堿-骨料反應(yīng)機(jī)理

反應(yīng)機(jī)理:Na+(K+)+SiO2+OH-→Na(K)-Si-Hgel

膨脹機(jī)理:吸水后的堿硅酸凝膠體體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反應(yīng)前固體體積，最大時(shí)體積可增大3倍以上，大量凝膠體在混凝土骨料界面區(qū)的積聚、膨脹，導(dǎo)致混凝土沿著界面產(chǎn)生不均勻膨脹、開(kāi)裂。

反應(yīng)機(jī)理:堿與白云石發(fā)生反應(yīng),去白云化。

(1)CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3

(2)R2CO3+Ca(OH)2=2ROH+CaCO3

膨脹機(jī)理:Gillott:黏土吸水膨脹，從而造成破壞作用。一方面，R+、OH-和水等進(jìn)入受限制的緊密空間產(chǎn)生膨脹，另一方面，固相反應(yīng)產(chǎn)物的框架體積的增大以及水鎂石和方解石晶體生長(zhǎng)形成的結(jié)晶壓，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。

堿-骨料反應(yīng)的類型主要為以下兩種

1、堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction，簡(jiǎn)稱ASR)，是指混凝土中的堿與不定型二氧化硅的反應(yīng);

2、堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction，簡(jiǎn)稱ACR)，是指混凝土中的堿與某些碳酸鹽礦物的反應(yīng)。

堿-骨料反應(yīng)是固相與液相之間的反應(yīng)，起發(fā)生具備三個(gè)要素:Ⅰ堿活性骨料;Ⅱ有堿存在(K、Na等離子);Ⅲ水。

有人試圖用阻擋水分來(lái)源的方法控制堿骨料反應(yīng)的發(fā)展，例如筆者見(jiàn)過(guò)的日本從大孤到神戶的高速公路松原段陸地立交橋，橋墩和梁發(fā)生大面積堿骨料反應(yīng)開(kāi)裂，日本曾采取將所有裂縫注入環(huán)氧樹(shù)脂，注射后又將整個(gè)梁、橋墩表面全用環(huán)氧樹(shù)脂涂層封閉，企圖通過(guò)阻止水分和濕空氣進(jìn)入的方法控制堿骨料反應(yīng)的進(jìn)展，結(jié)果僅僅經(jīng)過(guò)一年，又多處開(kāi)裂。因此世界各國(guó)都是在配制混凝土?xí)r采取措施，使混凝土工程不具備堿骨料反應(yīng)的條件。

堿骨料反應(yīng)是指水泥中的堿性氧化物含量較高時(shí)，會(huì)與骨料中所含的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ，并在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹，導(dǎo)致混凝土脹裂現(xiàn)象。

(1) 混凝土中堿含量:過(guò)量的Na2O(Na2O+0.66K2O)

來(lái)自水泥、外加劑、摻合料、骨料、拌合水等組分及周?chē)h(huán)境。

低堿水泥:鈉、鉀含量小于0.6%的水泥稱為低堿水泥。

發(fā)生堿骨料反應(yīng)的堿含量范圍:高活性的硅質(zhì)骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3;中等活性的硅質(zhì)骨料，大于3.0kg/m3;堿-碳酸鹽反應(yīng)活性骨料，大于1.0kg/m3。

(2) 堿活性骨料

含活性二氧化硅的巖石分布很廣，堿-碳酸鹽反應(yīng)活性的只有黏土質(zhì)白云石質(zhì)石灰石。充分掌握骨科堿活性的情況，建立堿活性骨料分布圖。

(3) 潮濕環(huán)境

現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)資料充分證明，絕大部分混凝土構(gòu)筑物在季節(jié)性氣候變化的暴露條件下，其內(nèi)部的相對(duì)濕度足以維持膨脹性AAR，因此在沙漠地帶的大多數(shù)公路、大壩以及干燥氣候條件下的橋面和柱也可能保持內(nèi)部濕度而斷續(xù)發(fā)生膨脹反應(yīng)。同時(shí)，在控制環(huán)境條件下，室內(nèi)的大型混凝土構(gòu)件也能長(zhǎng)期維持適當(dāng)?shù)南鄬?duì)濕度。因此雖然水是堿-骨料反應(yīng)發(fā)生的必要條件之一，但是并沒(méi)有好的方法預(yù)防這一點(diǎn)。

