混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的原因分析

1.混凝土性能劣化的原因和預(yù)防混凝土性能的惡化通常是由于設(shè)計(jì)和施工錯(cuò)誤造成的。例如，通過法國的成本分析，建筑效率的損失是由設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的。43%的建筑失敗是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，43%的施工錯(cuò)誤，6%的材料使用錯(cuò)誤，8%的維護(hù)錯(cuò)誤造成的。其它國家的情況大致與此相似,這種問題可以歸結(jié)于多種原因,包括過分強(qiáng)調(diào)減小工程造價(jià)而忽略工程的長期造價(jià);人們對(duì)混凝土性能劣化過程的認(rèn)識(shí)水平有待提高,本文討論混凝土因氯化物侵蝕和碳化引起鋼筋銹蝕、凍融侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應(yīng)和延緩鈣礬石生成而導(dǎo)致性能劣化的原因、發(fā)生率和可能的后果,以及預(yù)防措施及其原理。混凝土材料一旦出現(xiàn)失效或性能劣化人們總想知道:(1)產(chǎn)生原因;(2)嚴(yán)重程度;(3)可能的后果;(4)修復(fù)或獲得一個(gè)經(jīng)濟(jì)使用壽命的措施;(5)預(yù)防措施。正確地分析判斷混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的原因極為重要。如果分析判斷錯(cuò)誤,將可能導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不恰當(dāng)?shù)男迯?fù)和采取不適當(dāng)預(yù)防措施。導(dǎo)致混凝土可視裂紋的原因有許多,如塑性收縮、塑性沉降、結(jié)構(gòu)荷載、熱收縮、干縮、凍融侵蝕、鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕、堿集料反應(yīng)和延緩鈣礬石生成?；炷脸霈F(xiàn)初始裂紋的時(shí)間可作為判斷裂紋原因的參考:塑性裂紋大約在澆注后幾到10小時(shí)出現(xiàn),熱裂紋大約在澆注后2到10天出現(xiàn),干縮裂紋出現(xiàn)在接近1年齡期時(shí),凍融循環(huán)引起的裂紋大約在1年或在10至20年之間,鋼筋銹蝕引起的裂紋在8年或更晚出現(xiàn),堿集料反應(yīng)引起裂紋的出現(xiàn)通常在2—20年,。延緩鈣礬石生成引起的裂紋通常出現(xiàn)在1～10年。2.氯化物侵蝕引起的腐蝕2.1afm水化物侵蝕原因混凝土中的高堿性溶液對(duì)混凝土中的鋼筋起保護(hù)作用。高的堿度可以使鋼筋表面形成一層厚度為(2-6)×10-3μm惰性的水化氧化鐵薄膜(γFe2O3·nH2O),該惰性薄膜可以阻止鋼筋的銹蝕(陽極溶解)。通常,鋼筋表面的氧化鐵薄膜的破壞有兩種原因:一是因混凝土碳化而引起鋼筋混凝土保護(hù)層的pH值降低,二是氯離子和氧離子作用而破壞惰性氧化鐵薄膜。氯化物侵蝕所形成的銹蝕產(chǎn)物將導(dǎo)致混凝土的開裂和鋼筋增強(qiáng)效果的失效,特別在氣溫高的海洋結(jié)構(gòu)中氯化物侵蝕引起銹蝕的發(fā)生非常迅速。據(jù)估計(jì)英國混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋腐蝕而產(chǎn)生的年維修費(fèi)大約為5×108英鎊,美國僅混凝土橋的維修費(fèi)就達(dá)5×1010美元/年。