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混凝土堿集料反應(yīng)影響因素分析
混凝土堿集料反應(yīng)影響因素分析
堿集料反應(yīng)是由于混凝土孔溶液中的 Na+、K+、OH-等有效堿離子與骨料中的活性硅質(zhì)組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹、開裂的一種現(xiàn)象。堿集料反應(yīng)屬于混凝土耐久性破壞最主要的因素之一。
1 堿集料反應(yīng)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外學(xué)者大量研究了關(guān)于堿集料反應(yīng)對混凝土耐久性的影響[1,2,3].1940 年，堿集料反應(yīng)被 Stanton 發(fā)現(xiàn)并證實(shí)[4].根據(jù)骨料中不同有害礦物種類，混凝土 AAR 主要劃分為兩類，堿硅酸反應(yīng)簡稱ASR（ Alkali Silica Reaction） 和堿碳酸鹽反應(yīng)簡稱 ACR（ Alkali Car-bonate Reaction） .美國遭受 AAR 破壞的混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重，包括大壩、機(jī)場、海工構(gòu)筑物以及各種橋梁道路都出現(xiàn)混凝土堿集料反應(yīng)破壞。
導(dǎo)致近年來 AAR 破壞問題突出的是由于使用新型化冰鹽（ 醋酸鉀和醋酸鈉） .于是，美國曾分別通過不同研究計(jì)劃持續(xù)資助開展混凝土堿集料反應(yīng)研究以減少由此造成的損失。美國迄今為止針對 ASR 研究的最大資助項(xiàng)目是 2005 年美國國會簽署高速公路交通安全法案。該項(xiàng)目資金達(dá)到 1000 萬美元，以預(yù)防和減輕混凝土 ASR 為目的，圍繞破壞產(chǎn)物和機(jī)理、制定規(guī)范和培訓(xùn)相關(guān)人員，減輕堿集料反應(yīng)破壞損失。之后，混凝土結(jié)構(gòu)堿集料反應(yīng)破壞的事例開始出現(xiàn)在世界各地。丹麥、美國、英國、法國等許多國家的公路、橋梁以及各類工業(yè)與民用建筑都遭到了 AAR 破壞并且程度各不相同，有的建筑物幾乎已經(jīng)徹底毀壞[5,6,7].
中國學(xué)者于 20 世紀(jì) 90 年代之前未曾發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)工程堿集料反應(yīng)破壞。90 年代后期，中國國內(nèi)水泥中堿含量高出安全堿限值許多，再加上大量活性堿骨料使用于混凝土結(jié)構(gòu)工程中，這些將對既有建筑物的耐久性構(gòu)成巨大的威脅。因?yàn)?90 年代后期，中國國內(nèi)使用了大量活性堿骨料使用于混凝土結(jié)構(gòu)工程中，再加上混凝土水泥中堿含量超標(biāo)，這些對混凝土堿集料反應(yīng)的控制是很不利的。據(jù)此推斷，不久的將來，中國混凝土結(jié)構(gòu)工程 AAR 呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢。不過，近年來中國也開始高度重視混凝土 AAR 預(yù)防工作。如《青藏鐵路工程摻和料抑制堿硅酸反應(yīng)有效性評估方法的該評估方法》的出臺就是很好的一個(gè)例子。該方法由青藏鐵路建設(shè)總指揮部聯(lián)合中國建材院等單位制定，目的也是為了控制混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生。《青藏鐵路工程摻和料抑制堿硅酸反應(yīng)有效性評估方法的該評估方法》也編入《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》（ TZ210 -2005） 附錄 G 第 G2 條。
2 堿集料反應(yīng)影響因素
2. 1 活性骨料對堿集料反應(yīng)的影響
活性骨料是堿集料反應(yīng)的必要反應(yīng)物之一。近來有研究表明[8]活性骨料與非活性骨料之間的比例大小也影響混凝土堿集料反應(yīng)。當(dāng)活性骨料與非活性骨料之間的比值達(dá)到 1. 5 時(shí)，混凝土試件堿集料反應(yīng)膨脹率最大，對混凝土結(jié)構(gòu)的危害也最嚴(yán)重。不同活性二氧化硅含量存在最不利顆粒尺寸。當(dāng)活性二氧化硅顆粒尺寸達(dá)到最不利顆粒尺寸時(shí)，堿集料反應(yīng)膨脹壓力最大。許多工程破壞事例也表明，粒徑為 1~ 5mm 活性骨料對堿集料反應(yīng)膨脹開裂最不利。
2. 2 堿對堿集料反應(yīng)的影響
堿是混凝土堿集料反應(yīng)影響因素之一。通常情況下，水泥中的堿含量在 0. 6% ~1. 2%范圍之間，堿含量低于 0. 6% 的水泥屬于低堿水泥。美國、日本都曾廣泛使用這種堿含量低于 0. 6% 的低堿水泥，在一定程度上，低堿水泥的使用減少了 ASR 的發(fā)生。Ozol[9]指出： 當(dāng)水泥用量大、摻用含堿的早強(qiáng)外加劑的混凝土并且混凝土中使用活性骨料時(shí)，混凝土堿含量不得超過 1. 8kg/m3.
