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碱集料反应及不同形式碱对碱集料反应的影响

  • 分类:知识解答
  • 作者:张其林
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  • 发布时间:2020-08-28
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【概要描述】

碱集料反应及不同形式碱对碱集料反应的影响

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  • 分类:知识解答
  • 作者:张其林
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  • 发布时间:2020-08-28 11:47
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碱集料反应及不同形式碱对碱集料反应的影响

2006/03/14

      摘 要:介绍了碱集料反应的种类、机理以及预防碱集料反应的六条措施,同时分析了水泥中的碱、混合材中的碱以及拌合水和外加剂中碱的存在形式,指出降低水泥中的可溶碱、增加固溶熟料中的碱是抑制碱集料反应的有效途径。

 

      关键词:碱集料反应,可溶碱,固溶碱

 

 

      所谓碱集料反应(英文简称AAR) 就是水泥(或混凝土) 中的碱与某些骨料发生化学反应,引起膨胀开裂,甚至破坏。含有碱活性矿物的集(骨) 料称为碱活性集(骨) 料,亦称为碱集(骨) 料。

 

      1940 年被美国的斯坦顿( T. E. stanton) 首次证实,因为碱集料反应引起混凝土工程破坏以来,AAR 已越来越受到各国建筑工程师、材料工程师和政府有关部门的重视。

 

      众所周知,混凝土是由固相、液相和气相组成的。固相主要由水泥及掺合料水化后的水化产物和集料组成;液相就是存在于极细孔隙中的含有多种离子的水溶液,即所谓的孔溶液;气相则是分布于混凝土中的大小不等的气孔。混凝土中的碱,一部分存在于固相中,一部分存在于液相中,即孔溶液中。由于碱的存在环境不同,因此其对碱集料反应的影响也就不同。封孝信等[1]将水泥中的碱含量分为三种:总碱量、可溶性碱量及有害碱。P. J .Nixon 等人[2]的研究证明,孔溶液的碱度降低与抑制碱集料反应引起的膨胀有较好的关系。因此,若能将孔溶液中的碱度降低到一定程度,则可抑制碱集料反应的发生。

 

       碱骨料反应的分类和机理


      1. 1  碱硅酸反应


      水泥中的碱与骨料中的活性SiO2 成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶,碱硅凝胶固相体积大于反应前的体积,而且有强烈的吸水性,吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力,而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展,使混凝土内部膨胀应力增大,导致混凝土开裂,发展严重的会使混凝土结构崩溃。

 

      1. 2  碱碳酸盐反应


      一般的碳酸岩———石灰石和白云石是非活性的,只有象加拿大金斯敦这种泥质、石灰质的白云石,才发生碱碳酸盐反应。

 

      碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应完全不同,在泥质、石灰白云石中含粘土和方解石较多,碱与这种碳酸钙镁反应时,将其中的白云石[MgCO3 ]转化为镁石[MgOH2] ,水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀,引起混凝土内部应力,导致混凝土开裂。

 

      1. 3  碱硅酸盐反应


      这类反应主要指水泥(或混凝土) 中碱与某些层状硅酸盐集料反应并导致砂浆或混凝土产生异常膨胀,这一类反应亦可归为碱硅酸反应。

 

      1. 4  其他碱集料反应


      1) 高硅质砂砾石集料在砂浆或混凝土中引起地图形开裂;


      2)含粘土多的水成岩(杂砂岩、泥质板岩、千枚岩、泥质岩石等) 由于碱硅酸反应(粘土是层状晶格硅酸盐) ,引起粘土矿物剥落

 

