堿-硅反應化學及骨料測試

作者：S. Chatterji

(Carl Bernhardsvej 13B, St. 4, DK 1817 Frederiksberg C, Denmark)

譯者：羅宇 劉數(shù)華

（武漢大學水利水電學院,武漢 430072）

堿-硅反應化學及骨料測試

作者：S. Chatterji

(Carl Bernhardsvej 13B, St. 4, DK 1817 Frederiksberg C, Denmark)

譯者：羅宇 劉數(shù)華

（武漢大學水利水電學院,武漢 430072）

工程師要求在使用混凝土骨料之前通過一些快速的方法對骨料的堿-硅反應進行測試。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，存在兩種截然不同的測試方法：第一種在較短的時間內(nèi)查明骨料的堿-硅反應；第二種對骨料-水泥反應產(chǎn)生的長期膨脹進行評估，并設(shè)定可接受范圍。標準、規(guī)范常忽視它們的不同之處而只有一種方法被詳細說明。眾所周知，當混凝土置于強堿溶液中，添加適量的火山灰可抑制因堿-硅反應引起的混凝土膨脹。

許多評估骨料堿-硅反應的可用方法都被實踐證明。在本文中，我建議從堿-硅反應及膨脹的機理來檢驗這些測試方法，測試重點應當放在骨料堿-硅反應自身上而非可接受范圍上。堿-硅反應及產(chǎn)生膨脹壓力的化學機理表明，將試樣放在適量離子濃度溶液中[最好是Ca(OH)2溶液]最有利于測試，可通過適量添加中性離子（如堿鹽）制得高濃度溶液。

從堿-硅反應機理中獲得一種簡單易行的骨料測試評價方法，該方法已通過丹尼斯骨料測試并且制定了標準。初步實驗表明，日本中性長石、英國雜砂巖、瑞士流紋巖、挪威斑巖和比利時硅化石灰石的反應在24h內(nèi)可檢測完成，這是檢測骨料堿-硅反應最快方法之一。

堿-硅反應；機理；骨料；測試

1 引言

越來越多的國家開始研究由堿-硅反應引起的持續(xù)膨脹對混凝土結(jié)構(gòu)的危害。建筑工程師和實踐工作者迫切要求在骨料使用前有更好的方法評價堿-硅反應。很多實際結(jié)構(gòu)中，從結(jié)構(gòu)成型到出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)破損跡象有著相當長的一段時間。而且，對于某些活性骨料，結(jié)構(gòu)的膨脹取決于許多因素，如結(jié)構(gòu)中相關(guān)離子的擴散、離子的不飽和狀態(tài)、材料、離子濃度、環(huán)境濕度、溫度和火山灰用量等。在已知的活性骨料制成的混凝土試件中，摻加足量的火山灰材料，即使置于堿溶液中，膨脹也能得到抑制。在實驗中需牢記混凝土試件不能置于高溫下的濃堿溶液中。

工程師在實驗中尋找骨料測試的快速方法，但加速試驗無法模擬實際結(jié)構(gòu)環(huán)境的歷時變化。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在測試方法上存在兩種截然不同的需求：（a)在較短的時間內(nèi)查明骨料的堿-硅反應；（b）對骨料-水泥反應產(chǎn)生的長期膨脹進行評估，并設(shè)定可接受范圍。在固定的時間中可以選擇不同的膨脹百分率，在測試中能任意選擇標準，但標準忽視越慢的膨脹最終獲得的膨脹越大，并對結(jié)構(gòu)造成更大的破壞。為了探索堿-硅反應特性，必須具備骨料基礎(chǔ)的最新知識。然而，極少國家標準考慮了多變的環(huán)境（進一步的討論在表1）。

