集料堿析出及其對堿-集料反應的影響.pdf

1、堿-集料反應（Alkali-Aggregate Reaction, AAR）是影響混凝土耐久性的重要因素。由于堿-集料反應膨脹導致的混凝土工程嚴重破壞已經給許多國家?guī)砹司薮髶p失，研究、防治堿-集料反應是許多國家面臨的重大課題?；炷涟l(fā)生堿-集料反應需要三個必要條件：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

2、被認為是預防混凝土發(fā)生堿-集料反應破壞的適宜措施。有些混凝土集料含有較高的堿，以往認為這部分堿只能在混凝土中溶出很少部分，對AAR的影響可忽略，但是隨著在使用低堿水泥的實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，對于集料堿析出可能促進AAR膨脹的問題引起極大的關注。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致混凝土孔溶液中堿含量的大量增加，評估集料堿析出以及可能對AAR的促進成為

3、混凝土AAR研究領域迫切需要解決的問題。 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，為客觀評估集料堿析出對AAR的影響帶來很大的困難，亦是目前針對不同集料進行了眾多的研究而未取得統(tǒng)一認識的主要原因。本文在現(xiàn)有研究基礎上，以含有霞石、鈉長石、鉀長石的集料或含堿礦物為主要研究對象，從以下幾個方面進行了研究，對堿性環(huán)境下不同含堿礦物的析堿能力、集料堿析出機理、堿

4、析出對AAR的影響以及可行的抑制措施進行了研究。 1. 含堿礦物析堿能力的熱力學分析 通過熱力學方法對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行了分析。結果表明：（1）集料的堿析出能力與集料中含堿礦物的類型有關，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＞鈉長石＞鉀長石；（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平衡濃度，其最大析堿能力隨孔溶液/集料質量比增大而增大；（3）目前以堿溶液浸泡集料來評估混凝土中集料的堿析出程度的實驗方法，均采用較大的孔溶液/集料比值，高估了集料的析堿能力，其評估結果的可信度值得商榷。 2. 評估集料堿析出對AAR影響的快速檢測方法研究 針對已證明能夠析堿并促進AAR膨脹的霞石正長巖集料，通過研究不同實驗條件下霞石正長巖對AAR膨脹的影響，確定了適宜于快速檢測集料堿析

6、出對AAR影響的實驗方法。具體實驗方法為：試樣成型20mm×20mm×80mm試件，在20℃、90％RH下養(yǎng)護24h，測定初長后置于底層有水的密封養(yǎng)護器中，試樣與水通過帶孔隔板隔開；養(yǎng)護器置于80℃養(yǎng)護箱中養(yǎng)護；養(yǎng)護到齡期后取出養(yǎng)護器，室溫下保濕冷卻24h后取出試樣，測定試樣膨脹率。 鈉長石、鉀長石為混凝土集料中最常見的含堿礦物。通過快速實驗方法對含有鈉長石、鉀長石礦物的白崗巖集料進行的實驗表明：含有鈉長石、鉀長石礦物的白崗巖集

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

8、正長巖、白崗巖粒度為0.15mm～0.65mm及以上時，粒度變化對試樣膨脹率變化影響很??；在粒度＜0.15mm時，摻入霞石正長巖、白崗巖將使得試樣膨脹率迅速降低，表明此時霞石正長巖、白崗巖對AAR促進作用減弱；（3）不同巖石粉對AAR膨脹促進作用存在差異，且隨著水泥堿含量變化而不同。在使用低堿水泥時，巖石粉中含堿礦物對AAR膨脹促進作用依次為霞石＞鈉長石＞鉀長石；在使用高堿水泥條件下，含堿礦物對AAR膨脹促進作用依次為鈉長石＞鉀長石＞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對AAR的促進作用顯著降低，甚至不表現(xiàn)出明顯的促進膨脹作用，這與鈉長石、鉀長石礦物相比存在較大區(qū)別。 4. 不同含堿礦物的析堿機理 采用堿溶液浸泡集料以及混凝土中可溶堿測定等目前用于評估集料堿析出的方法，對霞石正長巖、白崗巖等在混凝土中的堿析出進行了測定，并通過BSI、EDS、SEI、MAS-NMR等測試手段對含堿集料在堿性環(huán)境下的析堿機理進行了系統(tǒng)研究，主要結論有：（1

10、）測定了霞石正長巖、白崗巖在不同的堿性溶液中的堿析出量，結果表明霞石正長巖、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，最大析堿量受到堿溶液濃度和體積以及集料反應層體積的影響。根據(jù)實驗結果得出霞石正長巖、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）采用熱水提取法測定了霞石正長巖、白崗巖等含堿集料在混

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

12、發(fā)生分解，由架狀結構轉變成層狀結構，并因此釋放出堿；鈉長石、鉀長石礦物在堿溶液中不發(fā)生分解反應，礦物結構仍為架狀，但由于溶液中Ca在離子交換作用下進入結構，生成類似鈣長石的產物并因此釋放出堿。 5. 集料堿析出及其對AAR影響的抑制措施探討 根據(jù)霞石、鈉長石、鉀長石的析堿機理研究，為抑制含堿礦物在混凝土中的堿析出及對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，并采用快速實驗方法對采用兩