       不同形式的碱对碱集料反应的影响


      2. 1  水泥中的碱


      水泥中的碱是混凝土碱的最大来源。水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。碱在水泥中以可溶和不可溶的形式存在,可溶部分很大程度上以Na2SO4 存在,也可能以一连续系列钾钠复盐存在,组成从NK4S5 NK5S6 变化。也曾找到KC2S3 化合物。有的熟料含K2CO3 Na2CO3 。不溶碱主要以KC23S12 NC23S12 或两者的固溶体存在于C2S 中,及以NC8A3KC8A3 或两者的固溶体存在于C3A 中及以铝共存于C4AF 组分中。研究表明[4]:在熟料矿物中,固溶于C2S 中的碱参与碱集料反应的程度要比固溶于C3A 中的碱轻得多。当水泥加水后,硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中,而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中,同时溶入水中的碱又有部分被水化产物C—S—H所吸收。C—S—H结合的碱越多,对碱集料反应而言系统越稳定。经实验研究证明[4]Na+K+ C—S—H中的存在量与其Ca/Si比有关,降低C—S—H中的Ca/Si比,可增加其对Na+K+的容纳量。F. P. Glasser 认为,Ca/Si比高时,C—S—H凝胶带正电,排斥Na+K+,使其保留在孔溶液中;Ca/ Si低时,C—S—H带负电,吸引Na+K+H·State 认为C—S—H凝胶的层状机构中,存在Si—OH基团,Na+K+可通过中和Si—OH基团而被结合在C—S—H相的层间。Ca/Si比小时,Si—OH基团量多,可结合更多的Na+K+。经实验表明[4]:当将Al3+SO42- 两种离子分别固溶在C—S—H中,C—S—H的固碱能力将加强。尤其是在C—S—H固溶一定量的Al3+后,C—S—H 固碱能力提高并且比较稳定,通过长期的作用可形成沸石性水化产物,有利于防止碱集料反应的发生。

 

      由上述可见,水泥中的碱并不是全部用于碱集料反应,而是溶入水中未被水化产物吸收的那部分碱(即有害碱) 才参与反应。因此降低水泥中的可溶碱,增加固溶熟料中的碱是减少碱集料反应的有效途径。同时如何降低水化产物C—S—HCa/Si是目前研究者们共同关注的问题。

 

      2. 2  混合材或掺合料中的碱


      生产水泥时或混凝土搅拌时掺入一定量的混合材,可抑制AAR 的发生。目前,常用的混合材或掺合料是矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石等。混合材或掺合料中的碱同样可分为总碱量、可溶性碱量及有害碱量三种。

 

      冯乃谦等人曾将沸石加入NaOH溶液中,发现碱溶液中的Na+浓度明显降低。其机理是沸石具有很强的离子交换能力,Na+进入沸石中,而Ca2+则被交换出来。此外,沸石中含有部分玻璃体,具有火山灰活性,可与CaOH2反应生成C—S—H凝胶,吸收一定量的碱。

 

      研究表明[4],存在于混合材中的碱对碱集料反应的作用最小。杨家智等人认为,不论高碱或低碱水泥,若掺入在活性、数量及细度上都有足够限度的混合材,则其中的碱与骨料就不会产生破坏性膨胀。张雅杰等研究表明,粉煤灰掺量为20 %时,可明显抑制碱集料反应。唐宝国等认为低掺量时高钙粉煤灰对碱集料反应有一定的抑制作用,当掺量小于10 %时,低钙粉煤灰不仅不能抑制反而增大了碱集料反应的膨胀值。

 

      由上述可见,虽然混合材中含有一定的可溶性的有害碱,但加入适量的混合材后能够抑制碱集料反应的发生。

 

      2. 3  拌合水及化学外加剂中的碱


      拌合水中的碱全部是水溶性的,均能参与碱集料反应,对碱集料反应的作用最大,即拌合水中的碱全部为有害碱。

 

      外加剂如减水剂、引气剂、早强剂、防冻剂等的使用是现代混凝土技术发展的一个重要动力,但同时带来某些外加剂引入碱的问题。由于外加剂引入的碱全部是可溶性的,对碱集料反应的作用也最大。因此,为防止碱集料反应,对外加剂中的碱应格外注意。

 

       结语


      目前,我国发生混凝土碱集料反应的情况虽不十分广泛和突出,但由于碱集料反应造成的破坏性巨大,因此当务之急是加快研究混凝土碱集料反应的机理,在此基础上探索防止和抑制混凝土碱集料反应的有效措施。同时在水泥生产中减少水泥中的可溶碱量,增加固溶于熟料中的碱量是抑制碱集料反应的有效措施。混合材或掺合料可降低水泥或混凝土中的可溶的有害碱,从而抑制碱集料反应的发生。化学外加剂中的碱都是可溶碱,可引入大量的有害碱,在应用中应特别注意。

 

      参考文献


[1 ]封孝信,冯乃谦. 水泥及混凝土中的有害碱与无害碱[J ] . 混凝土,2000 10) :326.

[2 ]P. J . Nixon el al. The effect of a pfa with a high total alkali content on pore solution composition and alkali silica reaction Magazine of Co ncrete Research 19863) :30235.

[3 ]莫祥银,李 钢,王 侠,等. LiOH 抑制碱集料反应长期有效性及机理的研究[J ] . 硅酸盐学报,2003 31 2) :1182121.

[4 ]杨立荣. 不同存在形式的碱对混凝土碱硅反应的影响[D] . 硕士学位论文,

 

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