淺談混凝土骨料堿活性反應(yīng)、判別與防治

徐建閩 姜姍姍 王祖國

半個多世紀(jì)以來，在世界各地已發(fā)生多起因堿活性骨料反應(yīng)而導(dǎo)致混凝土工程嚴(yán)重破壞的案例，部分工程因石料存在潛在堿活性反應(yīng)而不得不放棄運(yùn)距較近的料場。例如，美國的布克壩建成10 年后，發(fā)生了較嚴(yán)重的堿活性骨料反應(yīng)；加拿大魁北克省的博赫爾格依斯水電站建成10 余年后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)壩體因堿活性骨料反應(yīng)而出現(xiàn)嚴(yán)重的地圖狀開裂，并導(dǎo)致壩體各部位發(fā)生不同程度的位移；向家壩水電站運(yùn)距較近的三疊系雷口坡組T22灰?guī)r料場，經(jīng)試驗(yàn)證明，其中的含泥云質(zhì)泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)泥晶云灰?guī)r、泥晶云灰?guī)r等，存在堿-碳酸鹽活性反應(yīng)，且不能進(jìn)行有效抑制，最終不得不放棄。鑒于此，混凝土骨料的堿活性反應(yīng)問題，已引起國內(nèi)外工程技術(shù)人員的高度重視。

1 堿活性骨料反應(yīng)及其危害

堿活性骨料指可與水泥或混凝土中的堿離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生體積膨脹的骨料。堿活性骨料反應(yīng)主要包括堿-硅酸及堿-硅酸鹽反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)兩類。

（1）堿-硅酸反應(yīng)是指水泥中的堿（K2O、Na2O）與骨料中的活性SiO2反應(yīng)產(chǎn)生堿硅凝膠。堿硅凝膠不僅固體體積大于反應(yīng)前的體積，而且具有強(qiáng)烈的吸水性，其吸水膨脹后，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂；此外，堿硅凝膠吸水后會進(jìn)一步促進(jìn)堿骨料反應(yīng)的發(fā)展，使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力繼續(xù)增大，發(fā)展嚴(yán)重的會使混凝土結(jié)構(gòu)崩潰。

堿-硅酸鹽反應(yīng)則是水泥中的堿（K2O、Na2O）與某些層狀硅酸鹽骨料反應(yīng)，使層狀硅酸鹽層間距離增大，骨料膨脹而造成混凝土膨脹和開裂。

（2）堿-碳酸鹽反應(yīng)的機(jī)理與堿-硅酸反應(yīng)完全不同。在泥質(zhì)、灰質(zhì)白云巖中，含黏土和方解石較多，水泥中的堿（K2O、Na2O）與骨料中的碳酸鈣鎂發(fā)生反應(yīng)，將其中的白云石（MgCO3）轉(zhuǎn)化為水鎂石（Mg（OH）2），水鎂石晶體排列的壓力以及黏土吸水膨脹，均會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。這種破壞在混凝土芯樣的表現(xiàn)為：在混凝土中形成與骨料相連的網(wǎng)狀裂紋，骨料有時會開裂，其裂紋會延伸到周圍的漿體中去，裂紋能延伸到另一顆骨料，有時也會從另一未發(fā)生反應(yīng)的骨料邊緣通過。

2 堿活性骨料判別

國內(nèi)目前現(xiàn)行的各類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，對堿活性骨料的判別和試驗(yàn)，主要參考ASTM 的相關(guān)規(guī)范制定。

2.1 堿活性骨料初判

堿活性骨料初判，主要采用巖相法。詳見表1。

表1 常見含堿活性成分的巖石

2.2 堿活性骨料復(fù)判

對初判具有潛在堿活性的骨料，需送試驗(yàn)室進(jìn)行骨料堿活性的復(fù)判。

混凝土骨料堿活性試驗(yàn)方法及適用范圍與判定標(biāo)準(zhǔn)參見表2。一般而言，應(yīng)采取多種檢測方法相互對照進(jìn)行綜合判定。

3 骨料堿活性破壞防治措施

3.1 堿-硅酸反應(yīng)活性骨料

混凝土工程發(fā)生堿-硅酸反應(yīng)破壞必須具備3個條件，一是配制混凝土?xí)r由水泥、摻合料、骨料、外加劑和水帶進(jìn)一定數(shù)量的堿，或者混凝土處于堿摻入的環(huán)境中；二是存在一定數(shù)量的堿活性骨料；三是水或潮濕環(huán)境，可以提供反應(yīng)物吸水膨脹時所需的水分。

