摘要:混凝土堿骨料反應(yīng)可分為堿- 硅酸反應(yīng)(ASR) 和堿- 碳酸鹽反應(yīng)(ACR) 兩種,均造成混凝土膨脹開裂,加之與鋼筋銹蝕、凍融協(xié)同效應(yīng)嚴(yán)重影響混凝土的耐久性能?，F(xiàn)結(jié)合南水北調(diào)中線工程實(shí)踐,介紹有關(guān)堿骨料檢驗(yàn)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)對(duì)易縣段混凝土堿骨料反應(yīng)預(yù)防措施進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞:堿活性骨料;檢驗(yàn)與評(píng)定;堿含量;抑制措施
中圖分類號(hào): TV431 ; TV68 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1672-1683 (2008) 02-0026-02
1 研究背景
自1940 年美國(guó)首先發(fā)現(xiàn)并證實(shí)混凝土工程堿骨料反應(yīng)破壞以來,在法國(guó)、丹麥、澳大利亞等地相繼出現(xiàn)各種工程破壞事例,從統(tǒng)計(jì)資料顯示,將近有15 %的建筑物遭受不同程度的堿骨料反應(yīng)破壞。我國(guó)首先是在立交橋、機(jī)場(chǎng)和鐵路路枕工程中發(fā)現(xiàn)的,北京三元立交橋建成于1984 年,骨料采用北京地區(qū)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(qiáng)劑和防凍劑,混凝土的堿含量最高達(dá)到15kg/ m3 ,到20 世紀(jì)80 年代末,蓋梁及橋臺(tái)等部位嚴(yán)重開裂,裂縫寬度最大達(dá)1. 4 cm ,在漏水部位的破壞明顯有與鋼筋銹蝕、凍融等的協(xié)同效應(yīng)。堿骨料反應(yīng)已成為混凝土工程的全球性災(zāi)難性問題,自1974 年至今已經(jīng)召開了12 次國(guó)際會(huì)議,此外有關(guān)的水泥及混凝土?xí)h也對(duì)AAR 問題進(jìn)行了專門討論,由此可見世界各國(guó)都對(duì)此給予了高度重視。
1 堿骨料反應(yīng)機(jī)理及危害
1. 1 堿骨料反應(yīng)機(jī)理
堿骨料反應(yīng)(AAR) 是指混凝土孔隙溶液中由水泥、含堿外加劑和環(huán)境中的堿離子與骨料中的有害物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)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(yīng)分為堿- 硅酸反應(yīng)(ASR) 和堿- 碳酸鹽反應(yīng)(ACR) 。
(1) 堿- 硅酸反應(yīng)是指骨料中的活性二氧化硅成分與混凝土中的堿之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成白色堿硅酸凝膠,固體凝膠具有強(qiáng)烈吸水膨脹的特性,體積最大可膨脹3 倍以上,由于反應(yīng)一般發(fā)生在骨料與水泥石界面,混凝土內(nèi)部不均勻膨脹勢(shì)必引起開裂,且界面狀況改變也影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
(2) 堿- 碳酸鹽反應(yīng)是指混凝土中的堿與具有特定結(jié)構(gòu)的黏土質(zhì)細(xì)粒白云質(zhì)石灰?guī)r或黏土質(zhì)細(xì)粒白云巖骨料發(fā)生去白云石化反應(yīng),反應(yīng)使得菱形白云石晶體遭受破壞,致使其內(nèi)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(yīng)危害
無論是為堿- 硅酸反應(yīng)還是堿- 碳酸鹽反應(yīng)(ACR) ,其破壞特征均表現(xiàn)為混凝土膨脹開裂,大量微裂縫的產(chǎn)生不僅降低混凝土的力學(xué)性能,更重要的是加速了水、腐蝕離子滲入混凝土內(nèi)部,從而誘發(fā)堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕、凍融破壞協(xié)同效應(yīng),嚴(yán)重影響了混凝土工程耐久性能。再有堿骨料反應(yīng)是在混凝土堿活性骨料周圍緩慢、長(zhǎng)期發(fā)生的,不僅無法阻止其破壞繼續(xù)發(fā)展,且破壞后不宜修復(fù),因此被稱為混凝土的“癌癥”。
2 骨料堿活性評(píng)定
骨料堿活性評(píng)定是預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)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(jìn)一步來說關(guān)系到預(yù)防混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞的成敗。骨料堿活性的檢驗(yàn)方法包括巖相法、化學(xué)法、快速砂漿棒法、混凝土棱柱體法、巖石柱法等,目前區(qū)域及行業(yè)間不僅沒有形成普遍認(rèn)可的方法,且同一種方法的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)又有所差異。
為了有效預(yù)防南水北調(diào)中線工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞,中國(guó)水利水電科學(xué)研究院專門編制了南水北調(diào)中線干線工程標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條例(試行) 》,其檢驗(yàn)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在參照《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(以后簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》) 的基礎(chǔ)上,在有些方面有所側(cè)重地進(jìn)行了細(xì)化。
2. 1 骨料堿活性檢驗(yàn)方法
骨料堿活性檢驗(yàn)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(jié)果以指導(dǎo)后續(xù)選擇合適的骨料堿活性檢測(cè)方法,對(duì)于含有硅質(zhì)活性成分的采用快速砂漿棒法檢驗(yàn),含有白云巖礦物成分的采用巖石圓柱法檢驗(yàn)。
2. 2 骨料堿活性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)
