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欢迎来到钢筋混凝土

耐久性导论课程

这一节主要讲碱-骨料反应

发生的三要素和典型反应机理

路老师

发生这种碱-骨料反应

有哪些必要的条件呢

从前面的讲解就可以知道

要想发生碱-骨料反应

就必须具备以下三个条件

一是要有碱活性的骨料

二是要有足够的有效碱

三是要有水

三者缺一不可

需要提醒的是

这只是必要条件

不是充分条件

后面会讲到

路老师

您在前面的讲解中

提到了碱活性骨料

那么这个碱活性骨料是什么呢

显然是可以与混凝土中的有效碱

发生化学反应的骨料

对于硅质骨料

多是含有无定形二氧化硅

微晶石英

我们呢也叫玉髓

还有变形石英等一些骨料

比如燧石岩 蛋白石岩

硅化岩石

大多硅质岩 包括这个砂岩

硬砂岩 石英岩

硅质板岩等

还有呢就是一些火山熔岩

比如流纹岩 安山岩 凝灰岩等

一些岩石骨料

对于硅酸盐类的骨料呢

主要是其中含有

无定形的二氧化硅

页状硅酸盐

变形石英

鳞石英等一些骨料

比如像一些砂岩

千枚岩、泥板岩

等一些页状的硅酸盐类岩石骨料

对于碳酸盐类的骨料呢

主要是其中含有一些

无定形的二氧化硅

黄铁矿

蒙脱石类的矿物的岩石

比如粘土质白云石石灰岩

硅化石灰岩等

实际上呢含有无定形二氧化硅的

碳酸盐类骨料呢

与混凝土中的碱

发生的碱-骨料反应呢

实质上仍然应归于碱-硅反应

这也是人们常常产生

分歧的原因之一

路老师

那您刚才提到的有效碱

究竟是指什么呢

前面讲了混凝土中的碱

主要是指钾、钠的可溶物

在建材中呢混凝土中的碱含量

是指单方混凝土中所含的

氧化钠和氧化钾重量之和

计量的时候呢

常常折算成氧化钠的重量

按以下公式进行计算

为预防碱-骨料反应的发生

人们常规定

单方混凝土中的碱含量

不得超过三公斤甚至更低

比如1.8公斤

而实际上呢我所说的有效碱

主要是指能够溶于水中的

且能与骨料中活性物质

发生反应的碱

并非指总的碱含量

鉴于它较难以计量呢

这里就暂不展开来讲了

但我希望大家呢能够知道

这样一种概念

以便能够更好的理解碱-骨料反应

路老师

能否给我们简单的介绍一下

碱-硅或者碱-硅酸盐反应的机理呢

可以

实际的碱-硅或碱-硅酸盐反应过程

和产物均是十分复杂的

在热力学上

我们均可以将其简化成是

氢氧化钠与二氧化硅的反应

如果二氧化硅是无定形的

也是玻璃态的时候呢

那么它与氢氧化钠

在标准条件下的

反应自由能是负值

也就是说这个反应在常温下

是可以发生的

只不过它的反应速率较小而已

就像是烧碱能腐蚀

硅酸盐类玻璃一样

不同的温度下呢

它的反应速率是不同的

这是化学常识不难以理解

如果二氧化硅是α石英

经人计算呢

它与烧碱的标准反应自由能

也是负值

也就是说从热力学上讲

碱-硅之间是存在发生

化学反应可能的

路老师

那么实际上这种碱-硅反应

它的大概的过程是怎样的呢

尽管实际的碱-硅反应过程

是非常复杂的

但通常呢可以认为

要经过以下的五个步骤

第一水泥中的碱发生溶解 释放

使混凝土孔溶液的pH值

达到13以上

第二骨料中的含活性

二氧化硅的矿物

与混凝土孔溶液中的碱发生反应

生成的碱-硅溶液

第三溶解了的二氧化硅单体

在氢氧根催化下重新聚合成

一定大小的二氧化硅溶胶粒子

第四在孔溶液中的钙呢

及其它各种金属阳离子作用下

溶胶粒子缩聚

形成不同聚合度的凝胶

第五凝胶吸水发生膨胀

或诱发渗透压力

造成混凝土发生膨胀破坏

虽然文献报道的碱-硅

或碱-硅酸反应案例各有不同

但是对于刚才讲的无定形的

和α-石英与烧碱的反应

是需要大家理解并牢记的

这对于分析碱-骨料反应

十分有帮助

路老师

那么碱-碳酸盐的反应机理

又是怎么样的呢

对于碱-碳酸盐类反应呢

存在较多争议

有时是因为碳酸盐骨料中

会夹杂一些活性的石英成分

实际发生是碱-硅反应

现在大家一提到碱-碳酸盐反应

通常是指骨料中所含的粘土质

白云石类矿物

在强碱作用下发生的分解反应

我们呢又叫它反白云石化反应

反应方程式如下

碳酸钙镁就是白云石

在强碱作用下呢

分解成氢氧化镁、碳酸钙

和碳酸根离子

碳酸根离子呢与混凝土

孔溶液中的氢氧化钙发生反应

重新生成碱

这样就使反白云石化反应

重复进行

从而造成混凝土的局部膨胀破坏

由于反白云石化反应呢

是一种多孔材料中的液-固界面反应

所以它的反应过程呢是十分复杂的

这里我们只需要简单了解一下

就可以了

显然从热力学上讲呢

反白云石化反应也是可能发生的

反应发生后呢可生成方解石

水镁石和其它碳酸盐

路老师

那么这样看来从热力学角度来讲

这种碱-骨料反应是在混凝土当中

是可能发生的

那么这种碱-骨料反应是否

一定会发生在所有的

混凝土结构当中呢

这样一来岂不是挺可怕的

确实从热力学角度看

混凝土中是有可能

发生碱-骨料反应的

但是呢这并不是说

每一个混凝土结构中

都可能发生碱-骨料反应

为什么呢

因为混凝土结构中

能不能发生碱-骨料反应

不光光是受上面所说的

热力学控制

而更大程度上呢

是受反应动力学的限制

比如有的由于传质的受阻

或者是反应速率很慢

长时间内呢也不会发生显著地破坏

有的则需要

在远高于室温的条件下

才会发生反应

而实际服役环境下呢

从来都不具备这样的条件

再有就是计算出的

混凝土中的碱含量很高

而实际可溶出的碱呢并不是很多

亦或者是呢水分不够

在这些情况下呢

都不会发生碱-骨料反应

也就是说从理论计算上看

某个结构看上去可能会发生

碱-骨料反应

但实际呢反应并没有发生

这也是碱-骨料反应现象

并非常见的原因之一

路老师

那么在我国发生碱-骨料反应的

这样的工程实例多吗

到目前为止确定的案例很少

我们国家从上世纪五十年代开始

就一直十分重视碱-骨料反应的

预防工作

这就是我国不常见碱-骨料反应

现象的重要原因

这一项功绩呢应该归功于

已故的吴中伟院士

等老一辈混凝土工作者

好 这节课就先讲到这里

主要介绍了发生碱-骨料反应的

三个必要条件

及典型的反应机理