與大多數(shù)化學反應一樣，溫度越高則堿-硅反應速度越快，因此溫度越高越易檢測到堿-硅反應。但是，低溫下由堿-硅反應引起的長期膨脹更大[1,2]。在實驗中，通常以測試高濃度環(huán)境中標準骨料的膨脹來間接評估堿-硅反應，所以有必要選擇適當?shù)沫h(huán)境。ASTM C227認可的環(huán)境是38℃和100%相對濕度，一些國家采用了相似的環(huán)境。這種環(huán)境隱含了一個假設(shè)：化學反應與膨脹直接相關(guān)，但許多學者不同意這種假設(shè)[1,3]。高溫下的測試存在一些危害：一些活性高的骨料產(chǎn)生的膨脹更小?；炷潦褂玫淖畛Ｒ姕囟炔⒎?8℃，而且結(jié)構(gòu)中堿濃度隨時間而改變，混凝土表面溫度很容易達到50℃或更高。

表1 JIS和NaCl方式的比較

在一些測試中，常用提高溫度加速反應來直接測試評估骨料的潛在堿-硅反應。如果堿溶液的濃度較低，則得到錯誤結(jié)果可能性很小。但是這些方法只能評估骨料活性而不能找到可相應的標準。

上述的反應速度和實際膨脹并非等同，必須區(qū)別出骨料-水泥混合物試驗與骨料自身測試。然而，經(jīng)驗告訴我們：硅酸鹽水泥漿基體中的骨料與堿金屬類氫氧化物反應并產(chǎn)生膨脹，直到現(xiàn)在這些測試方法依舊以經(jīng)驗為基礎(chǔ)。以下將聯(lián)系最新堿-硅反應機理與骨料測試經(jīng)驗討論接受準則的問題。

2 堿-硅反應的反應物和生成物組成

為了理解骨料與堿溶液的反應，必須了解骨料成分、反應環(huán)境（如離子種類及濃度、溫度）和生成物組成。

2.1 骨料

據(jù)報道，骨料中包括活性堿成分，如純SiO2、鱗石英、蛋白石、打火石或玻璃及部分結(jié)晶火山石等。一些反應材料（如中長石）可能含有在反應中不斷減少的堿性氧化物。所有的反應材料有著相同的特點：以SiO2為主要成分并且有著形狀各異的結(jié)構(gòu)，如鱗石英、工業(yè)玻璃、部分結(jié)晶火山石。硅土材料的內(nèi)外表面都被Si-OH原子團覆蓋。

2.2 反應環(huán)境

骨料顆粒處于水泥漿的堿溶液環(huán)境中，溶液的成分影響著堿-硅反應速度和反應程度，溶液成分隨時間改變的趨勢是有利于反應。反應進行約8小時后，溶液中含有Ca2+、K+、Na+、OH-和 SO42-離子。此后，Ca2+和SO42-離子濃度快速減小，OH-和K+、Na+離子濃度劇增[4]。從中可看出，本質(zhì)上，原溶液被轉(zhuǎn)化為含少量Ca和Si的高堿性氫氧化物溶液。因為反應中沒從外界吸收水分，所以最終堿性氫氧化物溶液的濃度反映著水泥中堿含量和混凝土的水泥用量。在高堿水泥砂漿中，堿性氫氧化物的最終濃度約為0.7N。

2.3 生成物成分

早期研究表明，反應生成物是含有某些CaCO3的堿性硅酸鹽水化產(chǎn)物的凝膠，而這些凝膠能從被破壞的結(jié)構(gòu)表面獲得，這些表面的生成物已經(jīng)被二氧化碳所改變。微觀電子探針技術(shù)的出現(xiàn)使觀察初始生成物及反應早期生成物成為可能[5-7]。測試表明反應生成物是石灰-硅-堿-水的各樣復合物。干燥生成物后可知，氫氧化物達到約20%，CaO為20%，剩余的主要是SiO2。這意味著其中有著化學轉(zhuǎn)變過程——氫氧化物、CaO、水轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W結(jié)晶。

3 堿-硅反應的基礎(chǔ)部分

此處介紹反應物轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌锏幕瘜W過程。根據(jù)下面的化學式：

