抗渗及抗冻砼的碱集料活性反应

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摘要:本文阐述了什么是砼的碱集料活性反应,砼的碱集料活性反应的条件、类型、影响,同时分析了水泥中的碱、混合材中掺入其他活性材料、添加剂中碱、对骨料选择以及拌和水的存在形式,从而提出预防碱集料反应发生的主要办法。实现抗渗及抗冻砼等工程设计的时代课题。

关键词:砼 抗渗性 抗冻性 碱集料活性反应危害 防止办法

一、什么是砼的碱集料活性反应

砼的碱集料活性反应,是指砼原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱性氧化物与所用集料中的活性成分反应,在砼浇筑成型后很长的若干年逐渐反应,反应后生成的结晶物质容易吸水膨胀,使砼产生内部应力而膨胀开裂,导致砼失去设计性能而影响抗渗及抗冻的功能。由于碱活性集料经搅拌后大体上呈均匀分布,所以一旦发生碱集料活性反应,砼内各部分均产生膨胀应力,使砼自身膨胀,发展严重的只能拆除,无法补救,因此加强抗渗及抗冻砼的碱集料活性反应研究。及其采取必要的措施去预防碱集料活性反应的发生已成为工程的时代课题。

二、砼碱集料活性反应发生的条件

砼碱集料活性反应发生的条件有:一是碱、碱集料和水;二是砼中含有活性的碱性氧化物如二氧化硅、氧化钠等,它们在和氧化钙结晶度越好,砼中含有的活性越小,二氧化硅的结晶缺陷越弱,碱活性的膨胀率要小,对砼的伤害越小,反之越大;三是潮湿的环境,有充足的水分或湿气。

三、砼碱集料活性反应类型

3.1碱硅酸反应

碱硅反应是集料的活性硅成分和水泥中碱之间的反应。砼中含有二氧化硅,活性的二氧化硅分为定形的二氧化硅和无形的隐晶质、微晶质及玻璃质的二氧化硅,这些活性材料存在于蛋白石或玉髓、燧石、硅质石灰石、流纹石、安山凝灰岩与千纹岩中。由于形成了碱硅凝胶,集料界面发生蚀变。这种胶体是“无限膨胀型”的,在吸水后有增加体积的趋向。此胶体受到周围水泥净浆的制约,产生它的内应力,导致水泥浆的膨胀、开裂和破坏。通常我们认为,只有在水泥中的总碱量较高,同时集料中又含有活性二氧化硅的情况下,在水作为媒介的前提下,才会发生上述有害反应。碱集料反应通常进行得很慢,所引起的破坏往往经过若干年后才能表现出来。水分存在是碱集料反应必不可缺少的条件之一,由自然水引发的砼的渗透性对碱集料反应影响有很大。如果是在干湿和冻融交替的情况下,碱活性反应得到加速,提高温度也将使反应加速。

3.2碱硅酸盐反应

1965年基洛物对加拿大的诺发?斯科提亚地方的砼膨胀开裂进行研究发现:“(1)形成膨胀岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物;(2)膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多;(3)能形成反应环的颗粒非常少;(4)与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。”

又进一步研究,发现诺发?斯科提亚地方的碱性膨胀岩中,蛭石类矿物的基面间沉积物是可浸出的,在沉积物被浸出后吸水,使基面间距由10A°增大到12A°致使体积膨胀,引起砼内部膨胀应力;因此认为这类碱骨料反应与传统的碱硅酸反应不同,并命名为碱硅酸盐反应。对此,国际学术界有争论。我国学者唐明述对此也进行研究,他从全国各地收信了上百种矿物及岩石样品,从矿物和岩石学角度详细研究了其碱活性程度。研究表明,所有层状结构的硅酸盐矿物如叶蜡石、蛇纹岩、伊里石、绿泥石、云母、滑石、高岭石、蛭石等均不具碱活性,有少数发生碱膨胀的,经仔细研究,其中均含有玉髓、微晶石英等含活性氧化硅性的氧化硅矿物,从而证明这仍属于碱硅酸反应。这一结论与基洛特起初发现的四个特点也并不矛盾。这个研究报告在第8届国际碱骨料反应学术会议上发表后,得到许多知名学者的赞同。但由于这种反应膨胀进程缓慢,用常规检验碱硅酸反应的方法无法判断其活性;因此,在进行骨料活性和碱骨料反应膨胀检验时,还必须与一般碱硅酸反类型有所区别。通过差热分析(DTA)和测长结果表明,白云石的反应速率是随着白云质岩石的膨胀速率增加而增长的,它们均是集料碱性pH值的增函数;pH值越高,反应越快,膨胀也越大。当溶液pH值低于12时,反应速率几乎趋于零;相应地,岩石也几乎不发生膨胀。