堿（K2O、Na2O）是混凝土堿骨料活性反應(yīng)的內(nèi)在根源之一，不含堿或堿含量過低，混凝土不會發(fā)生堿骨料活性反應(yīng)破壞?；钚怨橇鲜菈A骨料活性反應(yīng)的必須反應(yīng)物，活性骨料對堿骨料活性反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在其種類、含量和粒徑3 個方面，目前已發(fā)現(xiàn)的堿-硅酸活性反應(yīng)主要是由含活性SiO2的骨料引起的。堿骨料活性反應(yīng)發(fā)生膨脹的主要根源在于反應(yīng)物吸水膨脹，如果混凝土或砂漿中不能提供反應(yīng)物吸水的條件，即使堿與活性骨料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物也不會膨脹。

表2 混凝土骨料堿活性試驗(yàn)方法適用范圍與判定標(biāo)準(zhǔn)

基于以上分析，對于堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，通常采用如下方法來抑制其堿活性。

3.1.1 控制水泥含堿量

1941 年，美國提出水泥含堿量低于0.6%氧化鈉當(dāng)量（即Na2O+0.658K2O）為預(yù)防發(fā)生堿骨料反應(yīng)的安全界限。雖然有些地區(qū)的骨料在水泥含量低于0.4%時仍可發(fā)生堿骨料反應(yīng)對工程的損害，但在一般情況下，水泥含堿量低于0.6%作為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的安全界限已為世界多數(shù)國家所接受，已有20 多個國家將此安全界限列入國家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。許多國家如新西蘭、英國、日本等國內(nèi)大部分水泥廠均生產(chǎn)含堿量低于0.6%的水泥。加拿大鐵路局則規(guī)定，不論是否使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含堿量低于0.6%的低堿水泥。

3.1.2 限制混凝土堿含量

預(yù)防堿骨料反應(yīng)最直接、最有效的技術(shù)措施就是降低混凝土內(nèi)部的堿含量?；炷林械膲A來源于兩個方面：一方面是配制混凝土?xí)r形成的堿，包括水泥、摻合料、外加劑和混凝土拌合用水中的堿；另一方面是混凝土結(jié)構(gòu)物在使用過程中從周圍環(huán)境中侵入的堿，如海水、融雪劑等中的堿。因此在降低混凝土內(nèi)部堿含量時，不僅要限制水泥的堿含量，還要控制混凝土的總含堿量。我國GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)定：若使用活性骨料，用戶要求提供低堿水泥時，水泥中堿含量不得大于0.6%或由供需雙方商定；CECS 53—93《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：混凝土最大含堿量不大于3 kg/m3。

3.1.3 采用非活性骨料

為避免堿骨料反應(yīng)發(fā)生，凡可能發(fā)生堿骨料反應(yīng)的工程，在配制混凝土之前，均應(yīng)檢驗(yàn)所使用骨料是否具有堿活性。國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對骨料的堿活性檢驗(yàn)有明確要求。經(jīng)堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)后，由所使用骨料制備的試件應(yīng)無裂縫、酥縫、膠體外溢等現(xiàn)象，在規(guī)定的試驗(yàn)齡期內(nèi)膨脹率應(yīng)小于0.1%。

3.1.4 摻用低堿粉煤灰

粉煤灰抑制堿-硅酸反應(yīng)的機(jī)理，可概括為粉煤灰對堿的物理稀釋以及對Ca（OH）2的吸附，使之與火山灰反應(yīng)減少，甚至消除其間的Ca（OH）2與火山灰反應(yīng)生成的低Ca/Si 比產(chǎn)物對堿的吸附、滯留和體系的致密化作用。通過試驗(yàn)證明，摻用25%～35%的Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰，有顯著的抑制堿骨料膨脹破壞的作用，粉煤灰的比表面積越大，效果越明顯。

