碱-集料反应(Alkali-Aggregate Reaction, AAR)是指混凝土中的碱与集料中的碱活性成分发生化学反应,生成膨胀物质使混凝土内部产生自膨胀应力,造成混凝土开裂破坏,从而大大缩短混凝土建筑物的使用寿命,预防和抑制碱-集料反应是国内外混凝土界研究的重要领域之一。目前,对硅质碳酸盐集料碱活性来源的判定还没有可靠的方法,对含有微晶石英的碱活性碳酸盐岩,碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction,ASR)也有可能起作用;对过去被认为只是由碱-硅酸反应造成破坏的工程中,若集料的化学成分中含有 MgO,岩相检验发现有白云石晶体,则也有可能存在碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction, ACR)。由于二者的膨胀机理不同,因此采取的抑制措施也不一样,正确区分这两类反应无论在理论上还是在工程建设中都有重要意义。本论文围绕这一问题展开研究工作,对 ACR 进行了热力学讨论;并对 ACR 的反应过程与膨胀机理进行了探讨;通过对 LiOH-硅酸反应和 LiOH-碳酸盐反应的对比研究,确立了采用 LiOH 来区分 ASR 和 ACR,因为 LiOH 对 ASR 起抑制作用,而对 ACR 起促进作用;建立了一套区分这两类反应的方法。具体研究工作进展如下:通过对 ACR 的热力学研究,认识到 ACR 是一个自发过程,随着反应的进行或反应温度的升高,反应的推动力将逐渐减弱。298K,pH≥10.6 时,ACR就能发生,反应温度升高时,发生 ACR 所需碱的浓度相应地增加;对氢氧化锂-碳酸盐反应,298K,pH≥13.1 时,除生成方解石和水镁石外还能生成碳酸锂沉淀,反应温度升高时,反应生成碳酸锂沉淀所需碱的浓度变化不大,因此,理论上 ACR 发生所需碱的浓度较低。ACR 的快慢与机理属于动力学研究的范畴,通过对菱镁矿、白云石岩粉末与氢氧化锂溶液反应动力学研究,认为在反应初期,碱-碳酸盐反应速率受界面化学反应控制;之后受碱液通过边界层传质控制,该控制过程持续时间较短;反应中后期受液体通过固态产物层扩散控制及产物的成核与生长过程控制。白云石晶体在碱液中的去白云石化整个过程设想成经历了如下的步骤:(Ⅰ) OH-与 M+向白云石晶体表面迁移,最先遭受外来离子的侵蚀而导致解离的是晶格有缺陷的区域;(Ⅱ) 解离出来的 CO3 、Ca2+ 2-离开白云石晶体向外界迁移,同时 OH-、M+继续向白云石晶体表面迁移、侵蚀;(Ⅲ) 迁移出来的 Ca2+与 CO3 相遇生成 CaCO3,Mg2+因自身的迁移速率慢以及 2-Ca2+对其迁移的阻碍作用,使其停留在原处;(Ⅳ) 侵入的 OH-与 Mg2+反应生成Mg(OH)2。新生成的方解石离开白云石晶体,而水镁石则在原地生成,根据白云石晶体在集料中所处的位置,碳酸盐集料混凝土因 ACR 膨胀开裂可以在集料内部发生或在集料与浆体接界处发生。通过上述基础理论研究,为工程上深入 I<WP=9>摘要认识 ACR 膨胀奠定科学基础,为预防和抑制 ACR 提供科学指导。对 LiOH 分别与硅酸和碳酸盐集料反应进行了对比研究,结果表明,由碱活性的沸石化珍珠岩制成的混凝土在 LiOH 环境中与 LiOH 反应后,试体未出现膨胀开裂,LiOH 与硅酸发生 ASR,反应生成的产物有一定的形状且排列致密,LiOH 与硅酸反应过程本身不会引起膨胀,因而 LiOH 对 ASR 膨胀起到抑制作用;由碱活性的碳酸盐制成的混凝土在 LiOH 介质中与 LiOH 反应后,试体出现膨胀开裂,碱活性碳酸盐岩石柱在 LiOH 溶液中反应后也同样表现出膨胀开裂,因此,LiOH 与碳酸盐反应生成的产物在限制空间内的生长是导致试体膨胀的直接原因。进而对碳酸盐集料的粒径、水泥浆体的碱含量、压蒸液的浓度、反应时间与温度等因素对试体膨胀的影响作了系统的研究,LiOH 与碳酸盐反应,集料颗粒的大小对混凝土柱膨胀率是比较敏感的,集料粒径在 5.0~10.0mm 范围,混凝土柱表现出较大的膨胀率,这一粒径范围可用来鉴定碱碳酸盐反应活性;增加混凝土的碱含量或提高压蒸液的浓度,混凝土柱的膨胀率并非一直相应地增大,在 LiOH 溶液中压蒸,砂浆孔隙液中原来不含 LiOH 的混凝土柱的膨胀率小于砂浆孔隙液中原来含有 LiOH 的混凝土柱的同期膨胀率,随着砂浆孔隙液中 LiOH 含量的增加,混凝土柱在 LiOH 溶液中的压蒸膨胀率也随之增加,经过一极大值后,增加砂浆孔隙液中 LiOH 的含量,其膨胀率反而下降,再增加砂浆孔隙液中 LiOH 的含量,其膨胀率变化不大;对于碱含量一定的混凝土柱在不同浓度的 LiOH 溶液中压蒸,LiOH 溶液浓度的变化对混凝土柱膨胀率的影响与混凝土柱的碱含量改变对膨胀率的影响相似;砂浆中含有相同量的 KOH 的混凝土柱,在有 LiOH 和没有 LiOH 的溶液中压蒸时,其膨胀率不一样,在有 LiOH的环境中的膨胀率大于没有 LiOH 的,进一步证实 LiOH 参与了碱-碳酸盐反应过程并且对混凝土柱的膨胀有贡献,在 KOH、LiOH 共存的环境中,混凝土柱的膨胀来源于 KOH-碳酸盐反应和 LiOH-碳酸盐反应两个部分,但其膨胀并非KOH-碳酸盐反应和 LiOH-碳酸盐反应的简单叠加。对碳酸盐、硅质碳酸盐与 LiOH 反应后的产物进行偏光显微分析,在集料周围有反应环生成,通过 SEM 能看到生成的产物晶体呈堆积状,这些晶体可能是碳酸钙、碳酸锂、硅酸锂与硅酸钙的混合,碳酸钙来自白?