這些問題大都與混凝土質(zhì)量欠佳,保護(hù)層不夠,梁的連接失誤,橋面板防水層的缺乏和預(yù)應(yīng)力后張通道灌漿不良相關(guān)。氯離子可以通過以下途徑進(jìn)入混凝土:(1)作為混凝土的組分,(2)通過擴(kuò)散作用,(3)在干濕條件下通過毛細(xì)管吸入,(4)在水壓頭的作用下滲透?；趯?shí)驗(yàn)室研究通常認(rèn)為氯離子是依據(jù)擴(kuò)散作用進(jìn)入混凝土,因而認(rèn)為氯化物侵蝕引起銹蝕的可能性與氯離子的濃度有關(guān),而就氯化物侵蝕引起銹蝕本身的研究則相對(duì)較少。為了減少氯化物侵入混凝土、延長混凝土初始腐蝕的時(shí)間,有必要采用低水膠比使其毛細(xì)孔互不連通,孔越多和抗?jié)B性越差的混凝土,其被腐蝕的初始時(shí)間就越短。氯化物銹蝕鋼筋的臨界值大小取決于以下因素:●孔隙溶液的pH值——隨pH增加而提高;●膠凝材料中的C3A,C4AF含量——隨C3A,C4AF含量增加而提高;●混凝土所用膠凝材料的種類——可以上下波動(dòng);●水膠比——隨水膠比的增加而降低。鋼筋與混凝土界面中游離氯化物達(dá)到臨界水平的時(shí)間取決于:●水膠比——隨水膠比增加縮短;●孔隙溶液的pH值——隨增加而延長;●膠凝材料中的C3A,C4AF含量——隨C3A,C4AF含量增加而延長;●混凝土所用膠凝材料的種類——因?yàn)榛炷帘３诛柡蜖顟B(tài),其抗氯化物銹蝕能力依次為:抗硫酸鹽水泥和波特蘭水泥、粉煤灰和硅灰水泥、礦渣水泥;●養(yǎng)護(hù)時(shí)間——隨增加而延長;●混凝土保護(hù)層——隨增加而延長。在國際上雖然無人正式提出,但是最新的水泥化學(xué)理論暗示了這樣一個(gè)原理:混凝土的一系列耐久性問題,包括硫酸鹽侵蝕、碳化、氯離子滲透與固化、鋼筋銹蝕等,都與AFm家族的水化物的生成與轉(zhuǎn)化有一定的關(guān)系。AFm家族的水化物全都具有類似于Ca(OH)2晶體的層狀結(jié)構(gòu)特征,并且可以寫成這樣的通式[Ca2(Al,Fe)(OH)6]·X·nH2O,其中X表示一個(gè)單價(jià)陰離子或半個(gè)雙價(jià)陰離子。很多種類的陰離子可以作為X,但是在水泥化學(xué)中最為重要的是OH-、SO42-、CO32-、Cl-。這樣,當(dāng)混凝土遭受硫酸鹽侵蝕,碳化和氯離子侵蝕時(shí),分別涉及到相對(duì)應(yīng)的水化物的生成和轉(zhuǎn)化問題。這三種AFm水化物的穩(wěn)定性不同且生成順序的優(yōu)先性不同,即:3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O最為穩(wěn)定和優(yōu)先生成,其次是3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O,最后是3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O。這一原理的提出解釋了眾多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律,其中有些是以前未能得到合理解釋的,舉例如下:1.在氯離子侵蝕的過程中,有一部分氯離子將參入3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O的生成過程,即這部分氯離子被AFm相“固化”,被固化的氯離子對(duì)鋼筋銹蝕無害,并且能延緩氯離子的滲透過程。由于SO42-型AFm最為穩(wěn)定且優(yōu)先生成,這個(gè)過程消耗了體系中的Al2O3,故過高的硫酸鹽含量將降低混凝土的固化氯離子的能力。2.