2. 3 水對堿集料反應(yīng)的影響
水或潮濕環(huán)境同樣會引起混凝土堿集料反應(yīng)。目前，在考慮水或潮濕環(huán)境對堿集料反應(yīng)的影響時(shí)，主要是從水灰比方面予以展開，控制孔隙水來實(shí)現(xiàn)堿集料反應(yīng)的抑制還是很難做到的。潮濕環(huán)境同樣也會引起混凝土堿集料反應(yīng)。唐明述[10]曾對英國東南部普利茅斯的圓形停車場以及加拿大魁北克城考察公路橋梁混凝土堿集料反應(yīng)破壞情況進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下梁柱遭到堿集料反應(yīng)嚴(yán)重破壞，表明混凝土結(jié)構(gòu)長期處于潮濕環(huán)境中同樣會發(fā)生堿集料反應(yīng)膨脹破壞。同時(shí)，也有研究指出，當(dāng)環(huán)境相對濕度低于 85% 時(shí)，混凝土就不會發(fā)生堿集料反應(yīng)。
2. 4 溫度對堿集料反應(yīng)的影響
溫度也是混凝土堿集料反應(yīng)的影響因素之一。實(shí)際工程中，混凝土堿集料反應(yīng)加速試驗(yàn)與混凝土堿集料反應(yīng)常溫試驗(yàn)有較大差異。劉晨霞[11]運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)表達(dá)溫度對混凝土堿集料反應(yīng)影響，并對混凝土堿集料反應(yīng)速率常數(shù)與養(yǎng)護(hù)溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，采用 Arrhenins 方程，對混凝土堿集料反應(yīng)膨脹情況進(jìn)行模擬預(yù)測，建立了相應(yīng)的膨脹預(yù)測模型。
2. 5 試件尺寸對堿集料反應(yīng)的影響
試件尺寸對混凝土堿集料反應(yīng)也會產(chǎn)生影響。環(huán)境中堿滲透到試件內(nèi)部，試件尺寸對堿滲透過程有影響，并可能影響試件的膨脹率。漿體本身強(qiáng)度對試件膨脹有限制作用。試件尺寸越大，對膨脹的限制作用越強(qiáng)，這種作用對膨脹率有影響。而且外部環(huán)境熱量傳到試件內(nèi)部需要時(shí)間較長，加熱、冷卻都比較慢。沈洋、盧都友等的研究表明[12]:試件尺寸對試件膨脹的基本規(guī)律影響很小，但對試件膨脹率值有影響。同條件下，2cm ×2cm ×8cm 試件膨脹率比 4cm ×4cm ×16cm 試件高，砂漿試件膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小。相比之下，4cm × 4cm ×16cm 砂漿試件膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，砂漿試件尺寸應(yīng)采用 4cm× 4cm × 16cm.
2. 6 凍融循環(huán)對堿集料反應(yīng)的影響
凍融循環(huán)作用也是混凝土堿集料反應(yīng)的影響因素之一，會影響混凝土耐久性。有實(shí)驗(yàn)表明低溫環(huán)境下，混凝土 ASR 緩慢。但加拿大等寒冷地區(qū)也會頻繁產(chǎn)生 ASR,主要原因在于結(jié)構(gòu)同時(shí)受到了凍融循環(huán)等因素的作用。凍融循環(huán)對混凝土堿集料反應(yīng)產(chǎn)生影響，誘發(fā)或加速混凝土堿集料反應(yīng)。Bolton[13]研究了凍融循環(huán)作用下混凝土 ASR.研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土通常不易受到凍融作用，但由于 ASR 裂縫的存在，凍融會對高強(qiáng)混凝土產(chǎn)生損傷。ASR 與凍融循環(huán)共同作用所產(chǎn)生的膨脹明顯大于僅由 ASR 作用產(chǎn)生的膨脹，凍融循環(huán)對堿集料反應(yīng)起到了促進(jìn)作用。
2. 7 引氣對堿集料反應(yīng)的影響
