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淺析南水北調工程混凝土堿骨料反應的抑制措施

放大字體  縮小字體 發布日期:2008-04-17  來源:中國混凝土網  作者:楊鎮生 劉躍良
核心提示:淺析南水北調工程混凝土堿骨料反應的抑制措施

摘要:混凝土堿骨料反應可分為堿- 硅酸反應(ASR) 和堿- 碳酸鹽反應(ACR) 兩種,均造成混凝土膨脹開裂,加之與鋼筋銹蝕、凍融協同效應嚴重影響混凝土的耐久性能。現結合南水北調中線工程實踐,介紹有關堿骨料檢驗方法和評定標準,重點對易縣段混凝土堿骨料反應預防措施進行分析。

關鍵詞:堿活性骨料;檢驗與評定;堿含量;抑制措施

中圖分類號: TV431 ; TV68   文獻標識碼:B   文章編號:1672-1683 (2008) 02-0026-02

1  研究背景

  自1940 年美國首先發現并證實混凝土工程堿骨料反應破壞以來,在法國、丹麥、澳大利亞等地相繼出現各種工程破壞事例,從統計資料顯示,將近有15 %的建筑物遭受不同程度的堿骨料反應破壞。我國首先是在立交橋、機場和鐵路路枕工程中發現的,北京三元立交橋建成于1984 年,骨料采用北京地區的堿活性礫料,水泥用量約300~400 kg/ m3 ,加之冬季施工摻加早強劑和防凍劑,混凝土的堿含量最高達到15kg/ m3 ,到20 世紀80 年代末,蓋梁及橋臺等部位嚴重開裂,裂縫寬度最大達1. 4 cm ,在漏水部位的破壞明顯有與鋼筋銹蝕、凍融等的協同效應。堿骨料反應已成為混凝土工程的全球性災難性問題,自1974 年至今已經召開了12 次國際會議,此外有關的水泥及混凝土會議也對AAR 問題進行了專門討論,由此可見世界各國都對此給予了高度重視。

1  堿骨料反應機理及危害

1. 1  堿骨料反應機理

  堿骨料反應(AAR) 是指混凝土孔隙溶液中由水泥、含堿外加劑和環境中的堿離子與骨料中的有害物質發生化學反應,導致混凝土膨脹開裂。按照堿活性骨料有害成份種類不同,堿骨料反應分為堿- 硅酸反應(ASR) 和堿- 碳酸鹽反應(ACR) 。

  (1) 堿- 硅酸反應是指骨料中的活性二氧化硅成分與混凝土中的堿之間發生化學反應,生成白色堿硅酸凝膠,固體凝膠具有強烈吸水膨脹的特性,體積最大可膨脹3 倍以上,由于反應一般發生在骨料與水泥石界面,混凝土內部不均勻膨脹勢必引起開裂,且界面狀況改變也影響到結構強度。

  (2) 堿- 碳酸鹽反應是指混凝土中的堿與具有特定結構的黏土質細粒白云質石灰巖或黏土質細粒白云巖骨料發生去白云石化反應,反應使得菱形白云石晶體遭受破壞,致使其內部包裹的黏土暴露,黏土吸水膨脹引起混凝土開裂。

1. 2  堿骨料反應危害

  無論是為堿- 硅酸反應還是堿- 碳酸鹽反應(ACR) ,其破壞特征均表現為混凝土膨脹開裂,大量微裂縫的產生不僅降低混凝土的力學性能,更重要的是加速了水、腐蝕離子滲入混凝土內部,從而誘發堿骨料反應、鋼筋銹蝕、凍融破壞協同效應,嚴重影響了混凝土工程耐久性能。再有堿骨料反應是在混凝土堿活性骨料周圍緩慢、長期發生的,不僅無法阻止其破壞繼續發展,且破壞后不宜修復,因此被稱為混凝土的“癌癥”。

2  骨料堿活性評定

  骨料堿活性評定是預防混凝土堿骨料反應破壞的首要工作,直接影響到使用非堿活性骨料可能性和抑制措施合理性問題,進一步來說關系到預防混凝土發生堿骨料反應破壞的成敗。骨料堿活性的檢驗方法包括巖相法、化學法、快速砂漿棒法、混凝土棱柱體法、巖石柱法等,目前區域及行業間不僅沒有形成普遍認可的方法,且同一種方法的評定標準又有所差異。

  為了有效預防南水北調中線工程發生堿骨料反應破壞,中國水利水電科學研究院專門編制了南水北調中線干線工程標準《預防混凝土工程堿骨料反應技術條例(試行) 》,其檢驗方法和評定標準在參照《水工混凝土砂石骨料試驗規程》(以后簡稱《試驗規程》) 的基礎上,在有些方面有所側重地進行了細化。

2. 1  骨料堿活性檢驗方法

  骨料堿活性檢驗采用巖相法、快速砂漿棒法和巖石圓柱法。首先通過巖相法鑒定骨料的種類和礦物成分,利用堿活性類型判斷結果以指導后續選擇合適的骨料堿活性檢測方法,對于含有硅質活性成分的采用快速砂漿棒法檢驗,含有白云巖礦物成分的采用巖石圓柱法檢驗。

2. 2  骨料堿活性評定標準

  快速砂漿棒法(適用于堿—硅酸反應活性檢驗) :砂漿試件14 d 的膨脹率小于0. 10 % ,為非堿硅酸反應活性骨料;砂漿試件14 d 的膨脹率大于0. 20 % ,則骨料為堿- 硅酸反應活性骨料;14 d 試件膨脹率在0. 10 %~0. 20 %之間時,將試件觀測齡期延至28 d ,若試件膨脹率未超過0. 20 %時,則判定骨料為堿- 硅酸反應疑似活性骨料;若試件膨脹率大于0. 20 %時,則判定骨料為堿- 硅酸反應活性骨料。對于14 d 試件膨脹率在0. 10 %~0. 20 %之間的情況《, 技術條例》相對于《試驗規程》的界定進行了細化,更具有可操作性。

