混凝土耐久性的研究

1、混凝土耐久性研究(ynji)匯報(hubo)人：劉哲2015-11-04 共三十二頁 混凝土耐久性研究(ynji)背景論文研究(ynji)的介紹混凝土耐久性關(guān)于抑制方法和機(jī)理AAR的定義共三十二頁研究(ynji)背景美國(mi u)每年維修加固3千億基礎(chǔ)設(shè)施6萬億耐久性不足每年150-200座損壞50萬座橋梁壽命不足20年約占建設(shè)時40-50%混凝土工程30-50年后加固中國我國六七十年代的混凝土工程已使用40余年，平均壽命按30-50年計，今后的10-20年間，維修耗資巨大。國家提出一帶一路概念開設(shè)亞投行，投資建設(shè)周邊友好國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，更要求高水平高質(zhì)量混凝土設(shè)計。共三十二頁堿集料反應(yīng)

2、(fnyng)的定義堿集料反應(yīng)(簡稱AAR)是指混凝土孔溶液中由水泥、含堿外加劑和環(huán)境等釋放的Na+、K+、OH-與集料中的有害礦物產(chǎn)生具有膨脹性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)膨脹和開裂。由于AAR是在若干年后逐漸(zhjin)發(fā)生,造成混凝土耐久性下降, 且由于反應(yīng)發(fā)生在整個混凝土內(nèi)部,因此破壞既難以預(yù)防阻止,更不易修補(bǔ)和挽救,故被稱為混凝土的“癌癥”。 影響混凝土耐久性的主要因素：混凝土的堿集料反應(yīng)；混凝土的碳化；混凝土中鋼筋的銹蝕；凍融破壞；外部化學(xué)侵蝕；混凝土的表面磨損。其中堿集料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction,簡稱AAR)是影響混凝土耐久性的重要因素之一。內(nèi)

3、部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿集料、內(nèi)部裂縫表面裂縫、變形和滲出物空氣、水、CO2共三十二頁AAR的三種(sn zhn)類型堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction) 該反應(yīng)由美國的斯坦頓在1940年前提出。它是指堿與集料中的活性SiO2發(fā)生反應(yīng)，生成堿性硅酸鹽凝膠，該凝膠吸水膨脹(體積可增大3倍)，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹壓和滲透壓，致使混凝土開裂。堿是指水泥中所含的鈉和鉀的氧化物，首先在混凝土內(nèi)部的水泥水化反應(yīng)中生成強(qiáng)堿性氫氧化物。 NaOH和KOH再與粗細(xì)集料中的非結(jié)晶(jijng)活性氧化硅相作用,生成硅酸堿類，反應(yīng)式如下：Si-O-Si+H2OSi-OHOH-SiSi

4、-OH+OH-SiO-十H2O2ROH+nSiO2R2OnSiO2H2O共三十二頁AAR的三種(sn zhn)類型堿-硅酸鹽反應(yīng)(fnyng)(Alkali-Silicate Reaction) 該反應(yīng)于1965年由蓋羅特、斯文森等人提出。堿與某些層狀硅酸鹽集料反應(yīng)，使層狀硅酸鹽的層間距離由lnm增大到1.26nm，從而集料發(fā)生膨脹，致使混凝土開裂。堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction)該反應(yīng)是1957年由斯文森提出，是指水泥中的堿與泥質(zhì)白云石質(zhì)、石炭巖集料產(chǎn)生“脫白云石化”的結(jié)果。白云石晶體中包裹有干燥的黏土，去白云石化反應(yīng)使菱形白云石晶體遭受破壞，使黏土暴露出

5、來，黏土吸水膨脹，從而造成破壞作用。 CaCO3MgCO3+2ROHMg(OH)2+CaCO3+R2CO3 R2CO3+Ca(OH)22ROH+CaCO3共三十二頁 巖相法周期(zhuq)1a，1a膨脹率0.04%為非活性，0.04%為活性周期(zhuq)14d，14d膨脹率0.1%為非活性，0.2為活性，在0.1%-0.2%為潛在活性壓蒸后切片觀察周期2d以內(nèi)，膨脹率0.1%為非活性，0.1為活性AMBT快速砂漿棒法ASTM C1293 棱柱體法壓蒸法標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于檢測方法及改進(jìn)共三十二頁關(guān)于堿集料反應(yīng)檢測方法(fngf)的改進(jìn)共三十二頁關(guān)于堿集料反應(yīng)檢測方法(fngf)的改進(jìn)圖5為以PO，NQ為

