有害骨料对混凝土质量的影响

有害骨料对混凝土强度的影响 某些成分的骨料在水的影响下，可以和水发生化学反应，使混凝土的化学成分及物理力学性质发生变化，而降低强度，使混凝土遭到破坏，这种骨料称为有害骨料。 有害骨料与水泥的反应大致可分为以下几种： 一、碱硅反应 1、反应现象 碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后逐渐反应，形成了碱的硅酸盐凝胶,反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。 2、反应机理 在最近40年期间，观察到了骨料和周围水泥净浆之间的一些有害化学反应。最普通的反应是骨料的活性硅成分和水泥中碱之间的反应。二氧化硅的活性形式是蛋白石（无定形），玉髓（隐晶纤维），和鳞石英（结晶）。这些活性材料存在于：蛋白石或玉髓、燧石、硅质石灰石、流纹石和安山凝灰岩与千纹岩中。 活性二氧化硅的特点是所有的硅氧四面体呈任意网状结构，实际的内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的硅氧键破坏使其解体，胶溶成硅胶或依下式反应成硅酸盐凝胶： 活性SiO2＋2mNaOH（KOH）→mNa2O（K2O）·SiO2·nH2O 对膨胀的解释可粗分为两种理论：其一认为碱骨料反应是由水泥中的碱（Na2O和K2O）形成的碱性氢氧化物对骨料中的硅质矿物间的反应开始的，由于形成了碱-硅凝胶，骨料界面发生蚀变。这种胶体是“无限膨胀型”的，它在吸水后有增加体积的趋向。由于此胶体受到周围水泥净浆的约束，结果产生内压，最后导致水泥浆的膨胀、开裂和破坏（突然爆裂）。由此看来膨胀是由于渗透而产生的液压引起的，但碱硅反应的固态产物的膨胀压也会引起膨胀。因此，可以说坚硬骨料颗粒的膨胀对混凝土是有害的，某些较软的凝胶体是由于后来被水浸出并沉积在由于骨料膨胀而产生的裂缝中。硅质颗粒的大小影响着反应的速度，细颗粒（20～30微米）在一两个月之内便会产生膨胀，只有比较大的颗粒要在几年之后才产生膨胀。 另一种湿渗透压理论，是指包围活性集料的水泥浆体起着半透膜的作用，使反应产物的硅酸根离子难以通过，但允许水和碱的氢氧化物扩散进来，从而认为渗透压是造成膨胀的主要原因。 3、影响因素 通常认为，只有在水泥中的总碱量较高，同时骨料中又含有活性二氧化硅的情况下，才会发生上述有害反应。 3．1碱含量 由于碱的数量仅取决于水泥的用量。它们在骨料反应表面的浓度将由此表明的大小来决定。可能发生水泥膨胀反应的水泥最小含碱量是0.6％。Na2O当量可根据熟料实际的K2O含量乘以0.658加上其实际的Na2O含量而计算得到。但在特殊情况下，甚至具有低含碱量的水泥也会引起膨胀，在约束条件下，用给定活性骨料配制的混凝土，当水泥含碱量愈高时，其膨胀就愈大。在水泥组分一定时，细度愈大，混凝土膨胀愈大。 3．2活性骨料 活性骨料的粒径及其含量对膨胀的大小也有较大的影响，已经发现在混合物中加入细粉状的二氧化硅，可使由碱骨料反应引起的膨胀减少或消除。这种看来似乎矛盾的说法可从下面得到解释：在低二氧化硅含量范围内，对于给定的碱量条件下，二氧化硅数量愈大，膨胀也增加，但在二氧化硅含量较高时，情况正好相反；活性骨料的表面积越大，单位面积上有效碱量越少，因而可能生成的碱－硅凝胶量也越少。另一方面，由于氢氧化钙的迁移率非常低，仅骨料表面附近的氢氧化钙可参加反应，这样每单位面积上氢氧化钙的量与骨料总表面积的大小无关。因此，表面积增加，使在骨料界面处溶液的氢氧化钙与碱的比值也增加。在这种情况下，便形成一种无害的（非膨胀的）碱性硅酸钙产物。 对于给定的活性骨料，有一个能导致最大膨胀量的所谓“最危险”含量。对于蛋白石，“最危险”含量可低至3～5％；而对于活性较低的骨料，“最危险”含量可能为10％或20％，甚至高达100％。也就是说，在活性颗粒较少的情况下，随着含量的增加，碱的硅酸盐凝胶数量越多，膨胀越大。但当超过“最危险”含量以后，情况正好相反：活性颗粒越多，单位面积上所能作用的有效碱相应减少，膨胀率变小。因此，掺加足够数量的活性二氧化硅细粉或火山灰、粉煤灰等，可有效抑制碱骨料反应的膨胀效果。 同样的原因，将细的硅质材料加到粗的活性颗粒中尽管仍会和混凝土发生反应，但会使膨胀减小，这些火山灰掺和料的确对减少粗骨料颗粒的侵蚀是有效的。 3．3水分和温度 碱骨料反应通常进行得很慢，所引起的破坏往往经过若干年后才会明显出现。水分存在是碱骨料反应得必要条件，混凝土的渗透性对碱骨料反应有很大的影响。在干湿交替的情况下，反应得到加速。