碳化過程能夠?qū)l-型AFm轉(zhuǎn)化為CO32-型AFm,此過程釋放出氯離子故加速了氯離子滲透和鋼筋銹蝕的過程。硫酸鹽侵蝕過程與碳化過程類似,只是程度更為強(qiáng)烈。這樣當(dāng)人們研究氯離子在混凝土中的固化與滲透時(shí),就涉及到一個(gè)有效Al2O3含量的問題,只有當(dāng)Al2O3與S042-和CO32-反應(yīng)后剩余的那部分Al2O3才能起到固化氯離子的作用。2.2混凝土材料除了采用低水膠比、增大混凝土保護(hù)層厚度和選擇合適的膠凝材料外,通常還采用其它一些方法預(yù)防在混凝土設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)氯化物銹蝕引起的性能劣化:●在鋼筋表面涂刷環(huán)氧樹脂。雖然涂刷環(huán)氧樹脂鋼筋的造價(jià)是普通鋼筋的兩倍,但在美國被廣泛應(yīng)用,在英國也被接受和采用?！穹氰F增強(qiáng)纖維。在德國和日本人造纖維被應(yīng)用在非常惡劣的化學(xué)環(huán)境中,人造纖維多是碳纖維、玻璃纖維或抗堿有機(jī)纖維,其造價(jià)為普通鋼筋的四倍。●采用外加劑減小混凝土的滲透性?？煞譃?聚合樹脂分散劑,孔阻塞防水劑和塑化劑及超塑化劑三類?！駚喯跛徕}腐蝕抑制劑。據(jù)報(bào)道亞硝酸鈣腐蝕抑制劑的使用可以通過提高氯離子產(chǎn)生腐蝕的臨界值來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護(hù)膜,該方法易于使用且造價(jià)合理?！裢繉印Ｖ灰繉幽途貌?yīng)用恰當(dāng),在鋼筋表面涂層是非常有效的?！癖韺臃浪畡?如硅烷類和有機(jī)高分子硅醚齊聚物類表層防水劑?！窨刂茲B透模板(CPF)。CPF在日本得到廣泛的應(yīng)用。CPF作用就象過濾器,只允許空氣和混凝土表面的泌水通過,降低模板附近混凝土的水膠比。澆注在CPF中的C30混凝土的抗?jié)B性與澆注在傳統(tǒng)模板中的C50混凝土的抗摻性相近。2.3通過陰極保護(hù)法來阻止白砂糖傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法主要是減慢銹蝕速度,阻止氯化物進(jìn)一步侵入(鋼筋涂層),但氯離子仍存在于混凝土內(nèi),其潛在的繼續(xù)銹蝕能力仍存在。進(jìn)一步的措施可以通過價(jià)格較高的陰極保護(hù)法,或淡化法來阻止。陰極保護(hù)就是將某種更為活潑的金屬作為陽極與混凝土中的鋼筋連接從而將鋼筋變成陰極來防止進(jìn)一步腐蝕(銹蝕僅發(fā)生在陽極區(qū)域),這種方法也可以被稱之為犧牲陽極法;至于淡化法就是將直流電流置于增強(qiáng)材料和內(nèi)部鋼筋網(wǎng)之間約8到12周,使陽極在堿性溶液中被“包裹”和飽和,據(jù)報(bào)道淡化法中氯離子通過電滲透作用而擴(kuò)散到表面,此方法的不足之處是氫氧根離子也擴(kuò)散到表面。3.碳酸鹽的腐蝕3.1混凝土駁岸的形成原因碳化銹蝕比氯化物侵蝕發(fā)展得慢。大量的結(jié)構(gòu)混凝土是用在民用、工業(yè)和辦公室建筑,而不是工程結(jié)構(gòu),僅有很少的結(jié)構(gòu)存在著氯化物侵蝕引起銹蝕的危險(xiǎn),因此大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的潛在使用壽命主要取決于碳化和增強(qiáng)材料銹蝕的速率。當(dāng)空氣中二氧化碳擴(kuò)散到混凝土中與水作用生成碳酸,碳酸與堿性氫氧化物反應(yīng)生成碳酸鹽,在自由水的作用下碳酸鈣沉淀在混凝土內(nèi)部的孔穴中,此時(shí)就發(fā)生了混凝土的碳化?