初探水工混凝土的碱骨料反应新题目-土建水利论文土建水利论文.doc

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初探水工混凝土的碱骨料反应新题目-土建水利论文_土建水利论文摘要摘要：全面比较了水工混凝土和普通混凝土的差异，系统地分析了这些差异在碱骨料反应方面所导致的不同行为。在此基础上发现当碱骨料反应发生时，水工混凝土比普通混凝土有更大的危险性。同时也对在普通混凝土基础上得出的一些评判方法及判据、混凝土平安碱含量等控制指标能否用于水工混凝土提出疑问。摘要：水工混凝土碱骨料反应差异表现行为碱骨料反应所导致的严重后果已逐渐被人们所熟悉。近年来，很多水利工程已经开始重视碱骨料反应新题目，越来越多的工程在开工前对骨料进行碱活性检验，并采取积极办法预防碱骨料反应的发生。但是，水工混凝土有其自身的特征，在很多方面不同于普通混凝土。正是由于这种差异，碱骨料反应在水工混凝土中也将表现出不同的行为。在这一方面，至今还没有被人们所察觉。在大多数水利工程中，对碱骨料反应的判定，对一些预防办法的决策，一般都是依据普通混凝土的一些探究结果。用普通混凝土的探究结果来分析水工混凝土碱骨料反应新题目，很可能导致一些错误的熟悉，并作出一些错误的决策。对此，应该引起足够的重视。本文首先分析水工混凝土和普通混凝土的差异，并进一步分析这些方面对混凝土碱骨料反应行为的影响。旨在对水工混凝土的碱骨料反应新题目有更清楚的熟悉。1水工混凝土和普通混凝土的差异从混凝土的碱骨料反应行为考虑，水工混凝土和普通混凝土至少存在以下5个方面的差异摘要：(1)骨料粒径较大。水工混凝土最大骨料粒径一般为150mm，而且所占的比例较高，80～150mm骨料大约占骨料总量的30％以上。而普通混凝土最大骨料粒径一般不超过40mm，一些水泥制品的骨料粒径甚至不超过20mm。(2)混凝土强度等级较低。除了一些非凡部位外，水工混凝土的强度等级一般较低。非凡是重力坝，混凝土强度等级更低。以三峡主体工程为例，大坝内部混凝土90d龄期的设计强度仅为15MPa，大坝外部混凝土90d龄期的设计强度仅为20MPa，水位变化区外部混凝土90d龄期的设计强度仅为25MPa。而普通混凝土28d龄期的设计强度一般为30～40MPa。60MPa以上的高强混凝土也已经较普遍地被采用。道路混凝土28d龄期的设计强度一般也在30MPa以上。(3)胶凝材料用量较少。由于考虑到水化热，除了非凡部位外，水工混凝土的胶凝材料用量通常较低，一般不超过200kg/m3。而普通混凝土胶凝材料用量都在300kg/m3以上，甚至超过400kg/m3。?(4)长期处于湿润环境中。由于水工建筑物的非凡性，水工混凝土一般长期处于饱水状态。即便是在水上部份，由于水工建筑物体积非凡大，内部的水份难以扩散蒸发，仅仅由于胶凝材料的水化而消耗掉一部分拌合水，这是非常有限的。而且由于毛细管功能，下部的水也会扩散上来。而对于普通混凝土，由于大部分建筑物都处于地面以上，它们的干湿状态受环境控制。在一些干燥地区，混凝土可能较长时间地处于干燥状态。即便在一些多雨湿润地区，混凝土也很难保持在饱水状态下。(5)寿命要求较长。水工建筑物一般投资较大，建设期较长，因此，一般要求有较长的使用寿命。