  巖石圓柱法(適用于堿- 碳酸鹽反應活性檢驗) :試件浸泡84 d 時間膨脹率在0. 10 %以上時,判定骨料具有潛在堿活性危害。

2. 3  抑制效果試驗方法和標準

  采用抑制骨料堿活性效能試驗,標準試件采用工程水泥和骨料制作,對比試件用75 %工程水泥、25 %(20 %) 工程粉煤灰和骨料制作,試驗方法與“快速砂漿棒法”相同。判定抑制有效的標準:對比試件14 d 齡期砂漿膨脹率降低率不小于75 % ,且對比試件14 d 齡期膨脹率不大于0. 02 %。

3  易縣段混凝土堿骨料反應預防措施分析

  混凝土工程使用非堿活性骨料是預防堿骨料反應最安全措施,但當經濟權衡不得不使用活性骨料時,則應根據骨料的活性類型以及區域內原材料的情況,進行預防堿骨料反應的方案設計,主要考慮兩方面內容,一是控制混凝土堿含量,降低原材料有效堿的帶入量,包括水泥、外加劑和粉煤灰等;二是利用摻加輔助材料進行抑制。

3. 1  骨料堿活性檢測

  易縣段南水北調中線干線工程全長43. 0 km , 混凝土工程60. 1 萬m3 ,中砂32. 2 萬m3 ,碎石54. 3 萬m3 ,粗骨料采用石亢和井爾峪人工碎石,細骨料采用中易水河砂。

  經巖相法分析,石亢巖石為典型的石灰巖,主要成份為方解石,且礦物結晶顆粒極細,含有少量白云石、石英和黏土礦物;井爾峪巖石為石灰巖,主要成份為方解石,基質中有少量的硅質和泥質,硅質是由游離的細粒硅組成的,部分泥質是由結晶的絹云母和白云石組成的;中易水河砂礦物成分以石英和斜長石為主,還有少量閃長石和黑云母等暗色礦物質。快速砂漿棒法和巖石柱法檢驗結果統計見表1 和表2 。

  按照《技術條例》或《試驗規程》評定標準,判定石亢和井爾峪粗骨料為非堿活性骨料;從偏于工程安全考慮,中易水河砂判定為堿- 硅酸反應活性骨料。

3. 2  混凝土堿含量控制

  控制混凝土堿含量是根據混凝土堿骨料反應膨脹值與堿含量閾值理論,將孔隙溶液中的堿濃度控制在安全臨界值(3~4 kg/ m3 ) 以下,混凝土則不會發生開裂性膨脹。《技術條例》有關抑制堿- 硅酸反應堿含量控制標準規定:水泥堿含量不大于0. 6 % ,外加劑堿含量不大于10 % ,粉煤灰堿含量不大于1. 5 %;潮濕環境下II、III 類工程混凝土總堿量不超過2. 5kg/ m3 ,其它不超過3. 0 kg/ m3 。

  易縣段南水北調中線工程混凝土原材料堿含量和總堿含量的控制均能夠滿足《技術條例》標準。工程主要是使用鼎新和鹿泉水泥,從歷次檢測統計結果來看,一般在0. 55 %左右,最大到0. 59 %。普通結構混凝土的堿含量一般在1. 4~2. 5 kg/ m3 之間,預應力C50 混凝土的堿含量最大達到2. 94 kg/ m3 。

3. 3  摻加抑制材料

  在混凝土中摻加混合材是抑制AAR 的重要途徑,摻合料呈微細顆粒散布在混凝土體系中,使得摻合料中的活性成分與堿充分發生反應,進而降低孔隙溶液堿濃度以減輕或延緩堿骨料反應。抑制材料主要有礦物摻和料和化學外加劑兩類,后者的研究和應用還是有限的。其中粉煤灰作為優先抑制材料,其活性二氧化硅成分不僅對堿- 硅活性骨料有抑制作用,而且具有改善混凝土和易性、提高抗滲能力和減少水泥水化熱的作用。

  易縣段南水北調中線工程選用粉煤灰作為抑制材料,粉煤灰摻量按照《技術條例》規定的抑制效能試驗確定,效能試驗結果見表3 ,結果表明摻入20 %粉煤灰抑制混凝土堿硅酸反應有效。由于工程實施階段僅有一組骨料檢測評定為堿活性骨料,并進行了抑制效能試驗,以工程安全考慮,易縣段南水北調工程混凝土摻加粉煤灰等級不低于II 級,比例不小于20 %。

4  結語

  南水北調中線工程是國家戰略性水利工程,溝通長江、淮河、黃河、海河四大流域,惠及北京、天津、河北、河南、湖北5省市,僅總干渠全長1241. 2 km。沿線骨料料場分散,且屬活性骨料廣泛分布區域,應高度重視料場前期勘察階段和工程實施階段的堿活性檢驗評定工作,采用堿活性骨料必須制定有效的預防措施,避免混凝土發生堿骨料反應破壞。

參考文獻:

  [1]  DL/ T515122001 ,水工混凝土砂石骨料試驗規程[ S] .

  [2]  南水北調中線干線工程建設管理局. 預防混凝土工程堿骨料反應技術條例(南水北調中線干線工程標準) [ S] . 2005.

  [3]  莫祥銀,許仲梓,唐明述. 國內外混凝土堿集料反應研究綜述[J ] . 材料科學與工程,2002 ,20 (1) :1282132.

 
 
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