6、集料的試件在CAMBT中的膨脹曲線。從圖5可知：在養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，3種粒級以PO，NQ為集料的試件的膨脹均幾乎呈線性增加。與通常預(yù)期的不同，采用粒徑為0.150.80mm集料的砂漿棒膨脹，特別是早期膨脹均很小。P0，NQ試件的10d膨脹率僅分別為0.044和0.074，P0試件的21d膨脹率才達(dá)0.1。用粒徑為1.252.50mm和2.55.0mm集料的試件在全齡期內(nèi)的膨脹率都大于粒徑為0.150.80mm集料的試件，7d膨脹率即超過0.1。表明集料粒徑太小時，用CAMBT不能快速檢測(jin c)出 P0，NQ的膨脹性，而采用粒徑較大的集料可以在10d內(nèi)正確預(yù)測PO，NQ在混凝土中的膨脹行為。共

7、三十二頁關(guān)于(guny)堿集料反應(yīng)檢測方法的改進(jìn)PO0.150.80mm細(xì)集料試件在CAMBT中測試后，除少量顆粒為粗晶石英組成的膠結(jié)(jioji)體外，大部分顆粒為獨(dú)立存在的石英砂粒(巖石中粗石英晶粒)，其中有部分石英晶粒周邊包裹有次生膠結(jié)石英(見圖7)。圖7表明：采用粒徑為0.150.80mm的PO細(xì)顆粒，不能反映巖石的原有結(jié)構(gòu)特征。集料粒徑為1.252.50mm或2.55.0mm時，則可以保持巖石原有構(gòu)造特征。采用的集料如能夠保持巖石原有結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，則與CPT和現(xiàn)場混凝土的結(jié)果相吻合。巖石結(jié)構(gòu)特征影響AAR產(chǎn)物形成位置和化學(xué)組成，進(jìn)而影響其AAR膨脹行為，集料堿活性快速檢測方法中采用能

8、夠保持巖石微觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的集料粒徑是正確預(yù)測集料在混凝土中膨脹行為的關(guān)鍵。共三十二頁長沙地區(qū)湘江砂卵石的堿活性及安全使用條件-硅酸鹽學(xué)報，2012，湖南大學(xué) 史才軍 黃政宇采用巖相法和快速砂漿棒法對長沙地區(qū)湘江的湘陰段、望城段和湘潭段砂卵石的堿活性進(jìn)行試驗(yàn)研究。巖相分析的結(jié)果表明：這3個河段的卵石由硅質(zhì)石英巖和雜砂巖組成，砂主要由石英、長石、云母(ynm)和雜砂巖組成，卵石和砂中的雜砂巖均含有一定量的隱晶石英和微晶石英。湘江河段的砂、卵石在14d的膨脹率都大于0.1%，部分砂、卵石的膨脹率大于0.2%，具有堿活性。關(guān)于(guny)抑制方法和機(jī)理圖1 湘江望城河段砂中的隱晶質(zhì)石英和微晶質(zhì)石英

9、 共三十二頁粉煤灰和礦粉對砂漿棒的膨脹都具有一定的抑制作用，摻量越高，抑制效果越好。粉煤灰的抑制效果明顯優(yōu)于礦粉。利用(lyng)正交設(shè)計法設(shè)計水泥-粉煤灰-礦粉三元膠凝組分，可以有效地預(yù)測各組分對膨脹率的影響，同時，也可以有效地得到水泥-粉煤灰-礦粉三元膠凝體系中安全的膠凝組分區(qū)域。圖2 摻加礦粉和粉煤灰對含湘江望城段卵石(lunsh)(LC)的砂漿棒的膨脹曲線圖3 湘江望城段卵石(LC)14 d 膨脹率等值線圖 共三十二頁LiOH抑制堿集料反應(yīng)長期有效性及機(jī)理的研究-硅酸鹽學(xué)報2003長期有效性試驗(yàn):(1)成型:用尺寸為1cm1cm4cm的試模(水泥與集料比為21成型(水灰比為0.40);

10、24 h后脫模,用比長儀測量試件初始長度。(2)長期養(yǎng)護(hù):將試件置于20恒溫箱內(nèi)長期養(yǎng)護(hù),按齡期取出試件測量長度變化。研究齡期為18個月。機(jī)理試驗(yàn)：(1)離子濃度試驗(yàn):分別取5g粒徑為0.1500.800 mm的石英玻璃,將其浸于50 ml一定(ydng)濃度的LiOH和KOH混合溶液中,在80恒溫箱中進(jìn)行長期養(yǎng)護(hù),按齡期取出,采用電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP-AES)分析,測定Li+, K+濃度變化。共三十二頁(2)產(chǎn)物形貌試驗(yàn):分別(fnbi)配置1mol/L的LiOH,KOH,LiOH和KOH混合溶液,將石英玻璃和沸石化珍珠巖分別浸于上述溶液中,在150壓蒸24 h后用SEM觀察其表面