堿性環(huán)境下硅酸鹽礦物晶粒表面的≡Si-OH原子團將電離。礦物晶粒表面帶著多種負電荷。盡管所有硅酸鹽礦物進行著相似的過程，但是只有石英和蛋白石被專業(yè)研究過。許多學者研究過不同種類、不同濃度的電解質(zhì)溶液中二氧化硅或蛋白石晶粒表面帶電量[8-11]。Bolt研究過隨著NaCl濃度和PH值變化，固體二氧化硅顆粒帶電量的變化[8]。其他學者得出的結(jié)論與其一致，如圖1所示。隨著PH值增加和NaCl濃度升高，帶電量增加。同樣，高離子濃度和低PH值溶液中二氧化硅表面帶有更高電量，例如在NaCl濃度為4N和pH值為10的溶液中，帶電量高于240mC/m2。當pH超過10時，二氧化硅的溶解度快速增加。添加中性鹽如NaCl、BaCl2或強堿NaOH等可提高外界溶液的離子濃度。

最初認為負電荷只來自于外表面電離的≡Si-O-離子團，但是在高離子濃度的堿溶液中，電離的OH-離子進入晶粒，分裂并電離內(nèi)部的≡Si-O-Si≡[9]。圖2描述了該過程，隨著水化物陽離子逐漸增大，如K+、Na+、Li+、Ca2+、Ba2+離子半徑遞增，OH-離子的滲透量逐減，這使反應率降低。在混合電解質(zhì)溶液中，Ca(OH)2和NaCl兩種正離子滲透到晶粒里，幾乎一半的過量電荷居于晶粒內(nèi)部[12]。在內(nèi)部≡Si-O-Si≡團的分裂過程中，水和OH-離子被注入晶粒中。內(nèi)部≡Si-O-Si≡原子團的分裂隔開了反應的晶粒，這為后來被OH-離子撞擊和從原來晶粒釋放一些二氧化硅做準備。釋放的二氧化硅依舊在溶液中而且不斷擴散，這取決于溶液中鈣離子濃度：鈣離子濃度越高，擴散越慢。

從上可知，活性骨料晶粒持續(xù)從外界的低堿性溶液中吸收OH-、Na+、Ca2+和H2O，該溶液含有高離子強度和供給離子的儲備資源，這些儲備資源不一定是溶液狀態(tài)，例如強堿氫氧化鈣就是氫氧根離子和鈣離子的來源。很明顯，堿-硅反應對堿性氫氧化物的出現(xiàn)不是必要的，但鹵化物的內(nèi)部來源卻是必要的。

4 反應晶粒的帶電雙層構(gòu)造和雙層溶液組成

本節(jié)介紹決定堿-硅反應生成物的因素。高堿硅酸鹽水泥砂漿或混凝土的孔隙溶液中鈣離子含量較少（0.001N Ca2+)，很明顯這些鈣離子并不能解釋堿-硅反應生成物中20%CaO的來源。下面的討論解釋了這種情況。單獨反應晶粒的≡Si-OH原子團離子化后，原子團帶有負電荷。這些負電荷被個別晶粒周圍積累的過多陽離子及每個晶粒周圍的雙層電離子結(jié)構(gòu)所中和。圖3描述了雙層結(jié)構(gòu)的離子分布，雙層結(jié)構(gòu)中陽離子濃度超過陰離子濃度。然而，一些陰離子依舊分布在晶粒表面。如果溶液離子濃度較高，則表面的小部分OH-離子能夠滲入晶粒；另一方面，與晶粒相關(guān)的雙層結(jié)構(gòu)的成分和大部分溶液的成分不同。