Jensen 和 Chatterji 等[14]研究了引氣對 ASR 的作用，他們對 35 種堿活性不同的砂進(jìn)行了砂漿棒試驗(yàn)，結(jié)果表明平均引氣量為 4% 可降低約 40%的膨脹量。巖相檢查表明，在有活性砂時(shí)，氣泡容易為 ASR凝膠所填充，但對非活性砂，氣泡仍然保持為空的。混凝土的抗凍性是受氣泡含量的影響的，注意到這種對氣泡的填充作用可能會降低其對抗凍性的效果。因此，ASR 會影響混凝土的氣含量，進(jìn)而影響混凝土的抗凍性。
2. 8 侵蝕介質(zhì)對堿集料反應(yīng)的影響
混凝土結(jié)構(gòu)使用期間暴露在外界環(huán)境中，可能遇到各種侵蝕介質(zhì)，硫酸鹽、氯化物屬于最具危害性的侵蝕介質(zhì)。作者曾對硫酸鹽侵蝕作用下混凝土堿硅酸反應(yīng)進(jìn)行研究[15].圖 1 為同溫度同齡期養(yǎng)護(hù)下不同混凝土試件表面裂縫發(fā)展情況，其中圖（ a） 為 ASR 侵蝕破壞混凝土試件表面裂縫，圖（ b） 為 ASR 和硫酸鹽復(fù)合侵蝕作用下裂縫發(fā)展情況。
從圖（ a） 中可知，ASR 作用下混凝土表面會產(chǎn)生不規(guī)則龜裂形狀裂縫，發(fā)展到一定程度裂縫會貫穿整個(gè)表面； 圖（ b） 表明在高濃度硫酸鹽和ASR 復(fù)合作用下，混凝土表面裂縫進(jìn)一步增大、增寬，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯破壞。以上表明，硫酸鹽侵蝕加劇了混凝土 ASR 劣化作用，且高濃度硫酸鹽侵蝕對混凝土 ASR 的劣化作用起到明顯的加速作用�；炷� ASR 提高了孔溶液中硫酸根離子和鈣離子的濃度，促進(jìn)了硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物鈣礬石的生成。鈣礬石的生成又增加了孔溶液中氫氧根離子的濃度，促進(jìn)了混凝土 ASR 的進(jìn)行。混凝土 ASR 和硫酸鹽侵蝕是相互促進(jìn)的一個(gè)過程。
2. 9 荷載對堿集料反應(yīng)的影響
荷載也是混凝土堿集料反應(yīng)的影響因素之一。圖 2 為不同彎曲荷載作用下早齡期混凝土交流阻抗譜，（ a） 、（ b） 分別為不同彎曲荷載作用下混凝土交流阻抗譜 Nyqusit 圖、Bode 圖。圖中，W 代表彎曲荷載，數(shù)字代表彎曲荷載值。從圖（ a） 中可知，受到彎曲荷載作用混凝土試件交流阻抗譜在復(fù)平面中的位置均居于右方，且隨著彎曲荷載值增大而偏向右方，表明受到彎曲荷載作用混凝土試件交流阻抗譜等效電路中的 Rs值越�。� Rs是混凝土試件孔溶液中電解質(zhì)的電阻值） ,混凝土內(nèi)部越密實(shí)，彎曲荷載促進(jìn)了混凝土 ASR.Bode 圖表達(dá)交流阻抗譜特性與頻率之間的關(guān)系，是對 Nyquist 圖的補(bǔ)充和完善。受彎曲荷載作用混凝土試件各時(shí)期相角值均小于未受彎曲荷載作用混凝土試件相角值，表明相角值可以反映持續(xù)彎曲荷載對混凝土 ASR 的影響，與Nyquist 圖具有很好的對應(yīng)關(guān)系。綜上可知，彎曲荷載對混凝土 ASR 起到了促進(jìn)作用，這種促進(jìn)作用隨著彎曲荷載值得增大而加劇。
3 結(jié)語
混凝土堿集料反應(yīng)是耐久性影響因素之一。為了提高混凝土耐久性，各國學(xué)者就混凝土堿集料反應(yīng)問題也展開了大量的科研工作。堿集料反應(yīng)影響因素較多，以往大都是對單因素進(jìn)行研究，研究比較充分，取得的成果也比較多。但是，建筑結(jié)構(gòu)工程所處實(shí)際環(huán)境影響因素眾多，情況復(fù)雜，多重因素交織在一起，混凝土內(nèi)部劣化損傷是多重因素相互影響的結(jié)果。要從根本上進(jìn)行有效的抑制混凝土堿集料反應(yīng)，必須正確認(rèn)識雙重或多重環(huán)境因素對混凝土損傷的影響，找出其機(jī)理并建立相應(yīng)的損傷模型，這些仍然還處于探索起步階段�；炷翂A集料反應(yīng)與環(huán)境因素雙重或多重作用對混凝土損傷的影響值得深入研究探討，并采用多種檢測手段對混凝土損傷進(jìn)行檢測，例如交流阻抗譜法，這可能成為今后的發(fā)展方向。
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