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解密混凝土病害之谜
发布:s0208_2016   时间:2016/6/12 10:13:00   阅读:437 
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混凝土中由于发生碱集料反应(AAR)而引起的裂缝

 “混凝土病害”的罪魁祸首
桥梁,大坝,墙壁等一些由混凝土材料建造而成的建筑在几十年后都会逐渐出现一些黑色裂缝,造成这一现象的罪魁祸首就是碱集料反应(AAR)。碱集料反应在全世界各处破坏混凝土材料的结构,以至于人们不得不对这些受损的建筑进行一些复杂的维修甚至是重建。如今,来自瑞士保罗谢勒研究所的研究人员已经在原子水平上解决了有关在碱集料反应过程中产生的一种材料的物理结构问题。

碱集料反应
瑞士保罗谢勒研究所的研究人员与来自电子探针材料科学实验室的同行合作研究了混凝土材料中一种退化、老化的迹象,也即是所谓的碱集料反应。在碱集料反应过程中,会形成一种比原始混凝土占据更多空间的材料,并且随着时间的推移,在几十年后,这种材料会从混凝土材料的内部逐渐开裂,形成裂缝。研究人员现在已经探索出了这种材料的确切物理结构。经他们研究证实,这种材料的原子排列极其整齐,有规律,使其具有一种晶体结构。他们还证实这种晶体的结构是一种所谓的片状硅酸盐结构,这种特定的结构以此前从未被观察到。研究人员将该项发现主要归功于保罗谢勒研究所光源SLS的精确测量。他们表示,该研究结果将会有助于人们在将来开发出更耐久的混凝土材料。

全球性问题
碱集料反应是一种会影响户外混凝土材料结构的化学反应,在全世界范围内都有报道,属于一种全球性问题。这种反应通常是当混凝土暴露于水中或者湿气中时发生的。例如,大量的桥梁,以及在瑞士高达百分之二十的水坝都受到了碱集料反应的影响。当发生碱集料反应时,混凝土中的基本原料才是真正问题所在:水泥——混凝土材料中的主要成分,包含有钠、和钾等碱金属元素。如果雨水或任何水分渗透到混凝土中,比例如雨水,都会与这些碱金属元素发生化学反应,形成一种碱性溶液。混凝土材料中的第二大成分——砂砾,这些砂砾通常由矿物质组成,例如石英或长石等。从化学意义上讲,这些矿物质实际上则是所谓的硅酸盐。前面提到的碱性溶液会和这些硅酸盐发生反应并生成一种碱硅酸钙水合物。这种水合物能够吸收更多的湿气,从而导致其逐渐膨大并从混凝土内部慢慢裂开,形成裂缝。这整个过程就被称为碱集料反应。
 

 
上图中是由于碱集料反应而遭受破坏的混凝土中岩石颗粒的光学显微镜图像;碱集料反应严重损坏了岩石颗粒,裂缝逐渐扩大并被碱集料反应产物所填充;每当湿气深入,反应产物则进一步膨胀,运用压力继续扩大裂缝;

碱集料反应过程发生极度缓慢,因此,最初形成的裂缝是极其微小的,仅凭肉眼难以察觉。但在三十或,四十年后,这些裂缝会显著扩大并最终破坏整个混凝土材料结构的耐久性。

一种新型晶体:
虽然涉及到碱集料反应的化学过程早就为人们所知,但一直都没人能够确定在碱集料反应过程中形成的碱硅酸钙水合物的物理结构。现在,瑞士保罗谢勒研究所的研究人员与来自电子探针材料科学实验室的同行共同合作填补了这一知识空白。他们从一座建于1969年,严重受到碱集料反应影响的瑞士桥梁中研究了这种水合物。电子探针材料科学实验室的研究者从这座桥上采集切下了一定的材料样本,并将其碾碎成小片状,制成直到剩下一个只有0.02毫米厚的极薄样品。该样品随后被送至保罗谢勒研究所光源SLS处并用一束比人体头发还要细五十倍的极窄X射线对其辐射,进行衍射测量和复杂的数据分析。研究人员最终精确的确定了这种材料的晶体结构。

他们发现这种碱硅酸钙水合物具有一种此前并无记录的片状硅酸盐晶体结构。“一般来说,发现了一种未列入目录的晶体结构意味着你可以对其进行命名” 该研究的第一作者Rainer Dähn解释道:“但是,这是一种在自然界中发现的晶体,所以,我们并没有这个荣幸”。混凝土科技集团的负责人 Andreas Leemann首先提出了这项研究的主要想法,保罗谢勒研究所的研究人员随后采利用X射线等方法对其进行研究。“原则上,可以在混凝土材料中添加一些有机材料以减少长期累积的应力”,材料科学家Leemann说道:“而我们现在最新的研究结果能够为这些想法提供一些科学依据,并且可以为新材料的研发奠定基础铺平道路”。
 
译者:Vince
译自:phys
图片来源:电子探针材料科学实验室
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