活性顆粒所帶的負電荷吸附著雙層結(jié)構(gòu)中的陽離子，這些負電荷首先吸引二價離子，如雙層結(jié)構(gòu)的鈣離子。雙層結(jié)構(gòu)中的硅酸鹽水泥漿吸引陽離子的比率從2至100，這取決于水泥的堿含量和溶液的離子濃度[14]。當鈣、鋇離子濃度較高時，它們將與顆粒表面的負電荷相結(jié)合，甚至能使顆粒表面帶正電[15]。顆粒表面負電量降低或轉(zhuǎn)變將降低堿-硅反應速度，雙層結(jié)構(gòu)的高鈣離子濃度解釋了為什么生成物有那么多的氧化鈣。

圖3 二氧化硅顆粒表面的離子分布示意圖

圖4 壓力形成機理

5 上述反應機理的要點

概括化學反應機理的要點是很有用的：

（1）在堿性環(huán)境中，反應顆粒表面的≡Si-OH原子團將會電離，使反應顆粒帶負電荷。

（2）顆粒帶電量隨著pH值和溶液離子濃度升高而增加，這種增加是由顆粒表面吸附并滲透OH-離子所引起的，顆粒中OH-離子的滲透量由含金屬正離子的多少所決定，而滲透量隨著Na+、Li+、Ca2+、Ba2+離子而遞增。反應中，Na+、Ca2+、OH-和水被吸入顆粒中。

（3）可添加中性鹽如NaCl以提高溶液離子量，同樣加NaOH也能增加離子量。但是在pH為10或更高時，添加NaOH會使二氧化硅的溶解量增加。在硅酸鹽水泥-水體系中，由同離子效應知，NaOH會增加鈣離子濃度。

（4）顆粒中OH-離子的滲透伴隨著≡Si-O-Si≡原子團的破壞和一些二氧化硅的釋放，釋放的二氧化硅在顆粒中擴散，但是這種擴散受到鈣離子的阻礙。

（5）雙層帶電結(jié)構(gòu)填充著反應顆粒，在硅酸鹽水泥環(huán)境下，雙層帶電溶液含有更高的鈣離子濃度，雙層結(jié)構(gòu)中的高離子濃度說明了生成物中高含量氧化鈣的原因。

（6）堿-硅反應中，侵蝕介質(zhì)（如外界的Ca2+、Na+、OH-和水）不斷滲入顆粒產(chǎn)生的壓力劇增。二氧化硅的溶解和擴散抵消了部分壓力。上述的兩過程之和即為凈膨脹壓力。圖4描述了壓力變化過程?？梢酝ㄟ^三種方式避免壓力產(chǎn)生：①通過減少溶液中的離子濃度來降低對外界侵蝕介質(zhì)的吸收；②增加OH-離子濃度來提高二氧化硅的溶解和擴散；③摻加大量活性火山灰或礦渣消除鈣離子的吸收。它們將與氫氧化鈣反應，減少了溶液中的鈣離子含量。如果摻加足量的磨細活性骨料來完全消除Ca(OH)2，也可以完全消除膨脹。在混凝土結(jié)構(gòu)中必須注意不能使用不符合最低等級和活性的火山灰，加入少量的不合適的火山灰可能會吸附擴散的離子造成膨脹效應。

堿-硅反應所需要的條件是具有同時儲存Ca2+、Na+、OH-和水的場所。NaOH并不是必須的，濃縮的NaOH溶液實際能降低硅堿反應的膨脹。

6 透過上述機理，評估骨料測試方法

下面我們將透過上述機理，評估不同的測試方法：

6.1 骨料的直接評定方法

6.1.1 巖相法

這種方法不在本文討論，經(jīng)驗豐富的巖相學專家能準確地識別并判斷活性骨料。

6.1.2 化學方法

所有的化學測試都是在溶液中，因此活性顆粒所處的可溶反應物并不會影響反應結(jié)果，離子擴散并不是那么重要。

6.1.2.1 在這類方法中，首先是ASTM C 289[16]