同时，由于水工建筑物的非凡重要性，通常对耐久性要求较高。三峡工程从1993年破土动工，到2009年结束，需花费17年的建设期。仅工程建设投资就高达500多亿元。而且三峡大坝一旦出现新题目，将会殃及长江下游的七省一市，其后果是不堪设想的。在这些方面，其它混凝土工程是无法和水电工程相比的。因此，水电工程所要求的使用寿命一般较长。三峡工程的使用寿命要求长达数百年。而建工、道路等部分对混凝土使用寿命的要求一般为100年。非凡是道路混凝土，使用寿命仅要求40年。由于即便混凝土不发生碱骨料反应，路面经20～30年的磨损，局部冲击，基础不均匀沉陷等因素，也需重建。从上述分析可以看出，在这5个方面，水工混凝土和普通混凝土有相当大的差异，这也将导致碱骨料反应行为的较大差异。2骨料粒径对碱骨料反应膨胀及开裂的影响在骨料粒径对碱骨料反应膨胀的影响方面，目前普遍以为[1,2，对于硅质骨料，当骨料粒径为0.15～0.80mm时砂浆棒的膨胀值最大。当骨料粒径增大时，砂浆棒的膨胀值明显减小。作者还发现[3，当有粗骨料存在时，砂浆棒的膨胀将受到粗骨料的限制。从这些探究来看，似乎可以以为水工混凝土比普通混凝土更平安。但更深进的探究却表明，这种熟悉是不正确的。(1)从骨料粒径来看，尽管砂浆棒的膨胀随骨料粒径的增大而减小，但这种影响仅仅是当骨料粒径小于2.5mm时是明显的。当骨料粒径超过2.5mm时，这一影响则不明显[3。况且在水工混凝土中，也存在着较多的细骨料。假如这些细骨料是活性的话，仍然可能发生较严重的碱骨料反应，产生较大的膨胀。从这一点看，尽管水工混凝土的最大骨料粒径可以比普通混凝土大好几倍，但这并不足以使人们产生平安感。(2)从粗骨料对砂浆膨胀的功能来看，粗骨料可以约束砂浆的膨胀，但这是有条件的。这一条件就是在碱的功能下，粗骨料的自由膨胀小于砂浆的自由膨胀。在混凝土中，假如细骨料和粗骨料都是非活性的，这就不存在着碱骨料反应新题目。假如细骨料是活性的，而粗骨料是非活性的，在这种条件下，显然粗骨料的自由膨胀小于砂浆的自由膨胀。因此，粗骨料约束砂浆的膨胀是可能的。由于水工混凝土中粗骨料含量多于普通混凝土，因而，在水工混凝土中，这种约束功能则较强，使得混凝土表现出较小的膨胀。但是，这种约束功能是以两相变形的不一致性为条件的。这种变形的不一致性势必在界面产生拉应力。假如这一拉应力超过界面的抗拉极限，粗骨料四周则会产生周边缝。粗骨料粒径越大，周边缝也将越长。这些较大缺陷的存在也将影响混凝土的很多性能。假如细骨料是非活性的，而粗骨料是活性的话，显然粗骨料的自由膨胀大于砂浆的自由膨胀。因而，粗骨料不能约束砂浆的膨胀。相反，而是砂浆约束粗骨料的膨胀。在这种条件下，粗骨料越多，混凝土的膨胀也越大。水工混凝土中的粗骨料含量是较多的，因而可能造成较大的危害。假如粗、细骨料都是活性的，一般而言，在早龄期，砂浆的自由膨胀大于粗骨料的自由膨胀，粗骨料可能约束砂浆的膨胀。但在晚龄期，粗骨料的自由膨胀可以超过砂浆的自由膨胀。此时，粗骨料不再约束砂浆的膨胀，反而促进砂浆的膨胀。因此，粗骨料对碱骨料反应膨胀的功能仅仅是延缓。(3)从混凝土的开裂来看，对于不同粒径的骨料，膨胀和开裂也是不一致的。作者曾经发现[4，对于0.15～0.80mm的骨料，当试件的膨胀率为0.175%时，用立体显微镜观察试件，在试件表面没有找到任何裂纹。