芻議堿骨料反應(yīng)對混凝土性能的影響

孫 璘，孫汝岳

(1.黑龍江省水利四處工程有限責(zé)任公司，黑龍江牡丹江157000;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

1 引言

大量調(diào)查結(jié)果表明，混凝土因發(fā)生堿集料反應(yīng)而嚴(yán)重破壞的工程實例大多是與鋼筋銹蝕、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等因素共同作用的結(jié)果。在英國的Dinas大壩，通過芯樣巖相分析發(fā)現(xiàn)，在0～100 mm的深度上，明顯有平行于表面的裂紋，并隨著深度而減少，這是典型的凍融破壞的特征，同時裂縫里和集料周圍有凝膠存在。而在370～470 mm的深度上，有大量嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，在裂縫里和集料周圍也發(fā)現(xiàn)有凝膠存在，從現(xiàn)象上無法確定是堿集料反應(yīng)還是凍融對混凝土造成的破壞更占優(yōu)勢。試驗表明東北遼寧省的大黑汀水庫混凝土表面剝落和開裂是凍融循環(huán)作用的結(jié)果，可是通過掃描電鏡分析不僅有堿硅凝膠生成，并伴有開裂，所以其破壞是凍融循環(huán)和堿集料反應(yīng)共同作用的結(jié)果。

混凝土堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿和環(huán)境中可能滲入的堿與混凝土集料(砂石)中的堿活性礦物成分，在混凝土固化后緩慢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠凝物質(zhì)因吸收水分后發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致混凝土從內(nèi)向外延伸開裂和損毀的現(xiàn)象［1］。裂縫寬度達(dá)數(shù)毫米，有的高達(dá)5 cm。在全球范圍內(nèi)由堿集料反應(yīng)造成的損失可謂觸目驚心。它是引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一，被稱為混凝土建筑“癌癥”。據(jù)該領(lǐng)域國際著名學(xué)者— —來自加拿大LAVAL大學(xué)的BERUBE教授介紹，在國外由于堿集料反應(yīng)引起的建筑毀壞實例眾多，僅加拿大魁北克省140座大壩中就有30座因發(fā)生堿集料反應(yīng)而引起損壞。

2 堿骨料反應(yīng)的分類和機理

2.1 堿硅酸反應(yīng)

水泥中的堿與骨料中的活性SiO2成分反應(yīng)產(chǎn)生堿硅酸鹽凝膠或稱堿硅凝膠，堿硅凝膠固相體積大于反應(yīng)前的體積，富有強烈的吸水性，吸水后膨脹引起混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力，而且堿硅凝膠吸水后進(jìn)一步促進(jìn)堿集料反應(yīng)的發(fā)展，使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土開裂。發(fā)展嚴(yán)重的會使混凝土結(jié)構(gòu)崩潰。能與堿發(fā)生反應(yīng)的活性氧化硅礦物有蛋白石、玉髓、鱗石英、方英石、火山玻璃及結(jié)構(gòu)有缺欠的石英以及微晶、隱晶石英等，而這些活性礦物廣泛存在于多種巖石中，如安山巖、流紋巖等。迄今為止，世界各國發(fā)生的堿集料反應(yīng)絕大多數(shù)為堿硅酸反應(yīng)。

堿集料反應(yīng)是混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液(KOH、NaOH)之間發(fā)生的反應(yīng)。促使這類反應(yīng)發(fā)生必須具備3個條件，即在混凝土中同時存在活性礦物集料及KOH、NaOH和水。其反應(yīng)類型有堿——硅反應(yīng)、堿——硅酸鹽反應(yīng)和堿——碳酸鹽反應(yīng)。

在水泥水化后，還有少量的游離Ca(OH)2。該游離Ca (OH)2與集料中含有的鉀長石或鈉長石反應(yīng)會置換出KOH或NaOH，在水泥水化反應(yīng)初期，在集料顆粒四周形成C－S－H凝膠及Ca(OH)2附著層。然后Ca(OH)2與長石反應(yīng)置換出KOH或NaOH，是發(fā)生堿集料反應(yīng)的一個必要條件。

KOH與NaOH同活性礦物集料的反應(yīng)則因礦物成分不同而異。

在堿——硅反應(yīng)中，KOH或NaOH與SiO2間發(fā)生如下反應(yīng):

當(dāng)KOH或NaOH的濃度較低時，反應(yīng)到此為止?；炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞，但當(dāng)KOH或NaOH的濃度較高時，則隨著時間的推延還會發(fā)生下一個反應(yīng):

