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碱-集料反应的破坏特征及预防措施


□ 王世芳

  摘要:文章指出了碱—集料反应的破坏特征和预防措施,对水下混凝土的施工尤其是对沿海地区高速公路桥梁基础混凝土的设计与施工具有一定借鉴意义。
  关键词:碱—集料;破坏特征;预防措施
  作者简介:王世芳,任职于河北省交通建设监理咨询有限公司。
  
  近年来,我国在一些工程项目中使用了碱活性集料,引起了碱—集料反应,造成了严重的经济损失,比较严重的有北京内燃机厂露天堆场混凝土柱、广西红水河岩滩地区一大型水电站、内蒙通辽电厂和新疆塔城铁铲沟热电厂冷却塔等。
  随着我国高速公路尤其是沿海高速公路建设步伐的加快,在设计和施工方面对使用碱活性集料引起的碱一集料反应而造成混凝土的破坏,应引起足够的重视。
  
  一、碱-集料反应
  
  碱—集料反应(Alkaliaggregate Reaction缩写AAR),是指当水泥含碱量较高(指水泥中当量Na[2]O超过0.6%以上),混凝土又使用某些活性集料时(含活性S[i]O[2]),水泥中的碱类和集料的活性物质发生化学反应,使混凝土发生不均匀膨胀,产生裂缝,并伴有强度和弹性模量下降等不良现象,从而缩短建筑物使用寿命,危及工程安全,这种现象称为碱—集料反应。
  
  二、碱—集料反应分类
  
  根据国内外有关资料介绍,混凝土的碱一集料反应大体上可以分为三种类型:
  1、碱—硅酸(S[i]O[2])反应
  碱与集料中活性S[i]O[2]发生反应,生成碱的硅酸盐凝胶,吸水膨胀。引起混凝土膨胀和开裂。碱指的是水泥中所含钠和钾的氧化物,在混凝土内水泥水化反应中生成强碱性的氢氧化物,氢氧化物与粗细集料如蛋白石、玉髓、玛瑙、鳞石英、方石英、非常细小的微晶石英、具有较强波状消光的石英及火山玻璃体等中的非结晶活性二氧化硅(S[i]O[2]:)作用生成硅酸碱类:硅酸碱类呈胶体状并从周围介质中吸水膨胀(体积可增大3倍),在混凝土内部产生较大膨胀压和渗透压(渗压可达3-4Mpa),致使混凝土发生裂缝和破坏。
  2、碱一硅酸盐反应
  碱与某些层状硅酸盐集料(如千枚岩、粉砂岩、蛀石),与水泥水化生成的NaOH和KOH相作用后,使层状硅酸层间距离由10(埃)增大到12(埃),集料发生膨胀,造成混凝土膨胀、开裂,由于岩石结构因素,膨胀发展缓慢,但后果较严重。
  3、碱一碳酸盐反应  水泥中碱与泥质石灰石质白云石反应。这种白云石与一般白云石不同,它含粘土和方解石较多,白云石颗粒细小。被粘土和方解石晶粒包围,碱离子通过粘土渗入白云石颗粒,使白云石颗粒表面产生白云石反应,这种原地化学反应和结晶压造成混凝土膨胀、开裂。或者生成膨胀性氢氧化镁物质而使混凝土产生裂缝,以网状裂纹为特征。
  以上三种类型碱—集料反应,反应机理各不相同,但共同之处是均与水泥含碱量有关。引起碱—集料反应的必要条件有三:(1)水泥含碱量超过安全值:(2)使用一定数量的活性集料;(3)有水分;没有水分,反应就会减小或完全停止,如混凝土构件长期处在潮湿环境中,将会助长发生碱—集料反应。
  
  三、碱—集料反应(AAR)破坏的特征
  
  AAR破坏同时具有下列三个特征,可据此区分是否是由碱—集料反应引起的破坏。
  1、膨胀特征
  AAR裂缝是由膨胀引起,不同于最常见的收缩或荷载产生的裂缝。不同限制条件决定着裂缝的分布与形状,限制很弱的部位。如保护层或无筋混凝土,呈现地图状裂缝:限制均匀的部位,裂缝分布也较均匀;钢筋限制力大的常在限制力平行的方向开裂。由于集料是膨胀源,可从集料位置来研究开裂和破坏的形貌,例如近表面的粗集料膨胀,造成斑状剥落,裂缝与剥落面大小与集料粒径有关,细粒活性集料不引起剥落,在混凝土表面可见到分布均匀的白粉点。
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