集料堿析出及其對(duì)堿-集料反應(yīng)的影響.pdf

1、堿-集料反應(yīng)（Alkali-Aggregate Reaction, AAR）是影響混凝土耐久性的重要因素。由于堿-集料反應(yīng)膨脹導(dǎo)致的混凝土工程嚴(yán)重破壞已經(jīng)給許多國(guó)家?guī)?lái)了巨大損失，研究、防治堿-集料反應(yīng)是許多國(guó)家面臨的重大課題。混凝土發(fā)生堿-集料反應(yīng)需要三個(gè)必要條件：集料具有潛在活性；混凝土孔溶液有足夠高的堿度；混凝土處于高濕度環(huán)境下。在使用活性集料的混凝土中，使用低堿水泥（堿含量Na2Oe<0.6％）或限制混凝土中的堿含量在一定范圍內(nèi)

2、被認(rèn)為是預(yù)防混凝土發(fā)生堿-集料反應(yīng)破壞的適宜措施。有些混凝土集料含有較高的堿，以往認(rèn)為這部分堿只能在混凝土中溶出很少部分，對(duì)AAR的影響可忽略，但是隨著在使用低堿水泥的實(shí)際混凝土工程中仍然發(fā)生AAR破壞以及隨之發(fā)現(xiàn)的混凝土孔溶液中存在大量可溶堿的事實(shí)，對(duì)于集料堿析出可能促進(jìn)AAR膨脹的問(wèn)題引起極大的關(guān)注。由于集料是混凝土的主要組分，集料中的堿既使析出很少部分亦將導(dǎo)致混凝土孔溶液中堿含量的大量增加，評(píng)估集料堿析出以及可能對(duì)AAR的促進(jìn)成為

3、混凝土AAR研究領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。 集料中的堿存在于各種含堿礦物中，在不同的集料中含堿礦物類型和含量等存在很大差異，在混凝土中能析出的堿量存在很大差別，為客觀評(píng)估集料堿析出對(duì)AAR的影響帶來(lái)很大的困難，亦是目前針對(duì)不同集料進(jìn)行了眾多的研究而未取得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的主要原因。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，以含有霞石、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石的集料或含堿礦物為主要研究對(duì)象，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究，對(duì)堿性環(huán)境下不同含堿礦物的析堿能力、集料堿析出機(jī)理、堿

4、析出對(duì)AAR的影響以及可行的抑制措施進(jìn)行了研究。 1. 含堿礦物析堿能力的熱力學(xué)分析 通過(guò)熱力學(xué)方法對(duì)含堿鋁硅酸鹽礦物在堿性環(huán)境下的理論最大析堿能力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）集料的堿析出能力與集料中含堿礦物的類型有關(guān)，在pH＝13~14的堿性環(huán)境下，含堿礦物的最大堿析出能力依次為片鋁鈉石＞白榴石＞霞石＞脫水方沸石＞鈉云母＞白云母＞硬玉＞鈉長(zhǎng)石＞鉀長(zhǎng)石；（2）含堿礦物的分解析堿能力隨著溶液pH增大而不同幅度增大（霞石例外

5、）。在堿溶液中各含堿礦物均存在反應(yīng)平衡濃度，其最大析堿能力隨孔溶液/集料質(zhì)量比增大而增大；（3）目前以堿溶液浸泡集料來(lái)評(píng)估混凝土中集料的堿析出程度的實(shí)驗(yàn)方法，均采用較大的孔溶液/集料比值，高估了集料的析堿能力，其評(píng)估結(jié)果的可信度值得商榷。 2. 評(píng)估集料堿析出對(duì)AAR影響的快速檢測(cè)方法研究 針對(duì)已證明能夠析堿并促進(jìn)AAR膨脹的霞石正長(zhǎng)巖集料，通過(guò)研究不同實(shí)驗(yàn)條件下霞石正長(zhǎng)巖對(duì)AAR膨脹的影響，確定了適宜于快速檢測(cè)集料堿析

6、出對(duì)AAR影響的實(shí)驗(yàn)方法。具體實(shí)驗(yàn)方法為：試樣成型20mm×20mm×80mm試件，在20℃、90％RH下養(yǎng)護(hù)24h，測(cè)定初長(zhǎng)后置于底層有水的密封養(yǎng)護(hù)器中，試樣與水通過(guò)帶孔隔板隔開(kāi)；養(yǎng)護(hù)器置于80℃養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)到齡期后取出養(yǎng)護(hù)器，室溫下保濕冷卻24h后取出試樣，測(cè)定試樣膨脹率。 鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石為混凝土集料中最常見(jiàn)的含堿礦物。通過(guò)快速實(shí)驗(yàn)方法對(duì)含有鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物的白崗巖集料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：含有鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物的白崗巖集