11、形貌。(3)產(chǎn)物成分分析:分別配置LiOH和KOH混合溶液50 ml(上述溶液中Li+和K+濃度濃度分別為0.5mol/L, 1.0 mol/L)50 ml,將5g粒徑為0.1500.800 mm的石英玻璃浸于其中,在150壓蒸24h后采用XRD對其晶相加以分析。共三十二頁對于鋰鹽抑制堿集料反應(yīng)膨脹比較一致的解釋是:與Na+(K+)相比, Li+特別小的離子半徑、特別高的電荷密度以及由此引起的Li-Si優(yōu)于Na-Si(K-Si)更強(qiáng)的離子結(jié)合力,導(dǎo)致Li+取代Na+(K+)優(yōu)先形成了非膨脹性的反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)-S-H,這些更致密的產(chǎn)物包裹在集料周圍,同時也阻止了Na+(K+)對集料的進(jìn)一步侵蝕。由以

12、上試驗(yàn)可以看出(kn ch):在堿集料反應(yīng)中, Li+的介入的確有利于形成一種完全不同于K(N)-S-H凝膠的產(chǎn)物。Li ：第二(d r)周期族共三十二頁鋰離子在混凝土堿集料反應(yīng)過程中的作用-東南大學(xué)報2009鋰玻璃并沒有能很好地抑制膨脹,摻加Li/Na+K摩爾比0.74的鋰玻璃和經(jīng)粉碎后的鋰玻璃組的2年期的膨脹值分別為0.189% (該組甚至促進(jìn)了膨脹)和0.170%。這說明試圖使用鋰玻璃抑制混凝土ASR膨脹時,如何有效提高其中的鋰離子的溶出速度和數(shù)量是今后研究的重點(diǎn)之一。分析鋰玻璃1年期范圍內(nèi)的pH值變化情況可知,在混凝土ASR預(yù)防過程中,隨時間的延長(ynchng),鋰玻璃可能發(fā)揮抑制作

13、用的可能性越大,可以把這種現(xiàn)象看成鋰玻璃抑制ASR的“后期效應(yīng)”。因?yàn)殇嚥Ａе蠰i+的溶出需要一個過程,只有積累到一定量的Li+才可能會發(fā)揮ASR抑制作用。為此,在研究鋰玻璃抑制ASR的過程中,如何加速和提高其中的Li+的溶出速度和溶出量是今后研究的重點(diǎn)。與此同時,充分發(fā)揮鋰玻璃的這一“后期效應(yīng)”,將其與其他具有“前期效應(yīng)”的抑制手段如添加鋰鹽或混合材組合,可能會起到意想不到的ASR預(yù)防效果.共三十二頁有必要系統(tǒng)研究不同鋰鹽對混凝土ASR的影響規(guī)律,更深層次地從物理(wl)、化學(xué)的角度探討不同陰離子如OH-, CO32-, F-等在ASR過程中的行為特征.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長（1年期）,摻加鋰鹽

14、或混合材的混凝土,其ASR膨脹有可能會進(jìn)一步增加,這也就是目前學(xué)術(shù)界和工程界一直難以定論的鋰鹽究竟是抑制ASR膨脹(膨脹以后不會發(fā)生)還是僅僅是延緩ASR膨脹(膨脹以后還會逐漸暴露出來)的主要原因之一。共三十二頁粉煤灰抑制(yzh)堿集料反應(yīng)機(jī)理1)替代水泥，降堿。2)混凝土中復(fù)合礦物摻合料的比表面積410m2/kg，填充密實(shí)效應(yīng)使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更加致密，從而大大降低了混凝土的孔隙率并使孔徑減小，阻斷了可能形成的滲透通路。所以水和侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入(jnr)混凝土內(nèi)部。3)復(fù)合礦物摻合料的摻入，改善了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的組成。由于稀釋效應(yīng)，特別是火山灰效應(yīng)，減少了粗大結(jié)晶、穩(wěn)定