当试件的膨胀率达到0.247%时，在部分试件表面观察到裂纹。假如用5～10mm的骨料，试件的膨胀率不到0.040%时，所有试件都观察到裂纹。这表明骨料粒径较大时，尽管试件的膨胀率减小，但却更轻易开裂。由此看来，试件的膨胀率随骨料粒径增大而减小并不意味着平安性进步。原因在于摘要：当粗骨料粒径较小时，碱骨料反应所产主的膨胀应力能够较均匀地分布在试件中，因而不一定产生开裂。但当骨料粒径较大时，碱骨料反应所产生的膨胀应力则较强地集中在骨料四周，局部应力可能超过基体相的抗拉极限，因而产生开裂。水工混凝土的骨料粒径是较大的，一旦发生碱骨料反应，这种应力集中也将较强，因而开裂的可能性也较大。从上述分析可以看出，在水工混凝土中骨料粒径较大，而且数目较多。尽管这些大骨料和碱的反应较慢，而且在适当的条件下可以约束砂浆的膨胀，但这并不意味着水工混凝土比其它混凝土更平安。恰恰相反，无论是从粗骨料对砂浆的功能来分析，还是从混凝土的开裂来分析，正是由于水工混凝土中的骨料粒径较大，而且数目较多，一旦发生碱骨料反应，水工混凝土将比普通混凝土更轻易破坏。3混凝土强度和碱骨料反应破坏的关系和其它混凝土相比，在通常情况下，水工混凝土所要求的强度是较低的。而且水工混凝土通常是以90d龄期的强度作为设计标准，而其它混凝土通常是以28d龄期的强度作为设计标准。这表明水工混凝土在强度方面和其它混凝土有相当大的差别。混凝土强度的差别在较大程度上反映了混凝土中硬化水泥石强度的差别。水工混凝土强度较低表明水工混凝土中硬化水泥石的强度较低。用细观力学的方法分析，硬化水泥石是基体相。当骨料和碱发生反应时，骨料产生膨胀，而硬化水泥石则约束骨料的膨胀。和此同时，硬化水泥石将受到一个拉应力。当这一拉应力超过硬化水泥石的抗拉强度时，将发生开裂。由此可得出下列判据摘要：(1)式中摘要：εp为粒子相(骨料)的自由膨胀；εm为基体相(硬化水泥石)的自由膨胀；Ep为粒子相的弹性模量；Em为基体相的弹性模量；k为粒子相体积因子，k=V1/3p；Vp为粒子相体积分数；R1为基体相的抗拉强度。由此可以看出，水泥石的抗拉强度越低，所能承受的骨料膨胀值越低，这表明混凝土越轻易开裂。水工混凝土强度远低于普通混凝土，意味着水工混凝土反抗碱骨料反应膨胀的能力较弱，对此不可掉以轻心。混凝土棱柱体方法是以普通混凝土为依据的，它的28d龄期强度超过30MPa。按照标准规定，以一年的膨胀值作为依据，其限度为0.04%。也就是说，当膨胀值不超过0.04%时，混凝土是平安的，不会开裂。这一判据对水工混凝土是否适合，值得探究。4胶凝材料用量和碱骨料反应破坏的关系表1我国一些常态混凝土坝的胶材用量坝名坝型胶材总量/(kg/m3)坝名坝型胶材总量/(kg/m3)坝名坝型胶材总量/(kg/m3)佛子岭梅山上犹江黄坛口古田一级三门峡新安江柘溪西津青铜峡刘家峡连拱坝连拱坝空心重力坝重力坝宽缝重力坝重力坝宽缝重力坝大头坝宽缝重力坝闸墩坝重力坝120123164～190150159～177137.5～142129～141.8170133～141161130.7陈村丹江口乌江渡凤滩池潭大黑汀潘家口大化紧水滩漫湾龙羊峡重力拱坝宽缝重力坝重力拱坝空腹重力坝宽缝重力坝重力坝宽缝重力坝重力坝三心拱坝重力坝重力坝142.7～149144142.9156.5153.8180157～169154～228.5185163160安康东西关渔洞大河口白石窑二滩故县过渡湾东凤东江均匀折线重力坝闸坝重力坝空腹重力坝拱坝重力坝重力坝拱坝拱坝155148196171166174220168164182161前面已经提到，水工混凝土的胶凝材料用量是极低的。