7、料也能促進(jìn)AAR膨脹。此結(jié)果表明混凝土集料中所含堿可能促進(jìn)AAR，應(yīng)引起重視。 3. 集料析堿對(duì)AAR的影響 通過(guò)快速實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同水泥堿含量條件下霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖集料以及含有霞石、鈉長(zhǎng)石或鉀長(zhǎng)石礦物的巖石粉對(duì)AAR的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）在水泥堿含量較低時(shí)，霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖均顯著促進(jìn)AAR膨脹，隨著水泥堿含量提高，兩者的促進(jìn)作用均減弱，其中霞石正長(zhǎng)巖對(duì)AAR促進(jìn)作用受到水泥堿含量變化的影響更大；（2）霞石

8、正長(zhǎng)巖、白崗巖粒度為0.15mm～0.65mm及以上時(shí)，粒度變化對(duì)試樣膨脹率變化影響很?。辉诹６龋?.15mm時(shí)，摻入霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖將使得試樣膨脹率迅速降低，表明此時(shí)霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖對(duì)AAR促進(jìn)作用減弱；（3）不同巖石粉對(duì)AAR膨脹促進(jìn)作用存在差異，且隨著水泥堿含量變化而不同。在使用低堿水泥時(shí)，巖石粉中含堿礦物對(duì)AAR膨脹促進(jìn)作用依次為霞石＞鈉長(zhǎng)石＞鉀長(zhǎng)石；在使用高堿水泥條件下，含堿礦物對(duì)AAR膨脹促進(jìn)作用依次為鈉長(zhǎng)石＞鉀長(zhǎng)石＞霞

9、石，其中霞石礦物或含有霞石的集料在水泥堿含量較高時(shí)對(duì)AAR的促進(jìn)作用顯著降低，甚至不表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)膨脹作用，這與鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物相比存在較大區(qū)別。 4. 不同含堿礦物的析堿機(jī)理 采用堿溶液浸泡集料以及混凝土中可溶堿測(cè)定等目前用于評(píng)估集料堿析出的方法，對(duì)霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖等在混凝土中的堿析出進(jìn)行了測(cè)定，并通過(guò)BSI、EDS、SEI、MAS-NMR等測(cè)試手段對(duì)含堿集料在堿性環(huán)境下的析堿機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要結(jié)論有：（1

10、）測(cè)定了霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖在不同的堿性溶液中的堿析出量，結(jié)果表明霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖的析堿量與堿溶液濃度、堿溶液中Ca2+離子濃度等有關(guān)，最大析堿量受到堿溶液濃度和體積以及集料反應(yīng)層體積的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖在混凝土中的最大堿析出量為-0.211~0.118 kg/m3混凝土和-0.223~0.093 kg/m3混凝土，并隨著孔溶液中Ca2+離子濃度增加而增大；（2）采用熱水提取法測(cè)定了霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖等含堿集料在混

11、凝土中的堿析出量，結(jié)果表明霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖均能夠使得混凝土中的可溶堿量增大，但是測(cè)定的可溶堿與混凝土孔溶液堿含量之間并無(wú)關(guān)聯(lián)，因此不適用于測(cè)定集料在混凝土中的析堿能力；（3）對(duì)堿溶液中150℃壓蒸處理的霞石正長(zhǎng)巖、白崗巖進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：在Ca(OH)2飽和溶液中，集料中霞石、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物均未發(fā)生分解，析堿是由于含堿礦物與溶液中的Ca發(fā)生離子交換反應(yīng)所致。在Ca(OH)2飽和溶液中加入KOH濃度達(dá)到0.1mol/l以上時(shí)，霞石礦物

12、發(fā)生分解，由架狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成層狀結(jié)構(gòu)，并因此釋放出堿；鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石礦物在堿溶液中不發(fā)生分解反應(yīng)，礦物結(jié)構(gòu)仍為架狀，但由于溶液中Ca在離子交換作用下進(jìn)入結(jié)構(gòu)，生成類似鈣長(zhǎng)石的產(chǎn)物并因此釋放出堿。 5. 集料堿析出及其對(duì)AAR影響的抑制措施探討 根據(jù)霞石、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石的析堿機(jī)理研究，為抑制含堿礦物在混凝土中的堿析出及對(duì)AAR的影響，提出了大摻量粉煤灰和Ca(OH)2飽和溶液處理含堿集料的抑制措施，并采用快速實(shí)驗(yàn)方法對(duì)采用兩