集料碱析出及其对碱—集料反应的影响

论文摘要

碱-集料反应（Alkali-Aggregate Reaction, 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=1314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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 集料碱析出问题研究进展
• 1.1 碱-集料反应研究评述
• 1.1.1 碱-集料反应的概念
• 1.1.2 碱-集料反应的分类及膨胀机理
• 1.1.3 碱-集料反应膨胀破坏发生的条件
• 1.1.3.1 集料的碱活性
• 1.1.3.2 水分对AAR 的影响
• 1.1.3.3 混凝土中的碱对AAR 的影响
• 1.1.3.4 混凝土中碱的来源
• 1.2 集料中的含碱矿物及对AAR 的影响
• 1.2.1 集料中的含碱矿物
• 1.2.2 集料碱析出问题的提出背景及对AAR 的影响
• 1.2.3 集料碱析出问题的研究方法及评述
• 1.2.4 碱性环境下含碱矿物分解的机理
• 1.3 本课题的研究目的和意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 集料碱析出的热力学方法分析
• 2.1 集料中常见含碱矿物
• 2.2 热力学基本参数和热力学计算方法
• 2.3 含碱矿物分解反应式
• 2.3.1 铝酸根离子的分布状态与pH 值的关系
• 2.3.2 硅酸根离子的分布状态与pH 值的关系
• 2.3.3 碱性环境下含碱矿物分解反应式
• 2.4 含碱矿物的分解反应
• 0₂₉₈和K⁰'>2.4.1 含碱矿物分解反应的△G⁰₂₉₈和K⁰
• 2.4.2 pH 值对含碱矿物分解反应的影响
• 2.5 含碱矿物析碱能力评估
• 2.6 讨论
• 2.7 本章小节
• 参考文献
• 第三章 AAR 膨胀快速检测方法的研究
• 3.1 实验用原料
• 3.1.1 水泥
• 3.1.2 非碱活性集料
• 3.1.3 碱活性集料
• 3.1.4 高碱含量集料
• 3.2 快速检测方法的研究
• 3.2.1 碱-集料反应检测方法评述
• 3.2.2 快速检测方法研究思路
• 3.2.3 不同养护条件对碱-集料反应检测结果的影响
• 3.2.4 快速检测方法的确定
• 3.3 讨论
• 3.4 本章小节
• 参考文献
• 第四章 含碱集料对AAR 的影响
• 4.1 霞石正长岩、白岗岩对AAR 的影响
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 水泥碱含量的影响
• 4.1.3 含碱集料粒度的影响
• 4.1.4 20℃养护实验
• 4.2 不同的含碱矿物对AAR 的影响
• 4.2.1 实验用原料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 4.3 讨论
• 4.4 本章小节
• 参考文献
• 第五章 集料碱析出的机理分析
• 5.1 前言
• 5.2 集料在碱溶液中的侵蚀
• 5.2.1 集料在碱溶液中的侵蚀现象
• 5.2.2 扫描电镜（BSI、EDS、SEI）研究
• 5.2.3 MAS-NMR 分析
• 5.3 含碱集料在碱溶液中的碱析出
• 5.4 含碱集料在混凝土中的碱析出
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验结果及分析
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小节
• 参考文献
• 第六章 抑制含碱集料对AAR 的影响的措施初探
• 6.1 研究思路
• 6.2 实验用原料及实验方法
• 6.2.1 实验用原料
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 粉煤灰对AAR 膨胀的抑制
• 6.3.2 预处理后的霞石正长岩、白岗岩对AAR 膨胀的影响
• 6.4 本章小节
• 参考文献
• 第七章 关于集料碱析出问题的讨论
• 7.1 关于含碱矿物的析碱机理
• 7.2 关于集料在混凝土中的碱析出的测定方法
• 7.3 关于混凝土AAR 测定方法
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况
• 致谢