；炷撂蓟慕Y(jié)果使混凝土孔隙溶液的pH從非碳化區(qū)域大于12.6降低到完全碳化區(qū)域的8。如果堿損失發(fā)生在鋼筋附近,就能引起鋼筋鈍化膜的破壞,且在濕空氣和氧的作用下,還可以引起平行于鋼筋的裂紋和混凝土崩裂。對(duì)碳化銹蝕最敏感的是暴露于雨水中的混凝土,特別是鋼筋的保護(hù)層較薄或保護(hù)層質(zhì)量低更易碳化。碳化有初始期和傳播期,在初始期二氧化碳滲透進(jìn)入混凝土保護(hù)層,最終導(dǎo)致鋼筋的鈍化膜破壞;在傳播期鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂或崩裂,因此可以將平行于混凝土中鋼筋的裂紋的出現(xiàn)作為限制安全的標(biāo)準(zhǔn)。鋼筋銹蝕初始期出現(xiàn)的時(shí)間取決于下列因素:水膠比——隨水膠比的降低而延長;膠凝材料種類——相同水膠比下膠凝材料抗碳化性能隨如下順序增加:礦渣和粉煤灰水泥、波特蘭水泥和硅灰水泥;在相同混凝土等級(jí)條件下膠凝材料抗碳化性能隨如下順序增加:礦渣水泥-硅灰水泥-粉煤灰和波特蘭水泥;養(yǎng)護(hù)時(shí)間——隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而延長;相對(duì)濕度(RH)——RH低于98%時(shí),隨RH降低而縮短;混凝土保護(hù)層——隨混凝土保護(hù)層厚度增加而延長。3.2預(yù)防碳排放的措施減小混凝土碳化可以通過低水膠比、增大混凝土保護(hù)層厚度和適當(dāng)選擇膠凝材料來實(shí)現(xiàn),另外也可以采用CPF、涂層或表面防水劑。3.3英國安多拉多水區(qū)的研究傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法包括一套應(yīng)用技術(shù),其中包括修補(bǔ)受到不利影響的區(qū)域。英國研究院研究了一種叫作“重新堿化法”,并且在英國安多拉多水區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場研究。重新堿化法的過程與淡化法相同,其目的是在鋼筋與混凝土界面之間重新建立一個(gè)高堿性環(huán)境。4.冷凍侵蝕4.1新型混凝土抗凍融侵蝕能力在世界很多溫度達(dá)到冰點(diǎn)的地區(qū),普遍的混凝土性能劣化形式是混凝土中飽和水結(jié)冰造成的凍融侵蝕?；炷量紫吨辽儆?1.7%充滿水,水結(jié)冰才產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在水形成冰的過程中結(jié)冰產(chǎn)生的破壞性膨脹引起的混凝土性能劣化是漿體的碎裂、放射狀裂紋、圖案或地圖狀裂紋和脹崩現(xiàn)象?；炷梁癜灞砻娣派錉盍鸭y是混凝土凍融侵蝕破壞最普通的形式之一,該破壞形式甚至在高性能混凝土厚板也出現(xiàn)。在寒冷氣候中被水飽和的混凝土的凍融侵蝕最嚴(yán)重,其典型例子為水利結(jié)構(gòu),即部分壩體、溢洪道、進(jìn)出水隧道、碼頭、墻的上部等,以及混凝土構(gòu)件,如排水溝、路緣、私人車道和地面板。而面向雨水的垂直面極少受凍融侵蝕影響。1941年人們就已經(jīng)知道只要混凝土采用高質(zhì)量漿體和耐久性集料,混凝土引氣劑可以增強(qiáng)其抗凍融侵蝕能力(引氣劑同時(shí)會(huì)對(duì)去冰鹽效果產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)),因此在寒冷氣候下引氣混凝土被用來提高抗凍融侵蝕能力。