混凝土堿骨料反應(yīng)及其在料區(qū)中的應(yīng)用

□孔軍濤（河南省水利勘測有限公司）

1.概述

混凝土堿—骨料反應(yīng)的破壞速度、程度不盡相同，有些可快在1～2年內(nèi)就使建筑物開裂；有些則延遲到20～60年后才發(fā)生，不易引起人們的重視。我國近年來在興建大型及特大型建筑物時(shí)，出于安全、維護(hù)及國外一些同類建筑物因混凝土工程事故造成的經(jīng)濟(jì)損失和影響程度上的長遠(yuǎn)考慮，才日益引起人們的高度重視；例如長江三峽大壩、南水北調(diào)工程等。

在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，人們對基礎(chǔ)材料－石料的需求也越來越多，尋找合適的料源目前已成為一個(gè)很現(xiàn)實(shí)同時(shí)又很緊迫的實(shí)際問題。

2.混凝土堿骨料反應(yīng)的分類、鑒別及其適用判別方法

2.1 混凝土堿骨料反應(yīng)的分類

混凝土堿骨料反應(yīng)在總體上分為三類：堿—硅反應(yīng)、堿—碳酸鹽反應(yīng)、堿—硅酸鹽反應(yīng)，下面分述如下:

堿－硅反應(yīng)包括堿—蛋白石反應(yīng)、堿—燧石反應(yīng)、堿—火山熔巖反應(yīng)、堿—石英巖反應(yīng)和堿—砂巖反應(yīng)。其中蛋白石、燧石屬高活性巖石。砂中蛋白石顆粒含量在1%～15%之間，砂中燧石含量在1～50%范圍，與高堿水泥反應(yīng)，均能引起膨脹反應(yīng)。酸性火山熔巖都是堿活性巖石，基性火山熔巖可能部分是堿活性巖石。當(dāng)石英巖中的變形石英的波狀消光角>15°，它可能是堿活性的。

堿－碳酸鹽反應(yīng)包括堿—硅質(zhì)碳酸鹽反應(yīng)和堿—白云質(zhì)碳酸鹽反應(yīng)。碳酸鹽巖石形成如硅質(zhì)灰?guī)r時(shí)，它可能是堿活性巖石。在堿—白云質(zhì)碳酸鹽反應(yīng)中，粘土—硅質(zhì)基質(zhì)是堿活性的活潑組分。堿—粘土質(zhì)白云石灰?guī)r反應(yīng)的膨脹機(jī)理可能仍然是堿—硅反應(yīng)在粘土質(zhì)白云石灰?guī)r中的一種表現(xiàn)方式。

堿—硅酸鹽反應(yīng)是一個(gè)綜合的堿性膨脹反應(yīng)。

2.2 混凝土堿骨料反應(yīng)的分類鑒別及其適用判別方法

含堿活性巖石危害性的研究方法應(yīng)先采用巖相法；若有堿活性成分時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步采用化學(xué)法、砂漿長度法或巖石柱法鑒定。

化學(xué)法：它是首先判斷骨料是否具有堿活性的一種化學(xué)方法，但不作為最后結(jié)論，還需進(jìn)行砂漿長度法試驗(yàn)。

砂漿長度法：適用于堿—硅酸和堿—硅酸鹽反應(yīng)，不適用于堿—碳酸鹽反應(yīng)。

巖石柱法：適用于碳酸鹽堿活性反應(yīng)。

3.混凝土堿骨料反應(yīng)的機(jī)理

3.1 堿—骨料反應(yīng)是混凝土中孔洞溶液與骨料顆粒之間從界面開始的反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)而從孔洞溶液中吸收水分產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。因此反應(yīng)過程與孔結(jié)構(gòu)（孔隙率及孔分布）、孔洞溶液的組成、運(yùn)動(dòng)及其中離子的擴(kuò)散有密切的關(guān)系。

3.2 自然界存在的結(jié)晶SiO2變體主要有石英、磷石英和方石英，高溫下都將溶化成玻璃態(tài)熔體。影響它們活性的主要因素，來自以下3個(gè)方面：一晶格在應(yīng)力下應(yīng)變的程度。晶格內(nèi)應(yīng)力的增加產(chǎn)生了晶格的位錯(cuò)，內(nèi)能增加。二顆粒的開放性微孔道的數(shù)量即內(nèi)比表面積的大小。內(nèi)比表面積愈大，表面畸變層所占的比例就愈大，與堿反應(yīng)的速率就愈高。三一定數(shù)量雜質(zhì)金屬離子在晶格中的出現(xiàn)，導(dǎo)致晶體表面“無定形”層（或準(zhǔn)確地說是晶格受擾亂的層次）的出現(xiàn)，也增加了石英晶體的活性。另外機(jī)械粉碎的能量也增加了表面“無定形”化的程度。