15、性差，從而優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)，并生成強(qiáng)度高，穩(wěn)定性優(yōu)，數(shù)量更多的低堿度“Ca-Na-Si”凝膠，不吸水膨脹。共三十二頁4)天然礦物（沸石、石灰石，高嶺土等）對堿-硅酸反應(yīng)的抑制作用。因?yàn)樘烊坏V物中溶出的硅氧四面體成為吸附堿離子的活性中心，水化成為石灰-堿-絡(luò)合物及C-S-H、水化鋁酸鈣。輔助水化產(chǎn)物包裹了孔溶液(rngy)中的K+、Na+離子并降低了孔溶液的PH值。研究證明，孔溶液中堿度的高低與堿一集料反應(yīng)膨賬之間有很好的關(guān)系。5)由于天然礦物本身獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，作為混合材摻入水泥后，在水泥水化過程中通過離子交換，可使高堿水泥中的Na+、K+進(jìn)入沸石結(jié)構(gòu)中的空腔和孔道中，這樣便可降低混凝土孔縫溶液

16、中堿離子的濃度，大大減少了活性集料界面上的硅酸鈉(鉀)等具有膨賬性凝膠的生成，從而有效地抑制了堿集料生成。共三十二頁火山灰效應(yīng)：粉煤灰中的SiO2、 Al2O3 等硅酸鹽玻璃體, 與水泥、石灰拌水后產(chǎn)生堿性激發(fā)劑Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成水化硅酸鈣等凝膠,對砂漿起到增強(qiáng)作用。粉煤灰水化反應(yīng)的產(chǎn)物在粉煤灰玻璃微珠表層交叉連接, 對促進(jìn)砂漿或混凝土強(qiáng)度增長(尤其是抗拉強(qiáng)度的增長)起了重要的作用。沸石：分子篩，表示可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料。人造沸石是：磺酸化聚苯乙烯；天然沸石：鋁硅酸鈉。沸石族礦物常見于噴出巖，特別是玄武巖的孔隙中，也見于沉積巖、變質(zhì)巖及熱液礦床和某些(mu xi)

17、近代溫泉沉積中。浙江省縉云縣為我國境內(nèi)沸石儲量最高的地區(qū)。沸石的一般化學(xué)式為：AmBpO2pnH2O，結(jié)構(gòu)式為A(x/q)(AlO2)x (SiO2)yn(H2O)，A為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子，B為Al和Si，x為Al原子數(shù)，y為 Si原子數(shù)，(y/x)通常在15之間， (x+y)是單位晶胞中四面體的個數(shù)。共三十二頁摻和料對混凝土力學(xué)性能和堿一集料反應(yīng)的影響-建筑材料學(xué)報2003摻加較多粉煤灰的混凝土，其表面存在大量的浮漿，造成表面層耐磨性下降；使用大量沸石，則混凝土的需水量大、流動性不好，孔隙大，密實(shí)性差；而摻加大量礦渣的混凝土有泌水、石子與水泥漿體分層的缺陷如果將粉煤灰、沸石、

18、礦渣三者復(fù)合使用，可以彌補(bǔ)(mb)以上各自的不足。該文在研究高效減水劑和復(fù)合超細(xì)粉體對高性能水泥基材料的流動性、強(qiáng)度、孔隙率影響的同時，也研究了其中的堿集料反應(yīng)情況。礦渣與粉煤灰復(fù)摻的效果好于沸石與粉煤灰復(fù)摻的漿體，其中以置換20水泥量的流動性最好，有利于保持混凝土的坍落度。共三十二頁論文研究(ynji)介紹 上表為板巖的主要化學(xué)成分該板巖為具有葉片(ypin)狀的硅鋁質(zhì)淺變質(zhì)沉積巖，其中的微晶狀石英具有堿硅活性。采用快速砂漿棒法，=(Lt-L0)/(Lt-2)計算試件的膨脹率為0.181%，存在嚴(yán)重的堿集料反應(yīng)。compositionSiO2Fe2O3Al2O3MgOK2ONa2Oconte

19、nt(wt%)60.678.8618.841.743.370.28圖1 存在堿集料反應(yīng)的板巖集料表面SEM圖2 板巖集料及周邊水泥石SEM1板巖混凝土的堿集料反應(yīng)檢測共三十二頁 從化學(xué)成分來講，板巖的主要礦物相為白云母、石英、綠泥石和正長石，板巖陶粒的主要礦物相為石英。板巖在膨脹燒結(jié)的過程中，特別是600-700以后，隨著固相反應(yīng)不斷深入，雖然(surn)分解出的無定形態(tài)物質(zhì)仍在不斷增加，但較高的溫度使這些無定形態(tài)物質(zhì)獲得一定的熱能后，晶格缺陷得以調(diào)整和消除，從而由能量較高的狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量相對較低的介穩(wěn)態(tài)，降低了它們的化學(xué)活性。2板巖陶粒混凝土的堿集料反應(yīng)檢測圖3 板巖與板巖陶粒(to l)的X