引氣劑使小空氣泡均勻地分布于混凝土中,結(jié)冰時(shí)氣泡能使未結(jié)冰水進(jìn)入而使結(jié)冰產(chǎn)生的水壓得以釋放。如果氣泡占混凝土體積的1%,且氣泡的大小合適,非結(jié)冰水能進(jìn)入氣泡,那么混凝土內(nèi)的水結(jié)冰過程將不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。實(shí)際應(yīng)用證明較高的引氣量是必要的。影響引氣劑提高混凝土抗凍融侵蝕能力的因素是空氣的體積濃度、氣泡尺寸、氣泡間隔和氣泡的比表面積,但并不是所有引入混凝土中的空氣均能提高混凝土的抗凍融侵蝕能力。除了高粉煤灰和礦渣摻量的水泥外,同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土的抗凍融侵蝕性能與膠凝材料種類無關(guān),而對(duì)于同強(qiáng)度等級(jí)非引氣混凝土,波特蘭水泥混凝土的抗凍融侵蝕能力最高。4.2減少混凝土吸水率為了降低寒冷氣候?qū)炷猎斐蓛龊?通常采用以下措施:避免采用吸水率高的集料、摻引氣劑、相同施工性能下減少用水量、加強(qiáng)排水以免混凝土被水飽和、在混凝土泌水完成以前避免快速干燥、在混凝土的泌水散失后終飾、確保在首次凍融循環(huán)之前水泥已充分水化。5.硫酸鹽侵蝕5.1抗硫酸鹽土壤侵蝕能力由于硫酸鹽侵蝕而導(dǎo)致混凝土的劣化較為少見。侵蝕混凝土與砂漿的硫酸鹽存在于一些地下水、鍋爐氣體、磚、填充材料和工業(yè)廢棄物中,其通常特征是最終導(dǎo)致混凝土表面層開裂或疏松的膨脹。通常認(rèn)為,混凝土受硫酸鹽侵蝕的難易與水灰比以及波特蘭水泥的鋁酸三鈣含量有關(guān),并且是與過量鈣礬石和石膏的形成相聯(lián)系的。另外,在接觸硫酸鹽之前的碳化,可以大大提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。多年前人們就已認(rèn)識(shí)到土壤和地下水中的硫酸鹽可以侵蝕砂漿和混凝土結(jié)構(gòu)。30年代通過減少波特蘭水泥中的鋁酸三鈣含量來調(diào)整化學(xué)成分,發(fā)明了抗硫酸鹽波特蘭水泥(SRPC,C3A<5或3%)。許多試驗(yàn)室和現(xiàn)場的研究表明SRPC配制了高抗硫酸鹽的混凝土。然而,在美國硫酸鹽侵蝕也常常出現(xiàn)于用SRPC制造的混凝土管,這可能是因?yàn)殒V離子和硫酸根離子的濃度遠(yuǎn)高于歐洲所允許的在不受保護(hù)的混凝土中的限度。雖然美國已經(jīng)嘗試尋找SRPC的代用品,但尚未獲得成功。在實(shí)驗(yàn)室的加速性能試驗(yàn)中,以一系列不同的方式評(píng)估由于硫酸鹽侵蝕而導(dǎo)致的劣化,如視覺方式、磨損速率因子、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、膨脹和體積變化。由于試驗(yàn)室侵蝕試驗(yàn)的短期性,對(duì)性能的評(píng)價(jià)通常由浸泡在比實(shí)踐中所遇到的更高的硫酸鹽濃度的溶液中來得到,并且在通常情況下,這種試驗(yàn)是在20℃左右的環(huán)境下進(jìn)行,這不是最不利的溫度;混凝土或砂漿試樣通常浸泡在硫酸鈉或硫酸鎂溶液中,這種方法可能可以正確分出混凝土和水泥的抗硫酸鹽侵蝕的等級(jí);試驗(yàn)室結(jié)果可以應(yīng)用于抵抗硫酸鹽土壤侵蝕的混凝土中。如以抗壓強(qiáng)度作比較,英國水泥協(xié)會(huì)建議處于長期暴露等級(jí)X中的混凝土抗硫酸鹽能力可分為高或普通兩種,100mm立方體試塊在暴露于X+1等級(jí)條件下5年后,如果保持的抗壓強(qiáng)度超過70%則為高,在30～70%之間為普通。