混凝土耐久性的不足和早期劣化現象,嚴重影響著結構物的安全性和使用壽命。混凝土
早期劣化的原因很多,如荷載超過設計許用承重、化學侵蝕、凍融循環、內部配筋銹蝕和堿集料反應等。堿集料反應發生在混凝土內部,導致混凝土體積異常膨脹,產生裂縫,更加加劇了其它因素所引起的混凝土劣化過程。國內外許多著名學者都認為[1-4],盡快弄清混凝土發生堿集料反應破壞的機理,尋求預防和徹底解決堿集料反應破壞的有效方法是當務之急!對于堿集料反應的預防來說,嚴格控制所使用水泥的堿含量(即na+和k+含量)是非常重要的,這一點也已在我國有關規范[5,6]中規定。但是,目前我國水泥堿含量較高的現象普遍存在,且混凝土內部的堿不僅僅只來自于水泥,還有可能來自于含堿外加劑、含鹽集料以及滲透進入混凝土內部的外界鹽類介質等;混凝土中的膠凝材料除了水泥之外可能還有摻合料,而摻合料的摻加又有助于降低發生堿集料反應的可能性[7]。筆者認為,就當前混凝土材料的發展和應用水平來說,不具體考慮混凝土的原材料和性質,單純通過限定水泥堿含量的措施來預防工程中的堿集料反應尚有不妥之處,應當同時提出多種預防措施供實際工程參考。
二、混凝土堿集料反應的發現與研究進展
20世紀30年代,美國西部地區的堤壩、公路、橋梁等混凝土結構發生異常膨脹,產生裂縫,當時,尚未尋找出具體的原因。1940年,t.e.stanton[8]首次將這種混凝土異常膨脹并產生開裂的原因歸結為是由于堿含量較高的水泥與某種頁巖或蛋白石集料之間發生反應所引起的,他把加利福尼亞州的king city大橋的橋墩損傷的結構物所使用的集料制成砂漿試件,測定變形率后,發現膨脹率很大,他認為是由于堿含量高的水泥析出的koh、naoh與含有活性so2的集料發生了反應
其后,世界上許多國家相繼認識到了堿集料反應對混凝土結構耐久性和安全性的危害,并對混凝土堿集料反應的危害以及原理進行了深入研究,制定了堿集料反應可能性的檢驗方法,并提出相應的預防措施。我國對混凝土堿集料反應理論的研究水平也在唐明述院士等[2,4]的領導下跨入世界前列。 必須指出的是,由于水泥與集料之間的作用相當復雜,各地集料的品種、礦物組成千差萬別,實際工程中各種劣化因素所引起的混凝土耐久性下降現象互相交織,這些都對混凝土堿集料反應機理的研究以及混凝土結構劣化原因的界定產生了一定影響。然而,為防患于未然,必須從混凝土原材料的選擇和配合比的設計方面提出切實可行的措施,才能有效預防堿集料反應對混凝土結構的破壞作用
三、混凝土發生堿集料反應破壞的原因
混凝土的堿集料反應是混凝土材料內水泥中的堿(koh、naoh)與集料中的活性成分之間發生的化學反應,其產物呈膠體狀態,不僅減弱了集料與水泥石之間的界面粘結強度,而且遇水后發生膨脹,使混凝土內部產生較大的內應力而導致混凝土結構體開裂。
3.1 堿集料反應的類型
一般認為,堿集料反應有三種類型,即:1)堿-硅反應;2)堿-碳酸鹽反應;3)堿-硅酸鹽反應。下面分別進行簡要介紹。
3.1.1 堿-硅反應
堿-硅反應是集料中的反應性微晶氧化硅與混凝土孔溶液中的堿之間發生的反應。此反應在常溫下即可進行,產物為堿-硅凝膠體,它吸水膨脹,引起膨脹壓而使混凝土結構體開裂(無序的網狀裂紋);與堿發生反應的集料表面有凝膠環存在;混凝土內部也會產生大量裂縫;混凝土內部孔縫中存在硅酸鹽凝膠,凝膠失水后硬化或粉化研究表明,堿-硅反應的速度隨sio2的穩定程度、比表面積、溫度以及液相中oh-濃度而不同,堿的濃度對堿集料反應與否起很大作用。
3.1.2 堿-碳酸鹽反應
堿-碳酸鹽反應發生在水泥石液相中的堿與石灰石集料之間。與堿-硅反應不同的是,盡管堿-碳酸鹽反應表現為混凝土體內外產生開裂,但集料表面不產生凝膠體