經(jīng)驗交流：機場水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的形成
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
1、概述
機場道面是供飛機起飛、著陸、停放和組織并保障飛行活動的場所，是機場的重要設(shè)施。目前我國軍用機場和民用機場道面，絕部分是水泥混凝土道面，水泥混凝土道面以其強度高、耐久性好、維護費用低而受青睞。然而，70年代中期新建的機場道面使用3～5年開始陸續(xù)出現(xiàn)了水泥混凝土材料本身的破壞現(xiàn)象，這種破壞不同于荷載作用引起道面結(jié)構(gòu)破壞，而是在道面設(shè)計使用年限內(nèi)，在正常荷載和環(huán)境條件下，道面混凝土過早地失去了其良好的品質(zhì)和優(yōu)良性能，這種破壞稱為道面水泥混凝土的耐久性破壞。水泥混凝土道面發(fā)生耐久性破壞的主要原因有三種：干縮、溫度應(yīng)力和凍融；化學腐蝕(主要是硫酸鹽侵蝕和鹽析)；堿集料反應(yīng)。其中主要的和危害最的是堿集料反應(yīng)。
早在30所代人們對堿集料反應(yīng)就有所認識，自美國T.E.Stoan在1941年發(fā)表了第一篇有關(guān)堿集料反應(yīng)以來，堿集料反應(yīng)引起了世界各國的重視。我國從建國初期到70年代由于水泥的生產(chǎn)工藝和品種單一，水泥的含堿量低，再加上混凝土的水泥用量低，混凝土中堿的含量相應(yīng)降低。正是由于這個原因，在80年代前我國工程界中沒有堿集料反應(yīng)引起破壞的工程實例。80年代開始陸續(xù)發(fā)生了一些堿集料反應(yīng)的工程實例，其中有××個機場的水泥混凝土道面發(fā)生了不同程度的堿集料反應(yīng)，發(fā)生堿集料反應(yīng)的機場部分是70年代中期以后修建的，從地理位置上看均位于長江以北的三北地區(qū)。研究表明，這與三北地區(qū)水泥含堿量、鹽堿土多和三北地區(qū)的氣候特征有關(guān)，特別是這個時期生產(chǎn)的水泥含堿量都在1.2%以上，有的高達1.6%，加上高含堿量外加劑的使用，使單位混凝土中的含堿量增，提供了生產(chǎn)堿集料反應(yīng)的內(nèi)在條件。
進入90年代以來，人們普遍認識到堿集料反應(yīng)的嚴重后果，對提高混凝土耐久性的要求日益迫切。1992年第九屆國際混凝土堿集料反應(yīng)會議在倫敦召開，同年在新德里召開了國際水泥化學會議，把水泥混凝土的耐久性列為重要議題，其中包括對混凝土堿集料反應(yīng)的研究成果，把堿集料反應(yīng)的研究推向了一個新階段。80年代末，在發(fā)現(xiàn)多起堿集料反應(yīng)的情況下我國也開始視此項研究，長江科學院和南京化工學院進行了量的研究工作。1993重年設(shè)部修訂的建混凝土細、粗集料標準(JGJ52-92、JGJ53-92)和1994年交通部發(fā)布的《公路工程集料試驗規(guī)程(JTJ058-94)》，都增加了集料堿活性的檢測方法，使我國在堿集料反應(yīng)的預(yù)防有章可循。在80年代末空軍就開展了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的研究工作，空軍在1992年8月發(fā)布《空軍機場水泥混凝土道面預(yù)防腐蝕的技術(shù)措施(試行)》，對預(yù)防機場水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)起了積極的作用，證明是行之有效
本文從目前國內(nèi)外研究情況出發(fā)，闡述了水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的形成過程及對機場道面的危害，結(jié)合機場道面設(shè)計和施工的工程實踐經(jīng)驗，提出了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的措施。
2、機場道面堿集料反應(yīng)的形成和對機場道面的危害
水泥混凝土中的堿集料反應(yīng)有堿—硅酸反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)兩種形式。堿—硅酸反應(yīng)是混凝土粗集料中含有非晶質(zhì)的活性二氧化硅(SiO2)，水泥中存在的堿性氧化物(Na2O、K2O)或可以由其它途徑得到堿(堿含量于0.6%)，在潮濕的環(huán)境中水泥漿中的堿性氧化物水解后生成的氫氧化納、氫氧化鉀與集料中的活性二氧化硅反應(yīng)，在集料表面生成堿—硅酸凝膠體，這種膠體物質(zhì)遇水膨脹后引起混凝土破壞；堿—碳酸鹽反應(yīng)是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應(yīng)，體積也會膨脹，使混凝土開裂，與堿—硅酸反應(yīng)不同的是，堿—碳酸鹽反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復與白云石反應(yīng)。
堿集料反應(yīng)的機場道面有以下特征：堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為混凝土集料的周圍和縫隙間有硅酸凝膠存在或滲出；堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為有白色的碳酸鈣和碳酸鈉析出。道面的外觀表現(xiàn)為道面表面出現(xiàn)樹枝狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開裂。盡管這些裂縫并不會使道面完全破壞，卻降低了機場道面的其它使用功能、降低道面的服務(wù)水平，加速道面破壞，縮短道面的使用壽命。