波特蘭水泥、波特蘭-粉煤灰水泥、波特蘭-礦渣水泥在抗硫酸鹽能力上存在極大的可變性。5.2凝土中其他抗硫酸鹽水泥對(duì)于化學(xué)腐蝕,歐洲前標(biāo)準(zhǔn)ENV206定義了三種暴露等級(jí)。如表1所示。英國已經(jīng)要求對(duì)水中SO4與土壤提取物之比的限定也包含在表1中(最后一行所示)。在pH大于7的可滲透土壤和在水膠比小等于0.45的混凝土中,下列水泥在歐洲等級(jí)XA3條件下確信是適用的:C3A重量含量小于4%的波特蘭水泥;礦渣含量不少于65%的波特蘭—礦渣水泥(帶有更高SO3含量)。以上兩種水泥可認(rèn)為是高抗硫酸鹽水泥。這與最近的實(shí)踐相符,如在許多國家,生產(chǎn)含有高礦渣摻量的水泥在抗硫酸鹽侵蝕能力上被看作是與抗硫酸鹽水泥一樣的。在美國和法國,W/C≤0.45和C3A含量分別低于8%和10%的波特蘭水泥被認(rèn)為具有中等抗硫酸鹽能力的水泥,許多含有礦渣或粉煤灰的拌合物具有中等抗硫酸鹽能力,研究表明浸泡于海水中的混凝土,比浸泡在具有同樣硫酸根離子濃度的淡水中要好些。在美國規(guī)定波特蘭水泥中C3A含量最大為10%(W/C≤0.45)。6.堿性固定裝置反應(yīng)6.1活性硅的用量堿集料反應(yīng)俗稱為混凝土的癌癥,這是因?yàn)樵摲磻?yīng)一旦發(fā)生,該混凝土將無法修復(fù),整體結(jié)構(gòu)功能將遭到破壞。在許多國家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了由于堿集料反應(yīng)造成的開裂,包括美國、加拿大、丹麥、德國、日本、南非和英國。有些受堿集料反應(yīng)影響的結(jié)構(gòu)已得到修復(fù):由后張法增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)包括Jersey的Val-de-1a-Mere水壩和日本支撐高架電車道的一個(gè)橋墩,在英國Plymouth的CharlesCross停車場通過加入雙聯(lián)柱和邊梁系統(tǒng)而增強(qiáng),在南非重修了受影響的部分港口結(jié)構(gòu)。堿-硅反應(yīng)是混凝土孔中的氫氧根離子與集料中的活性二氧化硅之間的反應(yīng)。混凝土中的堿離子(指Na2O和K2O)主要由水泥引入,當(dāng)集料中含有活性二氧化硅時(shí)(例如某些火山灰質(zhì)集料,最具有反應(yīng)活性的硅是最無序的蛋白石硅和火山灰玻璃體),在有水的條件下,堿離子將和活性二氧化硅發(fā)生反應(yīng)生成一種含堿金屬的硅凝膠(具有強(qiáng)烈的吸水膨脹能力),其形成和成長常常造成膨脹,這種膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力,造成內(nèi)部微裂縫甚至造成混凝土嚴(yán)重開裂(網(wǎng)狀裂紋)。由于用高堿波特蘭水泥制備的混凝土中氫氧根離子濃度可能是用低堿水泥的10倍,該反應(yīng)被假定為只存在于來自波特蘭水泥的鈉鉀堿與活性硅之間是不正確的,因?yàn)槠渌鼇碓吹膲A也能參與該反應(yīng)。受堿集料反應(yīng)影響最不利的混凝土是處于雨水或地下水中的混凝土,水的存在是堿集料反應(yīng)的外部條件。堿集料反應(yīng)誘發(fā)的膨脹和開裂還取決于混凝土可獲得的堿含量、活性硅含量、所受約束、存在的鹽和齡期。混凝土中整體水化物的Ca/Si也是影響堿集料反應(yīng)發(fā)生的重要因素,這是因?yàn)榈虲a/Si的C-S-H凝膠具有強(qiáng)烈的吸附能力,可以將混凝土中的游離態(tài)堿金屬“固化”,從而使其失去參與堿集料反應(yīng)的能力。