依据混凝土棱柱体法通常不用，但可作为最终检验依据五、碱骨料反应预防措施五、碱骨料反应预防措施p控制混凝土中含碱量 ； p选择低碱活性骨料；p改善混凝土所处环境，隔绝湿气进入；p掺混合材；p掺特殊外加剂1) 控制碱含量：控制碱含量：l水泥：混凝土中碱的主要来源，严格控制水泥含碱量及水泥用水泥：混凝土中碱的主要来源，严格控制水泥含碱量及水泥用量，水泥碱含量量，水泥碱含量0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限；作为预防碱骨料反应的安全界限；l 外加剂：使用低碱外加剂；外加剂：使用低碱外加剂；l掺合料：硅灰、粉煤灰碱含量低于矿渣粉；掺
25、合料：硅灰、粉煤灰碱含量低于矿渣粉；l 集料和拌合水：碱性物质对的贡献小，可不考虑。集料和拌合水：碱性物质对的贡献小，可不考虑。2) 骨料的选择：骨料的选择：l 混凝土含碱量低于混凝土含碱量低于33，可以不做骨料活性检验，可以不做骨料活性检验;l 混凝土总碱量高于混凝土总碱量高于33，经检测为活性骨料者不能使用，或，经检测为活性骨料者不能使用，或需保证与非活性骨料混合使用对工程无损害。需保证与非活性骨料混合使用对工程无损害。3) 矿物掺合料：矿物掺合料：l硅灰硅灰: 掺掺5-10时可有效抑制碱骨科反应，当掺量达到时可有效抑制碱骨科反应，当掺量达到15-20%时，时，抑制混凝土碱骨料反应膨胀的效
26、果非常理想。抑制混凝土碱骨料反应膨胀的效果非常理想。l粉煤灰粉煤灰: 掺量达掺量达30时，可有效地抑制碱骨料反应。时，可有效地抑制碱骨料反应。l矿渣矿渣: 掺量大于掺量大于50才能有效地抑制碱骨料反应。才能有效地抑制碱骨料反应。l沸石粉、火山灰等。沸石粉、火山灰等。4）提高混凝土抗渗透能力，改善混凝土所处外）提高混凝土抗渗透能力，改善混凝土所处外部环境，隔绝水和湿空气进入混凝土内部也是抑部环境，隔绝水和湿空气进入混凝土内部也是抑制碱集料反应重要手段。制碱集料反应重要手段。5）化学外加剂：锂盐、钙盐、钡盐、碳水化合）化学外加剂：锂盐、钙盐、钡盐、碳水化合物。物。l1951年，等人在美国杂志上首次
27、报告；年，等人在美国杂志上首次报告；1994年，等人报年，等人报导已开发出锂盐类抑制碱骨料反应外加剂；近十年来的研导已开发出锂盐类抑制碱骨料反应外加剂；近十年来的研究也主要围绕这个方向展开。究也主要围绕这个方向展开。l反应机理：取代反应机理：取代() 优先形成了非膨胀性的反应产物优先形成了非膨胀性的反应产物, 这这些致密的反应产物包裹在活性集料周围些致密的反应产物包裹在活性集料周围, 阻止了阻止了()对集料的对集料的进一步侵蚀。进一步侵蚀。存在主要问题：存在主要问题：l 价格昂贵。价格昂贵。假设实际混凝土中总碱含量假设实际混凝土中总碱含量为为4kg/m3, 如掺如掺Li/Na 比比为为0.6 的的LiOH, 所需经济投入为所需经济投入为: 194.9元元/m3(所用所用LiOHH2O化学纯化学纯, 111. 6 元元/kg)。l长期有效性问题长期有效性问题。有许多专家对此提出怀疑。有许多专家对此提出怀疑。l目前目前, 锂盐抑制锂盐抑制A SR 膨胀的研究更多地处在实验室阶段膨胀的研究更多地处在实验室阶段, 工程应工程应用较少。用较少。