提高温度将使反应加速，至少在10～38℃的范围内是这样的，由此可见，各种物理和化学因素使碱骨料反应问题变得非常复杂。特别是胶体由于吸水而改变它的组成，并产生相当大的压力，使在某些场合下，发生从有限面积上扩散出胶体来。需要注意的是在水泥水化过程中，大量的碱集中在水相中。因此PH值增大，所有二氧化硅材料都变成可溶性的。 4、骨料活性测试 虽然我们可以预测到某一材料会产生混凝土骨料反应，但一般仍不能根据已知的反应材料的数量来估计其有害影响。因为骨料的实际反应度（活性）受颗粒大小和孔隙率的影响，因这些参数将影响到能够发生反应的面积大小。尽管我们知道某些骨料具有活性的趋向，但还没有一个简单的方法确定是否一种给定骨料会和水泥中的碱反应而产生过大的膨胀。目前测定骨料潜在反应可能性的方法有许多种，国内通常采用的方法是测定骨料物理活性的砂浆棒试验法，将可疑骨料进行破碎并配制成规定的级配，用以制作特殊的水泥砂浆棒，使用的水泥含碱当量不小于0.6％，试棒在38℃的水中养护，在此温度下要比高于或低于此温度时具有较快的膨胀速度和较高的膨胀量。此反应也因高的水灰比而加快。某些学者曾经提出一些更好一些的方法，如试棒在3个月龄期时的膨胀率超过了0.05％或在3个月后的膨胀率大于0.1％，则认为此骨料是有害的。但在对骨料的有害性作出判断需要相当长的时间，另一方面，很快作出的化学试验结果常常不能令人信服。同样，尽管岩相分析对鉴别矿物组成是可信的，但也不能证实某一给定矿物一定会产生异常膨胀。因此，仍有待研制一种快速和令人确信的骨料活性的试验方法。目前最好是同时采用几种现有试验方法。 二、碱－碳酸盐反应 1、反应现象 另一种类型的有害骨料反应是某些白云质石灰岩骨料和水泥中碱的反应。在潮湿条件下发生的混凝土的膨胀同碱－硅反应情况相似。一般情况是，围绕着活性颗粒形成2毫米以下的反应区域。裂纹在这些区域内发展，并且产生一个裂纹网和使得骨料和水泥净浆之间粘结力下降。 2、反应机理 这类反应的岩石仅限于细粒状的泥质白云灰岩，其组成在方解石和白云石之间，膨胀大的岩石常含有40～60％的白云石以及5～20％包括伊利石及其类似的粘土等酸不溶物。反应机理也尚未彻底了解。一种观点认为：当有碱存在时发生如下去白云石化反应： CaCO3·MgCO3＋2NaOH＝CaCO3＋Mg(OH)2＋Na2CO3 生成具有膨胀性Mg(OH)2，从而造成破坏，同时，由于Ca(OH)2的存在，还会发生如下使碱重生成的反应： Na2CO3＋Ca(OH)2＝CaCO3＋2NaOH 这样就使上述的去白云石化反应继续进行，如此反复循环，有可能造成严重危害。 另一种观点认为骨料的膨胀反应似乎与粘土的存在有关，由于去白云化反应使白云石晶体中粘土质包裹物暴露出来，从而使粘土吸水膨胀或通过粘土膜产生的渗透压引起混凝土的破坏，这种观点认为去白云化反应仅仅是为了提供进入粘土的水的通道的需要，把碱－碳酸盐反应膨胀归功于去白云反应暴露出来的干燥粘土吸水产生的肿胀力。 南京化工学院唐明述教授对我国碱－碳酸盐反应膨胀机理进行了长期的研究。首先，对四个使用白云质岩石作粗集料且在1-3年内发生开裂破坏的混凝土工程进行了调查，收集了其中三个工程的混凝土岩芯和七种用于该四个工程的岩石样品。借助于X-射线(XRD)、化学分析、岩相和电子探针(EPMA)等仪器研究了岩石样品的组成和结构，结果表明，所收集的岩石分属微白云质灰岩、白云质灰岩、微泥质白云岩和纯微晶白云岩，岩石中白云石晶体尺寸约为5-50μm。岩石柱在碱溶液中浸泡时能产生膨胀，部分岩石还发生开裂破坏。在混凝土中，岩石膨胀甚至开裂，并使得混凝土产生开裂破坏。岩石的这种膨胀来自于其中的去白云化反应。工程混凝土岩芯的岩相检验发现，混凝土中裂纹大都起始于集料，且一些裂纹由白云质集料一直贯穿到砂浆，这表明混凝土遭受到碱－碳酸盐反应破坏。唐明述认为白云石与碱的去白云化反应生成水镁石、方解石和CO32－离子。在混凝土或水泥压实体中，反应生成的CO32－离子会与水泥中水化生成的羟钙石反应生成方解石，并再生成OH－离子，这有助于去白云化反应的继续进行。去白云化反应生成的水镁石和方解石颗粒细小，多数小于１μm，且颗粒间存有较多的空间。白云岩粉料的去白云化反应使水泥压实体发生膨胀和开裂；几乎不含粘土的纯微晶白云岩和白云质灰岩在碱溶液或水泥混凝土中的去白云化反应也使岩石发生膨胀，甚至开裂破坏。这表明去白云化反应本身是一膨胀性的反应。由于细小的方解石和水镁石颗粒间有大量的空隙存在，反应生成的产物层的体积(包括水镁石、方解石和空隙)大于被作用掉的白云石的体积。水镁石和方解石的受限生长将引起结晶压力，这种来源于去白云化反应自