在其它條件相同下,高Ca/Si的混凝土比低Ca/Si的混凝土易于發(fā)生堿集料反應(yīng),在混凝土中摻混合材可以抑制堿集料反應(yīng)發(fā)生。圖1說明了在38℃潮濕養(yǎng)護(hù)條件下一系列混凝土的一年膨脹與混凝土最初堿含量(以當(dāng)量氧化鈉表示)之間的關(guān)系。注意到膨脹隨堿含量增加而增大并且取決于所用的集料。采用英國含有黑硅石和隧石的硅質(zhì)集料,誘發(fā)膨脹所需的堿含量大于每立方米5kg左右。對(duì)于南非的MalmesburyHomfels集料臨界堿含量每立方米大約為2.0kg,而對(duì)于所示的兩種加拿大集料則大約為3.0kg。很明顯,混凝土堿集料反應(yīng)發(fā)生的可能性取決于所用集料,進(jìn)而在新結(jié)構(gòu)中的預(yù)防措施同樣因集料不同也不同。圖2說明了存放于英國西南部和南非Cape省室外的混凝土塊的堿集料反應(yīng)的時(shí)間范圍。有兩點(diǎn)值得注意:第一點(diǎn)是膨脹曲線形式的相似性,第二點(diǎn)是開裂齡期越長,長期膨脹值越低進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越小。對(duì)于堿主要來源于波特蘭水泥的混凝土,這種反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹大多完成于10～20年間。6.2應(yīng)用粉煤灰和礦渣的堿集料反應(yīng)在新建筑中已經(jīng)采用了一些方法以最大限度降低由于堿集料反應(yīng)導(dǎo)致開裂的可能性,如采用有良好工程實(shí)例的集料、檢測集料活性、檢測水泥—集料的膨脹、規(guī)定水泥堿含量、規(guī)定混凝土中堿含量或者用粉煤灰或礦渣取代部分高堿水泥。在北美從40年代初以來,當(dāng)采用活性集料時(shí),水泥堿含量規(guī)定的上限為體積比0.6%。在其它一些國家,近年來規(guī)定的混凝土堿含量的上限值通常為3kg/m3。用粉煤灰和礦渣取代部分波特蘭水泥對(duì)于減少由于堿集料反應(yīng)導(dǎo)致的開裂的危險(xiǎn)性的有效性尚有少量異議,但很清楚的是低堿含量的取代物比高堿含量取代物對(duì)于減少危險(xiǎn)性更有效,特別是在與中等或低堿含量波特蘭水泥共同使用時(shí)。一些研究者認(rèn)為礦渣和粉煤灰不提供堿集料反應(yīng)的堿,然而另一些研究者則堅(jiān)持認(rèn)為粉煤灰和礦渣的總堿量中分別有接近1/6和1/2的堿參與堿集料反應(yīng),而它們的實(shí)際作用可能比后者的觀點(diǎn)更為復(fù)雜。根據(jù)我們的研究結(jié)果摻入不少于膠凝材料總量15%的混合材(一般可以選用粉煤灰和硅灰),可以有效地降低水化物的Ca/Si,從而抑制堿集料反應(yīng)。在工程中同時(shí)采用非活性集料和摻混合材兩項(xiàng)措施可以完全避免堿集料反應(yīng)的發(fā)生。綜上所述,發(fā)生堿集料反應(yīng)的兩個(gè)根本的內(nèi)因是混凝土中要含有較多的堿金屬離子以及集料中必須含有活性二氧化硅。因此,為了避免堿集料反應(yīng),一般可采取以下技術(shù)路線:(1)采用非活性集料,如采用花崗巖質(zhì)集料。絕大多數(shù)花崗巖質(zhì)集料不含有活性二氧化硅,另外,花崗巖質(zhì)集料的強(qiáng)度也較高,更能滿足強(qiáng)度方面的要求。(2)采用低堿水泥和控制混凝土其它組分堿的引入。(3)摻入混合材。一般可選用粉煤灰或硅灰,混合材的摻入可以有效地降低水化物的Ca/Si,從而抑制堿集料反應(yīng)。6.3改善結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)堿集料反應(yīng)導(dǎo)致破壞的最基本要求通常是外部水源。