機場道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，這類水泥特別是三北地區(qū)生產(chǎn)的水泥含堿量一般較高；機場道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m3以上，且經(jīng)常處在地面的潮濕環(huán)境中，因而發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性較，采取預(yù)防措施尤為必要。
3、水泥混凝土堿集料反應(yīng)的預(yù)防
混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的條件是集料的堿活性、水泥的含堿量或由其它途徑得到堿以及潮濕的外部環(huán)境，預(yù)防堿集料反應(yīng)也應(yīng)圍繞這三個方面采取相應(yīng)的措施。
3.1 選擇集料
集料的堿活性成分和反應(yīng)性小與材料來源密切相關(guān)。在選擇集料時應(yīng)展開廣泛的調(diào)查和試驗，選擇和開采沒有堿活性或堿活性較低的料源。能與堿反應(yīng)的礦物巖石是普遍的，選擇完全沒有堿活性的集料是困難的，堿活性的高低是相對的，而不是絕對的。
3.2 采用低堿水泥
目前常用的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥含堿量較高。為了減少堿集料反應(yīng)，應(yīng)盡量使用含堿量(以氧化鈉計)不于0.6%的低堿水泥。然而目前國內(nèi)外水泥生產(chǎn)為節(jié)省能源、保護環(huán)境，改濕法生產(chǎn)為干法生產(chǎn)，并回收利用含堿的窯爐廢氣和含堿量較高的窯灰，低堿水泥較難獲得，必要時可聯(lián)系廠家組織專門生產(chǎn)。
3.3 加入火山灰類材料
在混凝土混合料中摻入某些水硬性材料如粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物混合材料既可節(jié)省部分水泥又可有效抑制堿集料反應(yīng)，其中粉煤灰是最容易得到的材料。在混凝土中摻加粉煤灰能及時吸收混凝土中的堿，并且能提高混凝土的抗?jié)B性，阻滯水分和堿離子進入混凝土內(nèi)部和向集料附近的遷移，是技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的方法。在摻入粉煤灰時應(yīng)盡量使用低堿(小于1.5%)、低鈣(小于10%)粉煤灰，并控制摻入劑量，一般來說粉煤灰的最佳摻量占膠凝材料總重量的25%～30%，在最佳摻量的條件下，混凝土的強度、和易性以及抑制堿集料反應(yīng)的效果均較好。
機場道面是供飛機起飛、著陸、停放和組織并保障飛行活動的場所，是機場的重要設(shè)施。目前我國軍用機場和民用機場道面，絕部分是水泥混凝土道面，水泥混凝土道面以其強度高、耐久性好、維護費用低而受青睞。然而，70年代中期新建的機場道面使用3～5年開始陸續(xù)出現(xiàn)了水泥混凝土材料本身的破壞現(xiàn)象，這種破壞不同于荷載作用引起道面結(jié)構(gòu)破壞，而是在道面設(shè)計使用年限內(nèi)，在正常荷載和環(huán)境條件下，道面混凝土過早地失去了其良好的品質(zhì)和優(yōu)良性能，這種破壞稱為道面水泥混凝土的耐久性破壞。水泥混凝土道面發(fā)生耐久性破壞的主要原因有三種：干縮、溫度應(yīng)力和凍融；化學腐蝕(主要是硫酸鹽侵蝕和鹽析)；堿集料反應(yīng)。其中主要的和危害最的是堿集料反應(yīng)。
早在30所代人們對堿集料反應(yīng)就有所認識，自美國T.E.Stoan在1941年發(fā)表了第一篇有關(guān)堿集料反應(yīng)以來，堿集料反應(yīng)引起了世界各國的重視。我國從建國初期到70年代由于水泥的生產(chǎn)工藝和品種單一，水泥的含堿量低，再加上混凝土的水泥用量低，混凝土中堿的含量相應(yīng)降低。正是由于這個原因，在80年代前我國工程界中沒有堿集料反應(yīng)引起破壞的工程實例。80年代開始陸續(xù)發(fā)生了一些堿集料反應(yīng)的工程實例，其中有××個機場的水泥混凝土道面發(fā)生了不同程度的堿集料反應(yīng)，發(fā)生堿集料反應(yīng)的機場部分是70年代中期以后修建的，從地理位置上看均位于長江以北的三北地區(qū)。研究表明，這與三北地區(qū)水泥含堿量、鹽堿土多和三北地區(qū)的氣候特征有關(guān)，特別是這個時期生產(chǎn)的水泥含堿量都在1.2%以上，有的高達1.6%，加上高含堿量外加劑的使用，使單位混凝土中的含堿量增，提供了生產(chǎn)堿集料反應(yīng)的內(nèi)在條件。
進入90年代以來，人們普遍認識到堿集料反應(yīng)的嚴重后果，對提高混凝土耐久性的要求日益迫切。1992年第九屆國際混凝土堿集料反應(yīng)會議在倫敦召開，同年在新德里召開了國際水泥化學會議，把水泥混凝土的耐久性列為重要議題，其中包括對混凝土堿集料反應(yīng)的研究成果，把堿集料反應(yīng)的研究推向了一個新階段。80年代末，在發(fā)現(xiàn)多起堿集料反應(yīng)的情況下我國也開始視此項研究，長江科學院和南京化工學院進行了量的研究工作。1993重年設(shè)部修訂的建混凝土細、粗集料標準(JGJ52-92、JGJ53-92)和1994年交通部發(fā)布的《公路工程集料試驗規(guī)程(JTJ058-94)》，都增加了集料堿活性的檢測方法，使我國在堿集料反應(yīng)的預(yù)防有章可循。在80年代末空軍就開展了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的研究工作，空軍在1992年8月發(fā)布《空軍機場水泥混凝土道面預(yù)防腐蝕的技術(shù)措施(試行)》，對預(yù)防機場水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)起了積極的作用，證明是行之有效