20、RD圖譜共三十二頁(1)摻入板巖陶粒抑制(yzh)堿集料反應(yīng)3板巖陶粒在抑制堿集料反應(yīng)中的應(yīng)用組別凈水灰比水泥/g板巖陶粒/g板巖陶粒摻量/%膨脹率/%膨脹抑制率/%10.474009902.00.12530.9420.474009904.00.09646.9630.474009906.00.08851.3840.474009908.00.08254.70 當(dāng)板巖陶粒摻量由2%增加到6%時，膨脹(png zhng)抑制率由30.94%增加到51.38%，抑制效果顯著，但是當(dāng)摻量從6%增加到8%后，試件的膨脹(png zhng)抑制率由51.38%增長到54.70%，抑制效果放緩。表2 試驗(yàn)配合

21、比設(shè)計及結(jié)果共三十二頁(2)均勻設(shè)計混合摻入板巖陶粒、LiOH和粉煤灰的抑制方案 均勻設(shè)計(Uniform Design)是基于試驗(yàn)點(diǎn)在整個試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布，從均勻性角度出發(fā)的一種試驗(yàn)設(shè)計方法，是數(shù)論(shln)方法中的“偽蒙特卡羅方法”的一個應(yīng)用。3板巖陶粒在抑制堿集料反應(yīng)中的應(yīng)用組別凈水灰比水泥/g板巖/gLiOH/g粉煤灰/g板巖陶粒/%10.474009902.8780.002.020.474009904.78110.003.030.474009906.6970.004.040.474009901.91100.005.050.474009903.8260.006.060.474009

22、905.7390.007.0表3 所用(su yn)復(fù)合抑制劑配比共三十二頁 實(shí)驗(yàn)組1、2、3、5、6的膨脹率均有所降低，膨脹抑制率分別為51.4%、62.4%、55.8%、21.3%和3.3%，可以看出(kn ch)實(shí)驗(yàn)組2的膨脹率為0.068%，膨脹抑制率達(dá)到62.4%，抑制效果最好。4板巖陶粒在抑制堿集料反應(yīng)中的應(yīng)用組別膨脹率/%膨脹抑制率/%10.08851.420.06862.430.08055.840.18350.14221.360.1753.3表4 試件膨脹(png zhng)率和膨脹(png zhng)抑制率圖4 板巖陶粒、LiOH和粉煤灰對不同齡期砂漿棒膨脹率的影響 共三十二

23、頁(3)抑制(yzh)堿集料反應(yīng)的機(jī)理4板巖陶粒在抑制堿集料反應(yīng)中的應(yīng)用圖5 板巖陶粒(to l)與水泥石的界面圖6 孔洞中凝膠產(chǎn)物元素組成a.陶粒表面具有大量的溝紋和凹槽，無數(shù)的碎石型小陶粒吸收了一部分的堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹凝膠物質(zhì)，減小應(yīng)力集中，可以有效地降低堿集料反應(yīng)的破壞性。b.陶粒內(nèi)部孔洞的微泵作用，吸入Ca2+、OH-、SO42-等易溶礦物離子孔洞的內(nèi)表面生成了一些紡錘體狀產(chǎn)物，降低了水泥石的單位堿濃度。c.由EDS圖可知，陶粒表面孔洞內(nèi)產(chǎn)物為堿富集區(qū)，生成了堿-硅酸膨脹凝膠，緩解破壞。共三十二頁 與Na+相比, Li+特別小的離子半徑、特別高的電荷密度以及由此引起的Li-Si優(yōu)于Na-Si更強(qiáng)的離子結(jié)合力，導(dǎo)致Li+取代Na+優(yōu)先形成了非膨脹性的反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)-S-H,這些(zhxi)更致密的產(chǎn)物包裹在集料周圍,同時也阻止了Na+對集料的進(jìn)一步侵蝕。加入鋰鹽抑制劑的試樣中,其產(chǎn)物形貌由片狀或凝絮狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱酸槧?且結(jié)構(gòu)變得致密，K+、Na+明顯減少。 4板巖陶粒在抑制堿集料反應(yīng)中的應(yīng)用粉煤灰微珠水解層Ca2+水化產(chǎn)物水泥熟料(sh lio)的水化為粉煤灰的二次水化反應(yīng)提供了Ca(OH)2，使得水泥石中堿離子濃度降低，減弱堿集料反應(yīng)。粉煤灰的“粉末效應(yīng)”為水泥熟料礦物的水化提供較多的水化產(chǎn)物聚集空間，緩解破壞。圖7 粉煤灰玻化微珠示意