這是一種十分傳統(tǒng)的方法。該方法中，25g破碎顆粒在80℃的1N NaOH 溶液中放置24h。此后，許多NaOH填充晶粒且二氧化硅的析出量能被控制。通過比較被測試骨料的記錄結(jié)果可以制定合適的標準。其中當然有著不確定性，鈣、鎂和含亞鐵的黑金剛石與這種方式相抵觸。處理晶粒態(tài)的石灰?guī)r相當困難，骨料粉碎使該測試更加復雜。一些沒膨脹的二氧化硅也能與80℃的1 N NaOH反應，試驗再現(xiàn)率約為12%，這些也可能帶來錯誤的結(jié)果。

6.1.2.2 簡單的化學方法[17]

這種方法是基于堿-硅反應的化學機制。該方法中，100g骨料在70℃的含有飽和氯化鉀的Ca(OH)2懸浮液保持16h。在該混合液中，將發(fā)生以下反應：

CaCl2降低溶液中的Ca(OH)2的溶解度，測試溶液和含非活性石英砂的基準溶液的Ca(OH)2濃度之差與水化石灰-堿-硅混合物中鉀的量一致，這種不同用HCl滴定法可確定。

采用此類方法有很多好處。這種方法簡單并且不需要復雜的指導。在采石場就能使用這種方法，而且在一天內(nèi)就能得到結(jié)果。因為OH-離子濃度很低，所以避免了與1N NaOH有關(guān)的許多問題，也就是說鈣、鎂和亞鐵的存在不會影響結(jié)果。這種方法已經(jīng)經(jīng)丹尼斯骨料試驗并制定相關(guān)標準。初步實驗表明，日本中性長石、英國雜砂巖、瑞士流紋巖、挪威斑巖和比利時硅化石灰石的活性能在24h內(nèi)檢測到。由以上骨料和無堿硅酸鹽水泥配制的混凝土暴露在海水環(huán)境中將會膨脹。這種方法的另一個好處是一旦選擇了一種骨料，就能又好又快地控制質(zhì)量，該方法不受二價金屬和碳酸根離子影響。

注意事項：中性長石和含有中性長石的骨料可能含有4%的Na2O。在堿-硅反應中，堿將被釋放并被用于反應。換句話說，反應一旦開始就沒必要從外界吸收大量的堿。因為這個簡單的化學測試方法需要利用周圍溶液中的堿，所以它也只是部分成功。這種方法能探尋這類骨料的堿-硅反應，但是骨料的等級由中性長石的含量和堿含量所決定。

6.2 骨料評定的間接方式

這些方法測試高堿硅酸鹽水泥砂漿棒或混凝土棱柱體的膨脹，ASTM C227是該方法的原型[18]。水泥的最適合堿含量高于1% Na2O當量，一些國家測試方法允許額外添加NaOH溶液來提高堿含量，測試試件需要在模具中放置一天。脫模后，試件將保存在100%相對濕度和38℃的容器中。注意，試件不能接觸到液態(tài)水，定時測試試件長度。

這類測試有天然的不足：

（1）砂漿或混凝土試件在水泥水化時會發(fā)生自收縮。水蒸氣從貯藏器進入試件是個很慢的過程，而且試件內(nèi)部最終并不能飽和。這將降低堿-硅反應的速度：滲入活性顆粒的水減少；限制離子態(tài)的反應物擴散到晶粒中。內(nèi)部不飽和是導致需要很長時間來顯示堿-硅反應壓力的原因之一。

（2）硅酸鹽水泥具有較高的比表面積，造成更大的不飽和度，這意味著膨脹率取決于水泥。

（3）在高堿硅酸鹽水泥砂漿或混凝土中，孔隙溶液的離子濃度約為1N NaOH。從圖1說明這個離子濃度不是最適合于骨料測試。為了更快地進行堿-硅反應，最好能在不增加OH-離子濃度的同時提高溶液的離子濃度。

1N堿性氫氧化物濃度會降低溶液中的鈣離子濃度，甚至是在溫度高于40℃時。當將NaOH加入水泥中，鈣離子濃度的降低會特別明顯。鈣離子濃度的降低加快了二氧化硅的擴散效率，因而減少了膨脹壓力。顯然，擴散到活性晶粒的那部分二氧化硅并不能導致膨脹。

