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混凝土碱集料反应影响因素分析
混凝土碱集料反应影响因素分析
碱集料反应是由于混凝土孔溶液中的 Na+、K+、OH-等有效碱离子与骨料中的活性硅质组分之间发生化学反应，使混凝土内部产生膨胀、开裂的一种现象。碱集料反应属于混凝土耐久性破坏最主要的因素之一。
1 碱集料反应研究现状
国内外学者大量研究了关于碱集料反应对混凝土耐久性的影响[1,2,3].1940 年，碱集料反应被 Stanton 发现并证实[4].根据骨料中不同有害矿物种类，混凝土 AAR 主要划分为两类，碱硅酸反应简称ASR（ Alkali Silica Reaction） 和碱碳酸盐反应简称 ACR（ Alkali Car-bonate Reaction） .美国遭受 AAR 破坏的混凝土结构严重，包括大坝、机场、海工构筑物以及各种桥梁道路都出现混凝土碱集料反应破坏。
导致近年来 AAR 破坏问题突出的是由于使用新型化冰盐（ 醋酸钾和醋酸钠） .于是，美国曾分别通过不同研究计划持续资助开展混凝土碱集料反应研究以减少由此造成的损失。美国迄今为止针对 ASR 研究的最大资助项目是 2005 年美国国会签署高速公路交通安全法案。该项目资金达到 1000 万美元，以预防和减轻混凝土 ASR 为目的，围绕破坏产物和机理、制定规范和培训相关人员，减轻碱集料反应破坏损失。之后，混凝土结构碱集料反应破坏的事例开始出现在世界各地。丹麦、美国、英国、法国等许多国家的公路、桥梁以及各类工业与民用建筑都遭到了 AAR 破坏并且程度各不相同，有的建筑物几乎已经彻底毁坏[5,6,7].
中国学者于 20 世纪 90 年代之前未曾发现混凝土结构工程碱集料反应破坏。90 年代后期，中国国内水泥中碱含量高出安全碱限值许多，再加上大量活性碱骨料使用于混凝土结构工程中，这些将对既有建筑物的耐久性构成巨大的威胁。因为 90 年代后期，中国国内使用了大量活性碱骨料使用于混凝土结构工程中，再加上混凝土水泥中碱含量超标，这些对混凝土碱集料反应的控制是很不利的。据此推断，不久的将来，中国混凝土结构工程 AAR 呈现高发态势。不过，近年来中国也开始高度重视混凝土 AAR 预防工作。如《青藏铁路工程掺和料抑制碱硅酸反应有效性评估方法的该评估方法》的出台就是很好的一个例子。该方法由青藏铁路建设总指挥部联合中国建材院等单位制定，目的也是为了控制混凝土碱集料反应的发生。《青藏铁路工程掺和料抑制碱硅酸反应有效性评估方法的该评估方法》也编入《铁路混凝土工程施工技术指南》（ TZ210 -2005） 附录 G 第 G2 条。
2 碱集料反应影响因素
2. 1 活性骨料对碱集料反应的影响
活性骨料是碱集料反应的必要反应物之一。近来有研究表明[8]活性骨料与非活性骨料之间的比例大小也影响混凝土碱集料反应。当活性骨料与非活性骨料之间的比值达到 1. 5 时，混凝土试件碱集料反应膨胀率最大，对混凝土结构的危害也最严重。不同活性二氧化硅含量存在最不利颗粒尺寸。当活性二氧化硅颗粒尺寸达到最不利颗粒尺寸时，碱集料反应膨胀压力最大。许多工程破坏事例也表明，粒径为 1~ 5mm 活性骨料对碱集料反应膨胀开裂最不利。
2. 2 碱对碱集料反应的影响
碱是混凝土碱集料反应影响因素之一。通常情况下，水泥中的碱含量在 0. 6% ~1. 2%范围之间，碱含量低于 0. 6% 的水泥属于低碱水泥。美国、日本都曾广泛使用这种碱含量低于 0. 6% 的低碱水泥，在一定程度上，低碱水泥的使用减少了 ASR 的发生。Ozol[9]指出： 当水泥用量大、掺用含碱的早强外加剂的混凝土并且混凝土中使用活性骨料时，混凝土碱含量不得超过 1. 8kg/m3.
2. 3 水对碱集料反应的影响
水或潮湿环境同样会引起混凝土碱集料反应。目前，在考虑水或潮湿环境对碱集料反应的影响时，主要是从水灰比方面予以展开，控制孔隙水来实现碱集料反应的抑制还是很难做到的。潮湿环境同样也会引起混凝土碱集料反应。唐明述[10]曾对英国东南部普利茅斯的圆形停车场以及加拿大魁北克城考察公路桥梁混凝土碱集料反应破坏情况进行考察，发现室内环境下梁柱遭到碱集料反应严重破坏，表明混凝土结构长期处于潮湿环境中同样会发生碱集料反应膨胀破坏。同时，也有研究指出，当环境相对湿度低于 85% 时，混凝土就不会发生碱集料反应。
2. 4 温度对碱集料反应的影响
温度也是混凝土碱集料反应的影响因素之一。实际工程中，混凝土碱集料反应加速试验与混凝土碱集料反应常温试验有较大差异。刘晨霞[11]运用化学反应速率常数表达温度对混凝土碱集料反应影响，并对混凝土碱集料反应速率常数与养护温度之间的关系进行了探讨，采用 Arrhenins 方程，对混凝土碱集料反应膨胀情况进行模拟预测，建立了相应的膨胀预测模型。
2. 5 试件尺寸对碱集料反应的影响
试件尺寸对混凝土碱集料反应也会产生影响。环境中碱渗透到试件内部，试件尺寸对碱渗透过程有影响，并可能影响试件的膨胀率。浆体本身强度对试件膨胀有限制作用。试件尺寸越大，对膨胀的限制作用越强，这种作用对膨胀率有影响。而且外部环境热量传到试件内部需要时间较长，加热、冷却都比较慢。沈洋、卢都友等的研究表明[12]:试件尺寸对试件膨胀的基本规律影响很小，但对试件膨胀率值有影响。同条件下，2cm ×2cm ×8cm 试件膨胀率比 4cm ×4cm ×16cm 试件高，砂浆试件膨胀率试验数据的标准偏差比较小。相比之下，4cm × 4cm ×16cm 砂浆试件膨胀率试验数据准确性更高，砂浆试件尺寸应采用 4cm× 4cm × 16cm.