3.3 其它碱集料反应

当集料中含有硫酸盐时,会与硬化水泥浆发生反应,使砼产生侵蚀。受硫酸盐侵蚀的砼表面呈稍白特征色,损坏通常先从棱角开始,随后进一步开裂与剥落,致使砼呈脆性和松散状态。一般情况下,侵蚀速度随硫酸根离子浓度提高而加快,但在硫酸根离子浓度达到一定值时(约为0.5%～1%),侵蚀随浓度提高而加快的速度减缓。其次,除硫酸盐浓度之外,砼侵蚀的速度还取决于水泥反应中失去硫酸盐可获得的补充速度,当砼一侧处于含硫酸盐水的压力之下时,侵蚀速度将最大。相反,当砼被完全埋置,则侵蚀情况将缓和得多。

四、砼碱集料对碱活性反应的危害

许多研究结果表明:单纯碱集料活性反应一般不会在短期内造成砼结构性能的迅速降低,但时间一长却能使砼工程的使用寿命大大减低,引起砼抗渗、抗冻性能的下降,主要原因如裂缝、冻融、化学介质腐蚀、钢筋锈蚀等,对砼破坏速度与砼密实度关系密切。工程裂缝的产生,造成通常水的渗入,而通常水中都含有大量的氯离子,氯离子渗入到砼中并达到钢筋表面,直接或间接破坏砼的包裹作用及钢筋钝化的高碱度两种屏障,使之发生锈蚀继而锈蚀产物体积膨胀,继而影响砼的耐久性。在导致钢筋很快锈蚀的情况下,冻融和化学介质的腐蚀会深入砼内部产生破坏作用。一般说来砼的腐蚀是从表层破坏开始,然后逐步深入,其显着特征是引起砼表异,造成砼内部湿度不同,引起水份迁移,面剥落,疏松或溃散,碱集料活性反应则是从一离子随水份从砼湿度低的方向向砼内部引发裂缝、迁移,这种定向迁移,造成水份蒸发快的部位越易形成长期处于潮湿环境中的砼,该处碱集料活性反应一离子浓度升高,引发的反应破坏速度和破坏程度就越大。所以,碱集料活性反应能大大超过别的因素对砼的破坏,从而严重损害砼的抗渗、抗冻性和降低砼工程的使用寿命。

对于实际的砼工程,碱集料反应往往与其它破坏因素掺杂在一起损害砼。然而,砼开裂破坏常常被归因于冻融循环、钢筋锈蚀等其它常见的破坏原因,而有可能真正原因或主导原因是碱集料活性反应所引起的,这可能是碱集料活性反应在我国长期没有得到重视的原因之一。事实上,碱集料活性反应有自己的发生条件和破坏特征,只要进行全面细致的调查分析,不难对砼工程是否发生了碱集料活性反应作出准确的判断。

五、砼碱集料活性反应的预防办法

我国在对待工程碱活性反应问题上,提出了严格控制混凝凝土的含碱量策略,这里所说的含碱量指:水泥带入含碱量、外加剂带入含碱量、掺合料中有效碱量,这些含碱量的总和不得超过2-3kg/m3。另外我国还采用了在砼中掺入其他活性材料、必要时可采用硫酸盐水泥或铁铝酸水泥与普通水泥相互配置,通过控制水来防止或减轻碱活性反应。

同时通过上面的论述我们不难发现,碱活性反应发生的条件是具备:一是碱、碱集料和水;二是砼中含有活性的碱性氧化物;三是潮湿的环境,有充足的水分或湿气。只要能控制住这三个碱活性发生的必要条件,就可以有效的降低碱活性反应发生的频率。我们从以下几个方面论述控制碱活性发生的防止办法。