1)混凝土堿含量

堿含量越高，堿骨料反應(yīng)膨脹開(kāi)裂越嚴(yán)重;硅質(zhì)集料的活性越高，其"安全總堿含量"越低。

2)活性骨料含量與尺寸:每種活性骨料都存在一個(gè)最不利摻量范圍，這與混凝土中活性SiO2/堿含量有關(guān)

3)礦物摻合料:可有效抑制堿骨料反應(yīng)對(duì)混凝土的破壞。

4)環(huán)境溫度與濕度:高溫、高濕環(huán)境對(duì)堿骨料反應(yīng)有明顯加速作用。

5)其它因素:

摻入引氣劑，可在一定程度上減小堿骨料反應(yīng)膨脹;

骨料顆粒級(jí)配的影響:對(duì)于不同的活性二氧化硅含量，存在一個(gè)不同的最不利顆粒尺寸，此時(shí)的膨脹壓力最大。

受力狀態(tài):受外約束力作用越大，膨脹開(kāi)裂越小。

1、控制水泥含堿量自1941年美國(guó)提出水泥含量低于0.6%氧氣化鈉當(dāng)量(即Na2O+0.658K2O)為預(yù)防發(fā)生堿骨料反應(yīng)的安全界限以來(lái)，雖然對(duì)有些地區(qū)的骨料在水泥含量低于0.4%時(shí)仍可發(fā)生堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害，但在一般情況下，水泥含堿量低于0.6%作為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的安全界限已為世界多數(shù)國(guó)家所接受，已有二十多個(gè)國(guó)家將此安全界限列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。許多國(guó)家如新西蘭、英國(guó)、日本等國(guó)內(nèi)大部分水泥廠均生產(chǎn)含堿量低于0.6%的水泥。加拿大鐵路局則規(guī)定，不論是否使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含堿量低于0.6%的低堿水泥。

2、控制混凝土中含堿量由于混凝土中堿的來(lái)源不僅是從水泥，而且從混合材、外加劑、水，甚至有時(shí)從骨料(例如海砂)中來(lái)，因此控制混凝土各種原材料總堿量比單純控制水泥含堿量更重要。對(duì)此，南非曾規(guī)定每m3混凝土中總堿量不得超過(guò)2.1kg，英國(guó)提出以每m3混凝土全部原材料總堿量(Na2O當(dāng)量)不超過(guò)3kg，已為許多國(guó)家所接受。

3、對(duì)骨料選擇使用如果混凝土含堿量低于3kg/m3，可以不做骨料活性檢驗(yàn)，如果水泥含堿量高或混凝土總堿量高于3kg/m3，則應(yīng)對(duì)骨料進(jìn)行活性檢測(cè)，如經(jīng)檢測(cè)為活性骨料，則不能使用，或經(jīng)與非活性骨料按一定比例混合后，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)工程無(wú)損害時(shí)，方可按試驗(yàn)規(guī)定的比例混合使用。

4、摻混合材摻某些活性混合材可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。根據(jù)各國(guó)試驗(yàn)資料，摻S--10%的硅灰可以有效的抑制堿骨料反應(yīng)，據(jù)悉冰島自1979年以來(lái)，一直在生產(chǎn)水泥時(shí)摻5-7.5%硅灰，以預(yù)防堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害。另外摻粉煤灰也很有效，粉煤灰的含堿量不同，經(jīng)試驗(yàn)，即使含堿量高的粉煤灰，如果取代30%的水泥，也可有效地抑制堿骨料反應(yīng)。另外常用的抑制性混合材還有高爐礦渣，但摻量必須大于50%才能有效地抑制堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害，現(xiàn)大美、英、德諸國(guó)對(duì)高爐礦渣的推薦摻量均為 50%以上。

5、隔絕水和濕空氣的來(lái)源如果在擔(dān)心混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)的部位能有效地隔絕水和空氣的來(lái)源，也可以取得緩和堿骨料反應(yīng)對(duì)工程損害的效果。