集料碱析出及其对碱集料反应的影响

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1、摘要碱-集料反应（Alkali-AggregateReaction,AAR）是影响混凝土耐久性的重要因素。由于碱-集料反应膨胀导致的混凝土工程严重破坏已经给许多国家带来了巨大损失，研究、防治碱-集料反应是许多国家面临的重大课题。混凝土发生碱-集料反应需要三个必要条件：集料具有潜在活性；混凝土孔溶液有足够高的碱度；混凝土处于高湿度环境下。在使用活性集料的混凝土中，使用低碱水泥（碱含量Na2Oe<0.6%）或限制混凝土中的碱含量在一定范围内被认为是预防混凝土发生碱-集料反应破坏的适宜措施。有些混凝土集料含有较高的碱，以往认为这部分碱只能在混凝土中溶出很少部分，对AAR的影响可忽

2、略，但是随着在使用低碱水泥的实际混凝土工程中仍然发生AAR破坏以及随之发现的混凝土孔溶液中存在大量可溶碱的事实，对于集料碱析出可能促进AAR膨胀的问题引起极大的关注。由于集料是混凝土的主要组分，集料中的碱既使析出很少部分亦将导致混凝土孔溶液中碱含量的大量增加，评估集料碱析出以及可能对AAR的促进成为混凝土AAR研究领域迫切需要解决的问题。集料中的碱存在于各种含碱矿物中，在不同的集料中含碱矿物类型和含量等存在很大差异，在混凝土中能析出的碱量存在很大差别，为客观评估集料碱析出对AAR的影响带来很大的困难，亦是目前针对不同集料进行了众多的研究而未取得统一认识的主要原因。本文在现有

3、研究基础上，以含有霞石、钠长石、钾长石的集料或含碱矿物为主要研究对象，从以下几个方面进行了研究，对碱性环境下不同含碱矿物的析碱能力、集料碱析出机理、碱析出对AAR的影响以及可行的抑制措施进行了研究。1.含碱矿物析碱能力的热力学分析通过热力学方法对含碱铝硅酸盐矿物在碱性环境下的理论最大析碱能力进行了分析。结果表明：（1）集料的碱析出能力与集料中含碱矿物的类型有关，在pH＝13~14的碱性环境下，含碱矿物的最大碱析出能力依次为片铝钠石＞白榴石＞霞石＞脱水方沸石＞钠云母＞白云母＞硬玉＞钠长石＞钾长石；（2）含碱矿物的分解析碱能力随着溶液pH增大而不同幅度增大（霞石例外）。在碱溶液

4、中各含碱矿物均存在反应平衡浓度，其最大析碱能力随孔溶液/集料质量比增大而增大；（3）目前以碱溶液浸泡集料来评估混凝土中集料的碱析出程度的实验方法，均采用较大的孔溶液/集料比值，高估了集料的析碱能力，其评估结果的可信度值得商榷。2.评估集料碱析出对AAR影响的快速检测方法研究针对已证明能够析碱并促进AAR膨胀的霞石正长岩集料，通过研究不同实验条件下霞石正长岩对AAR膨胀的影响，确定了适宜于快速检测集料碱析出对AAR影响的实验方法。具体实验方法为：试样成型20mm×20mm×80mm试件，在20℃、90%RH下养护24h，测定初长后置于底层有水的密封养护器中，试样与水通过带孔隔

5、板隔开；养护器置于80℃养护箱中养护；养护到龄期后取出养护器，室温下保湿冷却24h后取出试样，测定试样膨胀率。钠长石、钾长石为混凝土集料中最常见的含碱矿物。通过快速实验方法对含有钠长石、钾长石矿物的白岗岩集料进行的实验表明：含有钠长石、钾长石矿物的白岗岩集料也能促进AAR膨胀。此结果表明混凝土集料中所含碱可能促进AAR，应引起重视。3.集料析碱对AAR的影响通过快速实验方法对不同水泥碱含量条件下霞石正长岩、白岗岩集料以及含有霞石、钠长石或钾长石矿物的岩石粉对AAR的影响进行了研究，结果表明：（1）在水泥碱含量较低时，霞石正长岩、白岗岩均显著促进AAR膨胀，随着水泥碱含量提高

6、，两者的促进作用均减弱，其中霞石正长岩对AAR促进作用受到水泥碱含量变化的影响更大；（2）霞石正长岩、白岗岩粒度为0.15mm～0.65mm及以上时，粒度变化对试样膨胀率变化影响很小；在粒度＜0.15mm时，掺入霞石正长岩、白岗岩将使得试样膨胀率迅速降低，表明此时霞石正长岩、白岗岩对AAR促进作用减弱；（3）不同岩石粉对AAR膨胀促进作用存在差异，且随着水泥碱含量变化而不同。在使用低碱水泥时，岩石粉中含碱矿物对AAR膨胀促进作用依次为霞石＞钠长石＞钾长石；在使用高碱水泥条件下，含碱矿物对AAR膨胀促进作用依次为钠长石＞钾长石＞霞石，其中霞石矿物或含有霞石的集料在水泥碱含量较

7、高时对AAR的促进作用显著降低，甚至不表现出明显的促进膨胀作用，这与钠长石、钾长石矿物相比存在较大区别。4.不同含碱矿物的析碱机理采用碱溶液浸泡集料以及混凝土中可溶碱测定等目前用于评估集料碱析出的方法，对霞石正长岩、白岗岩等在混凝土中的碱析出进行了测定，并通过BSI、EDS、SEI、MAS-NMR等测试手段对含碱集料在碱性环境下的析碱机理进行了系统研究，主要结论有：（1）测定了霞石正长岩、白岗岩在不同的碱性溶液中的碱析出量，结果2+表明霞石正长岩、白岗岩的析碱量与碱溶液浓度、碱溶液中Ca离子浓度等有关，最大析碱量受