無定形SiO2具有與堿反應(yīng)的很高的潛能。反應(yīng)的速率隨著結(jié)構(gòu)的差異和比表面積的差異各有不同。例如蛋白石、石英玻璃、火山玻璃、不同的燧石、玉髓等。

3.3 混凝土中堿—SiO2骨料的化學(xué)反應(yīng)過程可以從反應(yīng)機(jī)理角度上分為以下幾個(gè)階段。這些階段往往是互相重疊和在空間上分布的不均衡。

3.3.1 堿從水泥或其它來源中釋放形成一定pH值孔洞溶液的階段。

3.3.2 SiO2礦物表面Si－OH基團(tuán)與堿的中和反應(yīng)。

3.3.3 SiO2礦物Si－O鍵的破壞及SiO2溶出。

3.3.4 溶解狀態(tài)下的SiO2單體分子或離子，在OH－離子催化下，重新聚合成一定大小的SiO2溶膠粒子，形成膠體溶液。

3.3.5 在鈣或其它金屬陽離子作用下，溶膠粒子凝聚（聚沉）成為一定結(jié)構(gòu)的凝膠?？锥慈芤褐械腃a2+離子濃度盡管比較低（0.6～2.2mm），但是顯然已經(jīng)超過上述形成堿—硅溶膠所需要的臨界濃度，因?yàn)樵趐H值比較高的情況下(>9.5)Ca2+離子的臨界濃度降至1mm以下。

4.在現(xiàn)實(shí)水利工程料區(qū)中的應(yīng)用

根據(jù)上述理論，我們在南水北調(diào)中線工程黃河南段料場共選了8個(gè)石料場。該8個(gè)料場有6個(gè)為灰?guī)r料場，1個(gè)為白云巖料場，1個(gè)為石英砂巖料場。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)可知，其中5個(gè)灰?guī)r料場，1個(gè)白云巖料場均為非活性巖石，其中1個(gè)灰?guī)r料場中僅一組具堿硅活性（因其巖塊中含大量的泥質(zhì)條帶，及少量鐵質(zhì)侵然，顏色雜較多淺黃色，現(xiàn)場在野外判別其應(yīng)具堿活性，僅是為了和其它幾組進(jìn)行試驗(yàn)對比），其余幾組均為非活性巖石，石英砂巖料場具堿硅活性。堿活性試驗(yàn)成果匯總見表1:

根據(jù)混凝土堿活性理論及野外現(xiàn)場，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)可知，在河南地區(qū)，一般情況下，寒武系的純凈的白云巖，奧陶系純凈的致密灰?guī)r（泥粉晶灰?guī)r）、寒武系的鮞狀灰?guī)r、灰?guī)r等不具堿活性。二疊系、寒武系、震旦系的石英砂巖均有堿活性。

表1 堿活性試驗(yàn)成果匯總表

郟縣謁主溝的巖石為純的白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖，巖相法試驗(yàn)結(jié)果為不具堿活性，密縣白寨為純的灰?guī)r，巖相法試驗(yàn)結(jié)果為三組不具堿活性，三組巖石柱法試驗(yàn)結(jié)果膨脹率均<0.1%，為不具堿活性。新呂溝為較純的灰?guī)r，巖石柱法試驗(yàn)結(jié)果膨脹率均<0.1%，為不具堿活性。其它不再敘述。現(xiàn)僅對出現(xiàn)膨脹率均<0.1%的加以說明：

4.1 呂溝編號LG-7,其存在堿碳酸、堿硅活性，是因其含有大量的粘土條帶，在野外即判斷為具堿活性，僅取一組，以便驗(yàn)證；后來巖相法試驗(yàn)結(jié)果：“礦物成分：方解石55%～60%，石英、長石20%～25%，白云石10%～15%和粘土質(zhì)3%～4%。巖石由鮞粒10%～15%、膠結(jié)物85%～90%組成。鮞粒：為圓形同心狀鮞，粒徑0.07～0.14mm，成分為方解石；膠結(jié)物：膠結(jié)鮞粒，成分為方解石，為粉細(xì)晶狀，粒徑0.01～0.07mm；此外巖石中含石英、粘土質(zhì)和少量長石，具白云石化作用，石英，顆粒大小不一，其中2%～3%顆粒粒徑0.03～0.06mm，屬微晶石英，粘土質(zhì)，鱗片狀，分布于方解石、白云石顆粒間、白云石化作用，主要分布于膠結(jié)物中，白云石，自形菱形晶，粒徑0.03～0.15mm，”，砂漿棒快速法膨脹率>0.1%，達(dá)到0.166%，驗(yàn)證了“堿—粘土質(zhì)白云石灰?guī)r反應(yīng)的膨脹機(jī)理可能仍然是堿—硅反應(yīng)在粘土質(zhì)白云石灰?guī)r中的一種表現(xiàn)方式?！?/p>