快速砂漿棒法(適用于堿—硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)) :砂漿試件14 d 的膨脹率小于0. 10 % ,為非堿硅酸反應(yīng)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(yīng)活性骨料;14 d 試件膨脹率在0. 10 %～0. 20 %之間時(shí),將試件觀測(cè)齡期延至28 d ,若試件膨脹率未超過0. 20 %時(shí),則判定骨料為堿- 硅酸反應(yīng)疑似活性骨料;若試件膨脹率大于0. 20 %時(shí),則判定骨料為堿- 硅酸反應(yīng)活性骨料。對(duì)于14 d 試件膨脹率在0. 10 %～0. 20 %之間的情況《, 技術(shù)條例》相對(duì)于《試驗(yàn)規(guī)程》的界定進(jìn)行了細(xì)化,更具有可操作性。
巖石圓柱法(適用于堿- 碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)) :試件浸泡84 d 時(shí)間膨脹率在0. 10 %以上時(shí),判定骨料具有潛在堿活性危害。
2. 3 抑制效果試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)
采用抑制骨料堿活性效能試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)試件采用工程水泥和骨料制作,對(duì)比試件用75 %工程水泥、25 %(20 %) 工程粉煤灰和骨料制作,試驗(yàn)方法與“快速砂漿棒法”相同。判定抑制有效的標(biāo)準(zhǔn):對(duì)比試件14 d 齡期砂漿膨脹率降低率不小于75 % ,且對(duì)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(yīng)預(yù)防措施分析
混凝土工程使用非堿活性骨料是預(yù)防堿骨料反應(yīng)最安全措施,但當(dāng)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡不得不使用活性骨料時(shí),則應(yīng)根據(jù)骨料的活性類型以及區(qū)域內(nèi)原材料的情況,進(jìn)行預(yù)防堿骨料反應(yīng)的方案設(shè)計(jì),主要考慮兩方面內(nèi)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(jìn)行抑制。
3. 1 骨料堿活性檢測(cè)
易縣段南水北調(diào)中線干線工程全長(zhǎng)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(xì)骨料采用中易水河砂。
經(jīng)巖相法分析,石亢巖石為典型的石灰?guī)r,主要成份為方解石,且礦物結(jié)晶顆粒極細(xì),含有少量白云石、石英和黏土礦物;井爾峪巖石為石灰?guī)r,主要成份為方解石,基質(zhì)中有少量的硅質(zhì)和泥質(zhì),硅質(zhì)是由游離的細(xì)粒硅組成的,部分泥質(zhì)是由結(jié)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(zhǎng)石為主,還有少量閃長(zhǎng)石和黑云母等暗色礦物質(zhì)?？焖偕皾{棒法和巖石柱法檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1 和表2 。
按照《技術(shù)條例》或《試驗(yàn)規(guī)程》評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),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(yīng)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(jù)混凝土堿骨料反應(yīng)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(huì)發(fā)生開裂性膨脹?！都夹g(shù)條例》有關(guān)抑制堿- 硅酸反應(yīng)堿含量控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(huán)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(diào)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(shù)條例》標(biāo)準(zhǔn)。工程主要是使用鼎新和鹿泉水泥,從歷次檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,一般在0. 55 %左右,最大到0. 59 %。普通結(jié)構(gòu)混凝土的堿含量一般在1. 4～2. 5 kg/ m3 之間,預(yù)應(yīng)力C50 混凝土的堿含量最大達(dá)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(xì)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(fā)生反應(yīng),進(jìn)而降低孔隙溶液堿濃度以減輕或延緩堿骨料反應(yīng)。抑制材料主要有礦物摻和料和化學(xué)外加劑兩類,后者的研究和應(yīng)用還是有限的。其中粉煤灰作為優(yōu)先抑制材料,其活性二氧化硅成分不僅對(duì)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?jié)B能力和減少水泥水化熱的作用。
易縣段南水北調(diào)中線工程選用粉煤灰作為抑制材料,粉煤灰摻量按照《技術(shù)條例》規(guī)定的抑制效能試驗(yàn)確定,效能試驗(yàn)結(jié)果見表3 ,結(jié)果表明摻入20 %粉煤灰抑制混凝土堿硅酸反應(yīng)有效。由于工程實(shí)施階段僅有一組骨料檢測(cè)評(píng)定為堿活性骨料,并進(jìn)行了抑制效能試驗(yàn),以工程安全考慮,易縣段南水北調(diào)工程混凝土摻加粉煤灰等級(jí)不低于II 級(jí),比例不小于20 %。
4 結(jié)語
南水北調(diào)中線工程是國(guó)家戰(zhàn)略性水利工程,溝通長(zhǎng)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(zhǎng)1241. 2 km。沿線骨料料場(chǎng)分散,且屬活性骨料廣泛分布區(qū)域,應(yīng)高度重視料場(chǎng)前期勘察階段和工程實(shí)施階段的堿活性檢驗(yàn)評(píng)定工作,采用堿活性骨料必須制定有效的預(yù)防措施,避免混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞。
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