2. 6 冻融循环对碱集料反应的影响
冻融循环作用也是混凝土碱集料反应的影响因素之一，会影响混凝土耐久性。有实验表明低温环境下，混凝土 ASR 缓慢。但加拿大等寒冷地区也会频繁产生 ASR,主要原因在于结构同时受到了冻融循环等因素的作用。冻融循环对混凝土碱集料反应产生影响，诱发或加速混凝土碱集料反应。Bolton[13]研究了冻融循环作用下混凝土 ASR.研究发现，高强混凝土通常不易受到冻融作用，但由于 ASR 裂缝的存在，冻融会对高强混凝土产生损伤。ASR 与冻融循环共同作用所产生的膨胀明显大于仅由 ASR 作用产生的膨胀，冻融循环对碱集料反应起到了促进作用。
2. 7 引气对碱集料反应的影响
Jensen 和 Chatterji 等[14]研究了引气对 ASR 的作用，他们对 35 种碱活性不同的砂进行了砂浆棒试验，结果表明平均引气量为 4% 可降低约 40%的膨胀量。岩相检查表明，在有活性砂时，气泡容易为 ASR凝胶所填充，但对非活性砂，气泡仍然保持为空的。混凝土的抗冻性是受气泡含量的影响的，注意到这种对气泡的填充作用可能会降低其对抗冻性的效果。因此，ASR 会影响混凝土的气含量，进而影响混凝土的抗冻性。
2. 8 侵蚀介质对碱集料反应的影响
混凝土结构使用期间暴露在外界环境中，可能遇到各种侵蚀介质，硫酸盐、氯化物属于最具危害性的侵蚀介质。作者曾对硫酸盐侵蚀作用下混凝土碱硅酸反应进行研究[15].图 1 为同温度同龄期养护下不同混凝土试件表面裂缝发展情况，其中图（ a） 为 ASR 侵蚀破坏混凝土试件表面裂缝，图（ b） 为 ASR 和硫酸盐复合侵蚀作用下裂缝发展情况。
从图（ a） 中可知，ASR 作用下混凝土表面会产生不规则龟裂形状裂缝，发展到一定程度裂缝会贯穿整个表面； 图（ b） 表明在高浓度硫酸盐和ASR 复合作用下，混凝土表面裂缝进一步增大、增宽，混凝土结构出现明显破坏。以上表明，硫酸盐侵蚀加剧了混凝土 ASR 劣化作用，且高浓度硫酸盐侵蚀对混凝土 ASR 的劣化作用起到明显的加速作用。混凝土 ASR 提高了孔溶液中硫酸根离子和钙离子的浓度，促进了硫酸盐侵蚀产物钙矾石的生成。钙矾石的生成又增加了孔溶液中氢氧根离子的浓度，促进了混凝土 ASR 的进行。混凝土 ASR 和硫酸盐侵蚀是相互促进的一个过程。
2. 9 荷载对碱集料反应的影响
荷载也是混凝土碱集料反应的影响因素之一。图 2 为不同弯曲荷载作用下早龄期混凝土交流阻抗谱，（ a） 、（ b） 分别为不同弯曲荷载作用下混凝土交流阻抗谱 Nyqusit 图、Bode 图。图中，W 代表弯曲荷载，数字代表弯曲荷载值。从图（ a） 中可知，受到弯曲荷载作用混凝土试件交流阻抗谱在复平面中的位置均居于右方，且随着弯曲荷载值增大而偏向右方，表明受到弯曲荷载作用混凝土试件交流阻抗谱等效电路中的 Rs值越小（ Rs是混凝土试件孔溶液中电解质的电阻值） ,混凝土内部越密实，弯曲荷载促进了混凝土 ASR.Bode 图表达交流阻抗谱特性与频率之间的关系，是对 Nyquist 图的补充和完善。受弯曲荷载作用混凝土试件各时期相角值均小于未受弯曲荷载作用混凝土试件相角值，表明相角值可以反映持续弯曲荷载对混凝土 ASR 的影响，与Nyquist 图具有很好的对应关系。综上可知，弯曲荷载对混凝土 ASR 起到了促进作用，这种促进作用随着弯曲荷载值得增大而加剧。
3 结语
混凝土碱集料反应是耐久性影响因素之一。为了提高混凝土耐久性，各国学者就混凝土碱集料反应问题也展开了大量的科研工作。碱集料反应影响因素较多，以往大都是对单因素进行研究，研究比较充分，取得的成果也比较多。但是，建筑结构工程所处实际环境影响因素众多，情况复杂，多重因素交织在一起，混凝土内部劣化损伤是多重因素相互影响的结果。要从根本上进行有效的抑制混凝土碱集料反应，必须正确认识双重或多重环境因素对混凝土损伤的影响，找出其机理并建立相应的损伤模型，这些仍然还处于探索起步阶段。混凝土碱集料反应与环境因素双重或多重作用对混凝土损伤的影响值得深入研究探讨，并采用多种检测手段对混凝土损伤进行检测，例如交流阻抗谱法，这可能成为今后的发展方向。
参考文献
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