6.2.1 ASTM C227模擬混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部環(huán)境

孔隙溶液的離子濃度和成分不能用于檢測骨料的堿-硅反應活性。再者，混凝土棱柱測試中嚴格規(guī)定了棱柱體的大小、水泥品種及比表面積和水灰比，否則，樣本越大，不飽和部分越大，膨脹率越小[19]。

6.2.2 飽和NaCl浸泡法

在這種方法中，三塊砂漿棱柱體試件首先水養(yǎng)27d。之后，將它們置于50℃的飽和NaCl溶液中，棱柱體的尺寸是40 mm×40 mm×160mm。砂灰比為3，水膠比為0.5[20]，需要定期測試棱柱體的膨脹量。由于棱柱體試件是保存在水中，所以出現(xiàn)不飽和情況的可能性也降低了。如果使用低堿水泥來制作砂漿，OH-離子濃度將會最合適。只有在少量的研究中使用混凝土試件，很明顯出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象需要很長的時間。

在水泥和骨料混合物中摻加NaOH來提高堿含量并不能檢測骨料活性。這種實驗可能會得到錯誤的結(jié)論，特別是當結(jié)構(gòu)置于海水環(huán)境中時。田口智郎的研究結(jié)果很清楚地說明這個結(jié)論[21,22]，他用日本工業(yè)規(guī)范和NaCl浸入法研究了11種日本砂的堿-硅反應膨脹。在日本工業(yè)規(guī)范中，在拌和水中摻加1N NaOH可將水泥的堿含量提高到1.2%。

6.2.3 加速測試方法

這些方法包括ASTM C1260[23]和CSA A23.2-5A， 主要來源于南美NBRI/CSIR方法。在該方法中，25mm×25mm×250mm的標準砂漿試件（水膠比為0.5）置于80℃的1N NaOH溶液中，定期測量試件長度。建議采用的最適標準是14d膨脹率為0.1%。

在高溫和高NaOH濃度的環(huán)境下，孔隙溶液中的鈣離子濃度較低，而二氧化硅的溶解度和擴散量提高，這些都將減少棱柱體的膨脹。溶解度和擴散量過高以至出現(xiàn)不等量的無色凝膠表明正在發(fā)生化學反應而不是膨脹[24]，這些無色凝膠極有可能是凝膠硅。這說明活性二氧化硅已經(jīng)在NaOH溶液中析出并滲出試件，不會參與膨脹反應。同時，可看出活性可滲透的骨料較不能滲透骨料在1N NaOH中可能失去更多的二氧化硅，這可能會帶來錯誤的結(jié)果。但是，依舊不確定二價金屬離子水合物會不會影響膨脹，在有些相似的美國材料學會快速化學測試實驗環(huán)境中[16]，二價金屬離子水合物會影響骨料活性的評估。

沃爾貝克和里奇在滲透實驗中已經(jīng)測出了適量硅酸鈉的遷移[25]，在室溫下使用了0.75 N NaOH。更高的NaOH濃度和高溫將使更多的碳酸鈉滲出，當添加1%的NaOH時堿-硅反應膨脹率最大，摻量更多時膨脹率會銳減[26]。

7 結(jié)論

適量的OH-離子濃度和高離子濃度最適合評定骨料堿-硅反應活性，溶液也應當含有一些Ca(OH)2?；谶@些條件，一個簡單的測試方法能直接測試骨料自身的堿-硅反應活性。雖然方法簡單，但是也能通過常識來控制被選擇的骨料的質(zhì)量。

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原 文：S. Chatterji. Chemistry of alkali–silica reaction and testing of aggregates. Cement & Concrete Composites. 27 (2005)788–795.

劉數(shù)華，武漢大學副教授，主要從事高性能水泥基材料研究。

[單位地址]武漢大學水利水電學院建筑材料教研室(430072)