5.1严格控制水泥含碱量

一般国际上普遍接受的水泥含碱量安全值为0.5%-0.6%。限制高碱外加剂,控制沪宁土含碱量不得超过2-3kg/m3。因此在选择材料时要注意,在受冻融作用时,则优先选用普通硅酸盐水泥,不宜采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。在采用低、中水化热的水泥时,应以防止因温度应力引起的砼裂缝为前提,选择水泥时尽量选择水泥石中氢氧化钙含量低的水泥,氢氧化钙能够和氯盐发生碱集料反应,影响到水泥石的溶解和溶出量。粗集料应尽量选择高碱性的碳酸岩碎石,它一方面能与水泥有高强度的胶结力,另一方面能形成高碱性的环境,使钢筋界面的钝化膜长期处于钝化态。粗集料品种选用卵石或碎石均可,但碎石优于卵石,优选级配良好的集料是关键。选用粒径较小的石子是为了使砂浆与石子界面间产生的微小裂缝控制在最低程度,因为砼在硬化过程中,石子不会收缩反应,但是包裹石子周围的水泥砂浆却会因为失水等出现收缩现象,由此可见石子与砂浆的变形是不一致的,石子粒径越大,与砂浆收缩的差值也越大,致使砂浆与石子接触面积产生一些细微裂缝孔越大,对砼抗渗、抗冻性能极为不利。特别要注意的是:不得使用过期和受潮结块的水泥,并不得将不同品种、标号的水泥混合使用。

5.2在砼中掺入其他活性材料

常用的掺合料有粉煤灰、电炉硅灰等,为了降低水化热并提高和易性,我们可以把部分水泥用粉煤灰代替,掺入粉煤灰主要有以下作用:由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物,其中二氧化硅含量40%～60%,三氧化二铝含量17%～35%,这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应,是其活性的来源,可以取代部分水泥,从而减少水泥用量,降低砼的热胀,提高砼抗渗性。值得一提的是:由于粉煤灰的比重较水泥小,砼振捣时比重小的粉煤灰容易浮在砼的表面,使上部砼中的掺合料较多,强度较低,表面容易产生塑性收缩裂缝。因此,粉煤灰的掺量不宜过多,在工程中我们应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。

5.3添加剂的应用

保水剂是改善干混砂浆保水性能的最要的添加剂之一,纤维素醚是保水剂中最常用的原料,它是碱纤维素与醚化剂在一定条件下反应生成一系列产物的总称;塑性减水剂绝大多数是由表面活性物质组成,它的功效是靠表面活性物质的分子结构与水泥颗粒之间产生的界面作用体现的;防冻剂从防止结冻和提高砂浆早期强度二个途径防止冻害的发生。亚硝酸钙是防冻效果比较好的防冻剂之一,由于亚硝酸钙中不含钾、钠离子用于砼可减少碱集料活性发生。对于砂浆拌置中防冻剂与早强剂和减水剂的复合使用,可得到满意的使用效果。

5.4对骨料选择使用

如果砼含碱量低于3kg/m3,可以不做骨料活性检验,如果水泥含碱量高或砼总碱量高于3kg/m3,则应对骨料进行活性检测,如经检测为活性骨料,则不能使用,或经与非活性骨料按一定比例混合后,经试验对工程无损害时,方可按试验规定的比例混合使用。

5.5隔绝水和湿空气的来源

长期处于潮湿环境中的砼。由于建筑物的特殊性,砼一般长期处于饱水状态。如水工建筑物内部的水份难以扩散蒸发,仅仅由于胶凝材料的水化一部分拌合水,是非常有限的。而且由于毛细管作用,下部的水也会扩散上来。如果能有效地隔绝水和空气的来源防止砼工程发生碱骨料反应,可阻止或缓和反应对砼工程损害的效果。延长砼建筑物使用年限。

总结:

砼的碱活性反应问题是当前材料学科的研究前沿问题,也是关系到砼工程耐久性的一个至关重要的因素。做好砼的碱活性反应的控制,对于应对我国飞速发展的建设工程具有划时代的意义。

参考文献

[1]砼结构耐久性金伟良 赵羽习著科学出版社北京2002年9月第一版

[2]砼结构自防水措施研究高树东著2002年第1期

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