即當(dāng)KOH與NaOH濃度較高時，它不僅能中和SiO2顆粒表面及微孔中的H+，還會破壞Si－O－Si之間的結(jié)合鍵，使SiO2顆粒結(jié)構(gòu)松散，并使這一反應(yīng)不斷向顆粒內(nèi)部深入形成堿硅膠。這種堿硅膠體積會吸收微孔中的水分，發(fā)生體積膨脹。在周圍水泥漿已經(jīng)硬化的條件下，這種體積膨脹會受到約束，產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力超過水泥漿或砂漿的抗拉強度時，即會引起其開裂，使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。這一反應(yīng)引起的體積膨脹量與混凝土孔隙中的含水量有關(guān)(水分充足時可增大3倍)，因此，為減少這種膨脹應(yīng)力，必須防止水分由外部滲入混凝土孔隙中，即對混凝土結(jié)構(gòu)予以防水處理。

2.2 堿碳酸鹽反應(yīng)

堿碳酸鹽反應(yīng)的機理與堿硅酸反應(yīng)完全不同，在泥質(zhì)石灰白云石中含黏土和方解石較多，堿與這種碳酸鈣鎂反應(yīng)時，將其中的白云石［MgCO。］轉(zhuǎn)化為鎂石［－Mg(oH):］，水鎂石晶體排列的壓力和黏土吸水膨脹，引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。

2.3 堿硅酸鹽反應(yīng)

水泥(或混凝土)中堿與某些層狀硅酸鹽集料反應(yīng)并導(dǎo)致砂漿或混凝土產(chǎn)生異常膨脹，這一類反應(yīng)亦可歸為堿硅酸反應(yīng)。

堿硅酸鹽反應(yīng)的機理與堿硅反應(yīng)的機理類似，只是反應(yīng)速度比較緩慢而已。堿——碳酸鹽反應(yīng)，目前是認(rèn)為可以將堿——碳酸鹽反應(yīng)引起的混凝土破壞歸結(jié)為白云質(zhì)石灰?guī)r集料白云石化脫出引起的體積膨脹。其反應(yīng)式為:

這一反應(yīng)不是發(fā)生在集料顆粒與水泥漿的界面，而是發(fā)生于集料顆粒的內(nèi)部。計算表明，白云石變成水晶體體積膨脹239%，某些白云石晶體的膨脹率可達(dá)2.5%［2］。

2.4 其他堿集料反應(yīng)

①高硅質(zhì)砂礫石集料在砂漿或混凝土中引起地形開裂;②含黏土多的水成巖(雜砂巖、泥質(zhì)板巖、千枚巖、泥質(zhì)巖石等)由于堿硅酸反應(yīng)(黏土是層狀晶格硅酸鹽)引起黏土礦物“剝落”。

3 影響堿集料反應(yīng)的主要因素

由堿集料反應(yīng)的機理可知，影響這一反應(yīng)的主要因素為水泥的含堿量、集料本身有無反應(yīng)性及孔隙水量，這三要素缺一不可。因此，影響堿集料反應(yīng)的因素也均與這三要素緊密相關(guān)。

3.1 水泥的含堿量

堿集料反應(yīng)引起的膨脹值與水泥中的Na2O的當(dāng)量含量緊密相關(guān)(Na2O+01658K2O)水泥中含堿量越高膨脹量越大。針對目前的研究與對控制混凝土安全堿含量認(rèn)識的現(xiàn)狀，1993年我國就提出了《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》CECS53: 93。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:“在集料具有堿— —硅反應(yīng)活性時，依據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件對不同的工程結(jié)構(gòu)分別采取表1中的堿含量限值或措施”。

表1 混凝土堿含量的限值 kg·(m3)－1

在通常情況下，混凝土的堿含量需控制在3.0 kg/m3(以當(dāng)量Na2O計)以下。因此，一些工程技術(shù)人員把3.0 kg/m3的堿含量看成是堿集料反應(yīng)的安全線，認(rèn)為只要混凝土的堿含量＜3.0 kg/m3就絕對安全了。事實上，一些工程對控制混凝土的堿含量＜3.0 kg/m3是很容易做到的，但這些工程并不一定不發(fā)生堿集料反應(yīng)。例如，大壩混凝土的膠凝材料用量大約為160 kg/m3［3］，一般≤200 kg/m3，按膠凝材料堿含量為1%計算，同時考慮摻0.8%的超塑化劑，并按堿含量為1%計算，則混凝土的堿含量也僅為2.32 kg/m3。盡管如此，仍然發(fā)現(xiàn)了大壩因堿集料反應(yīng)破壞的實例?；炷翂A含量的限制將可能引起對原材料的限制或?qū)炷僚浜媳鹊南拗?，使得一些資源的利用受到限制。例如大流動度高強混凝土，這種混凝土的膠凝材料用量一般都在450 kg/m3以上，甚至＞500 kg/m3，而且都摻有相當(dāng)數(shù)量的超塑化劑。如果膠凝材料堿含量按0.6%，超塑化劑堿含量按10%且摻量按0.7%考慮的話，即便膠凝材料用量為450 kg/m3，混凝土的堿含量也＞3.0 kg/m3，因而不得不采用低堿水泥。當(dāng)然，也可能通過摻入混合材料的方法來抑制堿集料反應(yīng)，但混合材料必須有足夠的摻量，而較高的混合材料摻量有可能導(dǎo)致混凝土性能的降低。為了滿足混凝土性能的要求，一些工程技術(shù)人員則隨意放寬了混凝土的堿含量限值，甚至根本不控制混凝土的堿含量。