表1给出我国一些常态混凝土坝的胶凝材料用量。从表中可以看出，我国大坝混凝土的胶凝材料用量最低可达120kg/m3，最高也仅为220kg/m3，均匀为161kg/m3，仅相当于普通混凝土的40%～50%。当然，降低胶凝材料用量可以减少混凝土的放热量，降低水化热温升，这对温控防裂有着积极的功能，但也应该注重到它在碱骨料反应发生时所表现出的非凡行为。从碱骨料反应角度来讲，混凝土中的胶凝材料有着两方面的功能摘要：一是为碱骨料反应提供碱摘要：二是硬化水泥石作为连续相对碱骨料反应膨胀起到约束功能。胶凝材料所提供的碱是混凝土碱含量的主要来源。非凡是由于窑外分解技术的采用，水泥的碱含量普遍进步，在混凝土总碱含量中胶凝材料所提供的碱更占据重要的地位。由于水工混凝土的胶凝材料用量较少，按照一般的概念，控制混凝土的碱含量小于3.0kg/m3，对于水工混凝土是不困难的，甚至控制混凝土的碱含量不超过2.0kg/m3也是轻易做到的。例如，水泥的碱含量以1.0%考虑，胶凝材料用量取160kg/m3，不考虑掺用任何混合材，胶凝材料全部为水泥。另外，再考虑掺进0.7%的超塑化剂，超塑化剂的碱含量按10%计算。即便在这样的条件下，混凝土的碱含量也仅为1.712kg/m3。仅从控制混凝土的碱含量来考虑，水工混凝土要比普通混凝土轻易得多。由于这一原因，使得一些人以为，对于水工混凝土，防止碱骨料反应是件很轻易的事，只需稍加控制一下水泥的碱含量，就可以使混凝土的碱含量降低到一个相当低的水平，碱骨料反应就可以避免了。实在不然，在欧洲、北美等地，水工混凝土建筑物由于碱骨料反应而破坏的实例却是较多的。其原因在于在相同的混凝土碱含量条件下，当碱骨料反应发生时，不同胶凝材料用量的混凝土所表现出的行为也是不同的，这一点却一直被人们所疏忽。对于碱骨料反应而言，胶凝材料不仅仅是提供碱，它还可以约束碱骨料反应膨胀。胶凝材料越少，这种约束功能越弱，因而混凝土的膨胀也将越大。表2给出胶凝材料用量对混凝土膨胀的影响。试验结果证实了这一观点。水工混凝土的胶凝材料用量远低于普通混凝土，可以肯定，在同等条件下，水工混凝土的膨胀大于普通混凝土。另一方面，由于水工混凝土胶凝材料用量较少，当碱骨料反应发生时，硬化水泥石将承受较大的拉应力。从这一意义上讲，一旦碱骨料反应发生，水工混凝土比普通混凝土更轻易破坏。表2水泥用量对混凝土膨胀率的影响骨料类型水泥用量/(kg/m3)300 400 500 600沸石化珍珠岩碳酸岩骨料0.1190.148 0.1040.135 0.0900.121 0.0760.108注摘要：混凝土碱含量为6kg/m3。目前，混凝土碱含量的限量标准是在普通混凝土试验基础上提出来的，在混凝土棱柱体试验方法中水泥用量为420kg/m3，相当于水工混凝土胶凝材料用量的2～3倍。在这样的条件下得出的结论直接用于水工混凝土是否可靠，值得深思。