因此,如果從對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)視中確認(rèn)膨脹正在進(jìn)行,第一步采用的措施是使結(jié)構(gòu)不接觸或最大限度遠(yuǎn)離水。必須改善結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)以便使水流走而不是進(jìn)入、通過或滲入結(jié)構(gòu)部分;必須消除結(jié)構(gòu)中積蓄水的區(qū)域。這種措施同樣也減少凍融破壞以及由于氯離子滲入而引發(fā)的鋼筋銹蝕的危險(xiǎn)性。必須進(jìn)一步確定堿集料反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響程度。一旦不再膨脹,通常所要求的只是用水泥漿或樹脂填充裂縫來維修表面以及用表面涂層來改善外觀。這將進(jìn)一步減少進(jìn)入混凝土的濕氣,同樣也減輕人們對(duì)這一結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)注。7.鈣緩沖生成def7.1熱養(yǎng)護(hù)砂漿def在歐洲和其它地方,處于潮濕環(huán)境下早期熱養(yǎng)護(hù)的預(yù)制混凝土構(gòu)件和大斷面、高水泥含量(500kg/m3)的現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生膨脹和開裂。在顯微鏡下,表現(xiàn)出膨脹的混凝土的薄片試樣中有許多粗、細(xì)集料顆粒周圍可見均勻的致密的鈣礬石帶,該現(xiàn)象稱為延續(xù)鈣礬石生成,帶的寬度隨顆粒尺寸增大而增大。在英國受到延緩鈣礬石生成影響的結(jié)構(gòu)中,粗集料顆粒周圍帶的寬度高達(dá)30微米,表明混凝土的膨脹高達(dá)0.6%。以作者的經(jīng)驗(yàn),粗集料顆粒周圍鈣礬石帶寬度高達(dá)15微米的現(xiàn)場混凝土(膨脹大約0.3%)不出現(xiàn)肉眼可見的開裂。延緩鈣礬石生成作為一個(gè)使混凝土劣化的原因最早由Ludwig在1980年指出。研究表明在試驗(yàn)室條件下采用含SO33～4%的高早強(qiáng)水泥配制的砂漿如在高于75℃條件下熱養(yǎng)護(hù),接著又置于20℃水中則出現(xiàn)反常膨脹。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在硬化砂漿基體中的膨脹要在幾個(gè)月或多年后才出現(xiàn)。圖3是一些由英國水泥協(xié)會(huì)獲得的砂漿膨脹結(jié)果,這些砂漿由兩種可疑水泥制備并進(jìn)行了不同熱養(yǎng)護(hù),這些結(jié)果廣泛證實(shí)了Ludwig獲得的結(jié)果。由DEF誘發(fā)的膨脹對(duì)以下因素非常敏感:1)早期的最高溫度;2)所用集料;3)混凝土的孔隙率;4)SO3含量。產(chǎn)生這種膨脹的機(jī)理最近已成為激烈探討的主題。膨脹可能由于延緩鈣礬石生成相關(guān)聯(lián)的一些過程誘發(fā),這種觀點(diǎn)已被接受但尚未被證實(shí)。鈣礬石是高硫型水化硫鋁酸鈣,具有公認(rèn)的化學(xué)式3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。它是一種早期正常水化產(chǎn)物,在常溫下具有體積膨脹性質(zhì)的鈣礬石在水泥水化早期生成,由于此時(shí)混凝土具有塑性,其生成不僅不會(huì)破壞水泥石的結(jié)構(gòu),相反可以提高早期