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4.2 碱-骨料反应裂缝的成因

1.碱-骨料反应裂缝的形成机理

碱-骨料反应裂缝的机理在第2章2.3节已经介绍,简单地说就是混凝土中的碱性溶液(包括外界渗入的碱)与骨料中的碱活性物质发生化学反应后形成胶凝体,胶凝体吸水后体积膨胀,将混凝土胀裂。

即使混凝土发生了碱-骨料反应,生成了胶凝体,没有水就不会膨胀,就不能导致裂缝出现。水是诱发裂缝的直接原因。

2.哪些骨料有可能发生碱-骨料反应

在我国,碱骨料反应普遍是碱-硅酸反应,一些用于混凝土骨料的岩石中有可能存在含活性SiO 2 的矿物,与混凝土中的碱溶液发生化学反应形成胶凝体。如蛋白石、火山玻璃体、玉燧、玛瑙和微晶石英等,当含量达到一定程度时就有可能在混凝土中引发碱-硅酸反应的破坏。

国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T 50733—2011(以下简称《碱规》)认为:“碱-碳酸盐反应破坏的情况很少,也不易确认。通常只有碳酸盐骨料中可能存在活性白云石晶体,如细小菱形白云石晶体等,对于纯粹的碱-碳酸盐反应活性的骨料,目前尚无公认的好的预防措施。”

但《混凝土结构耐久性》(金伟良、赵羽习著)一书认为“碱-碳酸盐反应问题在加拿大和我国更为严重,碱-硅酸盐反应并不普遍。”与规范说法恰恰相反。

3.碱-骨料反应裂缝出现时间

碱-骨料反应裂缝不会在混凝土早期出现,一般在混凝土浇筑3年后出现。

笔者在纽约公园大道432号公寓看到的底层梁柱的碱-骨料反应裂缝是该建筑交付使用第2年,考虑到四百多米超高层建筑的施工期,也是3年左右。

4.碱-骨料反应裂缝形成过程与形状

(1)裂缝形成发展过程 笔者在上海喜马拉雅中心拍到一张墙根部的裂缝照片,最下部裂缝充分发育(因为有水的毛细作用),上部裂缝开展不久,由上及下,恰好可以看清楚裂缝发展的过程(图4-6),彩插图C-9也与之相似。

图4-6 碱-骨料反应裂缝形成过程

碱-骨料反应裂缝形成过程大约为4个阶段:

1)从一个点开始形成有三个分岔的裂缝。

2)相邻的三岔裂缝连接,形成树杈状裂缝。

3)“树杈”与“树杈”围合形成网状。

4)网状内新裂缝出现,形成小的细裂缝网,即老缝宽,新缝细。

(2)裂缝形状 碱-骨料反应裂缝网格有多边形和矩形。

1)多边形。钢筋间距大的构件或部位,如剪力墙、较高的梁和扁柱侧面,网格以多边形为主(图4-1、图4-4、图4-7)。图4-7是喜马拉雅中心的墙体裂缝。

图4-7 碱-骨料反应多边形网格裂缝

2)矩形。钢筋密集的构件或部位,裂缝会顺着钢筋方向,形成大致为矩形的网格。第1章介绍的纽约公园大道432号公寓首层梁柱结合部的裂缝就以钢筋为坐标大致为矩形网格(图4-8)。

3)直缝与多边形网格。受钢筋影响的水平或垂直树杈形状,见图4-6中部。图4-9所示为北京某酒店美术馆墙柱裂缝,是受钢筋影响的水平缝与多边形网格缝的结合。

图4-8 裂缝受钢筋影响大致为矩形网格

图4-9 直裂缝与多边形网格的结合

4)斜缝与多边形网格结合。北京某酒店美术馆墙裂缝是45°斜裂缝与多边形网格缝结合,见图4-10。

图4-10 斜裂缝与多边形网格结合

5.碱-骨料反应裂缝深度

碱-骨料反应裂缝是由内而外胀裂,深度通常达25~50mm,可能更深。薄板构件有可能贯通。

25mm深的裂缝已达到或接近钢筋,易导致钢筋锈蚀,造成进一步的破坏。

6.形成碱-骨料反应裂缝的三个因素

形成碱-骨料反应裂缝的三个因素是碱、骨料和水。

(1)碱 混凝土中碱的主要来源是水泥、外加剂及外来的碱离子。

1)水泥。水泥有高碱水泥、中碱水泥和低碱水泥。使用碱性高的水泥,易发生碱-骨料反应。没有混合料的水泥,如普通硅酸盐水泥,碱性较高。

2)外加剂。有些外加剂,如早强剂、抗冻剂是含碱的,也对碱-骨料反应有促进作用。

3)外来的碱离子。海边混凝土受到海雾海风等带来的碱侵蚀,碱附着在混凝土表面并逐渐渗入到混凝土结构中。

(2)骨料 骨料中含有活性硅酸、硅酸盐和碳酸盐,就会发生碱-骨料反应。这些骨料包括:乳白色燧石质、玉髓状燧石质、乳白色砂岩、白云质灰岩等。

(3)水 当相对湿度高于80%,或混凝土浸泡在水中,或有风压将水“压”进混凝土,胶凝体就会吸水膨胀,导致裂缝发生。

混凝土环境湿度低于80%时,即使发生了碱-骨料反应,也不会出现裂缝,因为碱-骨料反应形成的胶凝体吸水后才会膨胀,导致裂缝产生。

混凝土表面涂防水保护涂料可以阻断水源,避免胶凝体吸水。

混凝土的水灰比与碱-骨料反应有重大关系,当水灰比为0.4时,碱-骨料反应最大。水灰比低于或高于0.4,碱-骨料反应都会减弱。 IIkCwFFp62Bz7/AwuKtw9VFbr6vKLJjpP5ZVyfRAMF3gxaEkn+WMLMtjtP/7nwaK

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