由于這些問題的存在，人們自然會提出3.0 kg/m3堿含量是否一定安全?如果不安全，混凝土堿含量應(yīng)控制在什么水平才是安全的?混凝土堿含量必須要控制在3.0 kg/m3以下嗎?可以放寬否?這些問題一直困擾著工程界，幾乎成為每一個重大混凝土工程都要反復(fù)論證而又難以決策的老問題，因而只有通過實驗來確定。

3.2 混凝土的水灰比

水灰比對堿集料反應(yīng)的影響是錯綜復(fù)雜的，水灰比大，混凝土的孔隙率增大，各種離子的擴散及水的移動速度加大，會促進(jìn)堿集料反應(yīng)的發(fā)生。但從另一方面看，混凝土水灰比大其孔隙率大，又能減少孔隙水中堿液濃度，因而減緩堿集料反應(yīng)。從而在通常的水灰比范圍內(nèi)，隨水灰比減小，堿集料反應(yīng)的膨脹量有增大的趨勢，在水灰比為0.14時，膨脹量最大。

3.3 反應(yīng)性集料的特征

混凝土及砂漿的堿集料反應(yīng)膨脹量與反應(yīng)性集料本身的特性有關(guān)，其中包括集料的礦物或分級粒度、集料用量等。一般來說，隨著反應(yīng)性集料含量的增加，混凝土的反應(yīng)膨脹量加大。集料粒度對堿集料反應(yīng)也有影響、粒度過大或過小都能使反應(yīng)膨脹量大為減小，中間粒度(0.15～0.6 mm)的集料引起的反應(yīng)膨脹量最大，因為此時反應(yīng)集料的總表面積最大。另外，反應(yīng)性集料的孔隙率對其反應(yīng)膨脹量也有影響。某些天然輕集料如火山渣及浮石中活性SiO2含量很高。按常理，以這些天然輕集料配制的混凝土理應(yīng)發(fā)生堿集料反應(yīng)，但至今為止未發(fā)現(xiàn)天然輕集料混凝土發(fā)生堿硅酸鹽反應(yīng)的實例。估計是因為輕集料孔隙率大，緩解了膨脹應(yīng)力的緣故，這說明多孔集料能減緩堿集料反應(yīng)。

3.4 混凝土孔隙率

混凝土及砂漿的孔隙也能緩減堿集料反應(yīng)時膠體吸收水產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，因而隨著孔隙率增加，反應(yīng)膨脹量減小，特別是細(xì)孔減緩效果更好。因此，加入引氣劑能減緩集料反應(yīng)的膨脹。根據(jù)試驗結(jié)果測得引入4%的空氣能使膨脹量減少40%。

3.5 環(huán)境溫濕度的影響

混凝土或砂漿的堿集料反應(yīng)離不開水，因此環(huán)境濕度對其有明顯影響。雖然說在低濕度條件下混凝土孔隙中的堿溶液濃度增加或促進(jìn)堿集料反應(yīng)。但如果環(huán)境相對濕度＜85%時，若外界不供給混凝土水分，則不會發(fā)生混凝土中反應(yīng)膠體的吸水膨脹。

環(huán)境溫度對堿集料反應(yīng)也有影響。對每一種反應(yīng)集料都有一個溫度限值。在該溫度以下，隨著溫度增高膨脹增大，而超過該溫度限值，反應(yīng)膨脹量明顯下降。這是因為在高溫下堿集料反應(yīng)加快，砂漿或混凝土未凝之前即已完成了膨脹，而在塑性狀態(tài)的混凝土能吸收膨脹應(yīng)力所致。

［1］ 李亞杰.建筑材料［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［2］ 姜志青.道路建筑材料［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］ 黃士元，蔣家奮，楊南如，等.近代混凝土技術(shù)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.