本文從目前國內(nèi)外研究情況出發(fā)，闡述了水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的形成過程及對機場道面的危害，結(jié)合機場道面設(shè)計和施工的工程實踐經(jīng)驗，提出了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的措施。
2、機場道面堿集料反應(yīng)的形成和對機場道面的危害
水泥混凝土中的堿集料反應(yīng)有堿—硅酸反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)兩種形式。堿—硅酸反應(yīng)是混凝土粗集料中含有非晶質(zhì)的活性二氧化硅(SiO2)，水泥中存在的堿性氧化物(Na2O、K2O)或可以由其它途徑得到堿(堿含量于0.6%)，在潮濕的環(huán)境中水泥漿中的堿性氧化物水解后生成的氫氧化納、氫氧化鉀與集料中的活性二氧化硅反應(yīng)，在集料表面生成堿—硅酸凝膠體，這種膠體物質(zhì)遇水膨脹后引起混凝土破壞；堿—碳酸鹽反應(yīng)是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應(yīng)，體積也會膨脹，使混凝土開裂，與堿—硅酸反應(yīng)不同的是，堿—碳酸鹽反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復與白云石反應(yīng)。
堿集料反應(yīng)的機場道面有以下特征：堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為混凝土集料的周圍和縫隙間有硅酸凝膠存在或滲出；堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為有白色的碳酸鈣和碳酸鈉析出。道面的外觀表現(xiàn)為道面表面出現(xiàn)樹枝狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開裂。盡管這些裂縫并不會使道面完全破壞，卻降低了機場道面的其它使用功能、降低道面的服務(wù)水平，加速道面破壞，縮短道面的使用壽命。
機場道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，這類水泥特別是三北地區(qū)生產(chǎn)的水泥含堿量一般較高；機場道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m3以上，且經(jīng)常處在地面的潮濕環(huán)境中，因而發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性較，采取預(yù)防措施尤為必要。
3、水泥混凝土堿集料反應(yīng)的預(yù)防
混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的條件是集料的堿活性、水泥的含堿量或由其它途徑得到堿以及潮濕的外部環(huán)境，預(yù)防堿集料反應(yīng)也應(yīng)圍繞這三個方面采取相應(yīng)的措施。
3.1 選擇集料
集料的堿活性成分和反應(yīng)性小與材料來源密切相關(guān)。在選擇集料時應(yīng)展開廣泛的調(diào)查和試驗，選擇和開采沒有堿活性或堿活性較低的料源。能與堿反應(yīng)的礦物巖石是普遍的，選擇完全沒有堿活性的集料是困難的，堿活性的高低是相對的，而不是絕對的。
3.2 采用低堿水泥
目前常用的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥含堿量較高。為了減少堿集料反應(yīng)，應(yīng)盡量使用含堿量(以氧化鈉計)不于0.6%的低堿水泥。然而目前國內(nèi)外水泥生產(chǎn)為節(jié)省能源、保護環(huán)境，改濕法生產(chǎn)為干法生產(chǎn)，并回收利用含堿的窯爐廢氣和含堿量較高的窯灰，低堿水泥較難獲得，必要時可聯(lián)系廠家組織專門生產(chǎn)。
3.3 加入火山灰類材料
在混凝土混合料中摻入某些水硬性材料如粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物混合材料既可節(jié)省部分水泥又可有效抑制堿集料反應(yīng)，其中粉煤灰是最容易得到的材料。在混凝土中摻加粉煤灰能及時吸收混凝土中的堿，并且能提高混凝土的抗?jié)B性，阻滯水分和堿離子進入混凝土內(nèi)部和向集料附近的遷移，是技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的方法。在摻入粉煤灰時應(yīng)盡量使用低堿(小于1.5%)、低鈣(小于10%)粉煤灰，并控制摻入劑量，一般來說粉煤灰的最佳摻量占膠凝材料總重量的25%～30%，在最佳摻量的條件下，混凝土的強度、和易性以及抑制堿集料反應(yīng)的效果均較好。