4.2 淺井為震旦紀(jì)紫紅色砂巖，取樣6組，砂漿棒快速法膨脹率均>0.1%，最大達(dá)到0.344%，驗(yàn)證了“前寒武紀(jì)砂巖都是堿活性的”。

5.結(jié)論

5.1 混凝土堿骨料反應(yīng)的8個(gè)類別，可以看出，堿活性本質(zhì)上仍是堿—硅反應(yīng)，只是表現(xiàn)不同而已；例如呂溝編號LG-7,其存在堿碳酸、堿硅活性，砂漿棒快速法膨脹率>0.1%，達(dá)到0.166%，驗(yàn)證了“堿—粘土質(zhì)白云石灰?guī)r反應(yīng)的膨脹機(jī)理可能仍然是堿—硅反應(yīng)在粘土質(zhì)白云石灰?guī)r中的一種表現(xiàn)方式?！?/p>

5.2 防止和抑制堿—骨料反應(yīng)的有效途徑只有兩條，其它各種化學(xué)的、物理的措施，都不一定有效，而且代價(jià)太昂貴。這兩條有效途徑是：

5.2.1 防止堿—骨料反應(yīng)

5.2.1.1 水泥的含堿量應(yīng)<0.60%Na2O當(dāng)量，特別重大工程要提出安全含堿量的論證報(bào)告。由于反應(yīng)時(shí)間有限，安全含堿量只能是<0.6%或低堿水泥0.5%Na2O當(dāng)量。

5.2.1.2 混凝土含堿量：除水泥含堿量在水泥生產(chǎn)廠嚴(yán)格控制外，混凝土的含堿量應(yīng)計(jì)算骨料中的活性堿、抑制材料中的活性堿、水質(zhì)中的堿、外加劑中的堿?；炷恋目倝A量控制為：

A、對于一般活性的巖石骨料和一般混凝土工程，混凝土含堿量≤3.0Kg(Na2O當(dāng)量計(jì))/m3。

B、對于高活性的巖石骨料和重要工程，混凝土含堿量≤2.0Kg(Na2O當(dāng)量計(jì))/m3。

控制水泥和混凝土安全含堿量是防止堿—骨料反應(yīng)最有效途徑。

5.2.2 抑制堿—骨料反應(yīng)

防止堿—骨料反應(yīng)是主位，抑制堿—骨料反應(yīng)是從屬的。在水泥含堿量<1.2%Na2O當(dāng)量條件下，抑制材料摻量(占水泥重)為：

高爐水悴礦渣≥40%。

粉煤灰≥30%。

偏高嶺石≥20%。

偏蒙脫石≥20%。

硅藻土（或硅灰）≥20%。

低熱微膨脹水泥

5.3 根據(jù)混凝土堿骨料反應(yīng)的8個(gè)類別，在為工程建筑尋找混凝土骨料時(shí)，才能快捷、安全、有效地尋找到合適的料源。工程經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證前寒武紀(jì)和寒武紀(jì)硬砂巖、砂巖都是堿活性的。

5.4 最后說明，在選取料場的過程中取樣要具有代表性，不要選那些分布極少又明顯具有堿活性的巖石。例如表1中列舉的呂溝石料場，本來這個(gè)料場沒問題，但是如果都取像編號LG-7那樣的巖石，那么結(jié)果就把一個(gè)沒問題的料場給浪費(fèi)了。因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石材的需求越來越多，要想找到?jīng)]堿活性的料場越來越少了。

[1]中華人民共和國.SL251-2000水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T5151-2001水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2002.

[3]劉錚，韓蘇芬，唐明述.堿－碳酸鹽反應(yīng)機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1987，15（4）：30－35.

[4]劉崇熙，文梓蕓.混凝土堿—骨料反應(yīng)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1995.