3.1.5 摻入礦物摻合料

礦物摻合料摻入到混凝土中后，可改變混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、降低滲透性、有效抑制堿骨料反應(yīng)的發(fā)生，繼而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，但礦物摻合料摻量大小應(yīng)考慮水泥、骨料和外加劑等因素，通過試驗(yàn)確定他們的最佳摻量。摻量過多，會對混凝土早期強(qiáng)度增長有所不利，為施工人員難于接受；摻量太小，則會增加堿骨料反應(yīng)的破壞作用。實(shí)踐證明，硅粉摻入量為5%～10%時，混凝土的膨脹量可降低10%～20%；粉煤灰摻入量大于20%、磨細(xì)礦渣粉摻入量大于60%時，混凝土的膨脹量可降低75%。

3.1.6 避免潮濕

為防止堿骨料反應(yīng)的發(fā)生，應(yīng)盡量使混凝土結(jié)構(gòu)處于干燥狀態(tài)，特別是防止經(jīng)常遭受干濕交替作用。必要時還可采用防水劑或憎水涂層，改善混凝土的密實(shí)度，降低混凝土的滲透性，減少雨水浸入混凝土內(nèi)部。

3.1.7 摻用引氣劑

摻用引氣劑，使混凝土具有一定的含氣量，可以容納一定數(shù)量的反應(yīng)物，減輕堿骨料反應(yīng)的膨脹壓力。如在混凝土中引入4%的空氣，能使堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹量減少40%。

3.1.8 摻用低堿外加劑

化學(xué)外加劑中堿含量基本上為可溶鹽（如Na2SO4等中性鹽），加入到混凝土后，會與水泥中的水化產(chǎn)物如Ca（OH）2等發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生部分OH-離子，并與留在孔隙溶液中的Na+、K+保持電荷平衡。由于含堿鹽外加劑能顯著增加孔隙溶液中的OH-離子濃度，進(jìn)而加速堿骨料反應(yīng)，因此，無論混凝土是否含有活性骨料，化學(xué)外加劑帶入的堿不得超過0.13 kg/m3。

3.1.9 其它措施

采用氫氧化鋰溶液對混凝土試件進(jìn)行浸泡處理后，活性骨料在氫氧化鋰溶液中形成片狀晶體，有助于消除堿骨料反應(yīng)危害；這是因?yàn)長i+與吸附在活性骨料表面的Na+、K+交換，搶先形成非膨脹型晶體產(chǎn)物。在混凝土中摻加適量鋼纖維，也有助于降低堿骨料反應(yīng)的危害；鋼纖維或其他纖維（如尼綸纖維、腈綸纖維、碳纖維等）的存在雖不能抑制堿骨料反應(yīng)的進(jìn)行，但是配制一定數(shù)量的纖維，可以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性，并對堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹壓力產(chǎn)生分散作用，繼而減小因堿骨料反應(yīng)所引起的破壞作用。

3.2 堿-碳酸鹽反應(yīng)活性骨料

碳酸鹽巖產(chǎn)生堿活性反應(yīng)同樣需要具備3 個方面的特征，質(zhì)地純正的石灰?guī)r、白云巖是沒有堿活性的：（1）巖石具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)，即細(xì)小的白云石晶體晶粒一般為50 μm，分散在更細(xì)粒的方解石和黏土礦物基質(zhì)中；（2）具有特定的礦物組成合成分，即白云石占碳酸鹽的40%～60%；（3）含有一定數(shù)量的酸不溶殘?jiān)?，其含量?%～25%。

目前，國內(nèi)外對堿-碳酸鹽反應(yīng)活性骨料還沒有找到行之有效的抑制方法。

4 結(jié) 語

（1）隨著工程實(shí)踐中逐漸發(fā)生和發(fā)現(xiàn)堿活性骨料反應(yīng)及其破壞，骨料的堿活性問題，已越來越引起國內(nèi)外工程技術(shù)人員的重視。

（2）對堿活性骨料的判定，首先應(yīng)采取巖相法進(jìn)行初判，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行堿活性復(fù)判。

（3）對堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，已有多項(xiàng)措施對其堿活性進(jìn)行抑制，采用低堿水泥并摻拌一定比例的粉煤灰來抑制骨料的堿活性，是工程中常用的措施之一。目前，對堿-碳酸鹽反應(yīng)活性骨料還沒有找到行之有效的抑制方法。質(zhì)地純正的石灰?guī)r、白云巖不具有堿活性。