福建地區(qū)建筑骨料堿-硅活性狀況及抑制方法研究

林仙斌 吳金灶 朱 仲

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司 福建福州 350000)

1 概述

堿骨料反應(yīng)是考察混水泥凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。自1940年美國(guó)首次發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)以來，已在世界各國(guó)許多混凝土工程陸續(xù)發(fā)生了堿骨料反應(yīng)破壞。由于我國(guó)生產(chǎn)的水泥堿含量一般不高，加上20世紀(jì)50年代至80年代期間大都生產(chǎn)和使用混合水泥，其中摻加了比例較高的活性混合材，可有效消化和緩解骨料堿-硅活性；另外，堿骨料反應(yīng)都是滯后幾年乃至幾十年后發(fā)生，故20世紀(jì)以前我國(guó)土建工程較少發(fā)生因骨料堿活性對(duì)混凝土工程破壞的案例，致使人們對(duì)堿骨料反應(yīng)危害工程的認(rèn)識(shí)不足[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著水泥中摻合料用量的減少，加上使用堿含量較高的混凝土外加劑，因此發(fā)生因堿骨料反應(yīng)破壞混凝土工程的事件時(shí)有發(fā)生。我國(guó)華北、西南地區(qū)骨料堿活性較高，故發(fā)生因堿骨料反應(yīng)破壞的混凝土工程概率也較高。福建地區(qū)以前沒有發(fā)生混凝土工程因堿骨料反應(yīng)而破壞的相關(guān)報(bào)道，而近幾年相繼發(fā)現(xiàn)許多工程使用的粗細(xì)集料有較高的堿活性，如水口壩下工程采用的卵石和碎石都有較高的堿-硅活性，永泰抽蓄工程和周寧抽蓄工程采用的粗集料也有存在堿-硅活性。對(duì)此，應(yīng)引起工程的參建各方高度重視。

2 堿骨料反應(yīng)機(jī)理及類型

2.1 堿骨料反應(yīng)機(jī)理

堿骨料反應(yīng)是由混凝土中的水泥、外加劑、摻合料和水中的堿(Na2O及K2O)與骨料中的活性二氧化硅、硅酸鹽或碳酸鹽作用，在混凝土澆筑后的若干年(有的多達(dá)幾十年)逐漸反應(yīng)，生成帶多個(gè)結(jié)晶水的化合物后膨脹，致使混凝土體積不安定，使混凝土失去相應(yīng)的設(shè)計(jì)功能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后呈均勻分布，發(fā)生堿骨料反應(yīng)后，內(nèi)部各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，此類病害無法修補(bǔ)，須整體拆除，故稱堿骨料反應(yīng)為混凝土的癌癥。

2.2 堿骨料反應(yīng)類型

堿骨料反應(yīng)，簡(jiǎn)稱AAR，按骨料存在活性組分區(qū)分，又分為堿-硅酸反應(yīng)(ASR)和堿碳酸反應(yīng)(ACR)。

堿-硅酸反應(yīng)(ASR)是指混凝土中的堿組分與骨料中的某些活性硅組分之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果導(dǎo)致骨料被侵蝕，生成具有膨脹性產(chǎn)物并導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。其作用可用下式表示。

Na+(k+)+SiO2+OH-→Na(K)-Si-H凝膠

Na(K)-Si-H能吸水膨脹而使混凝土開裂破壞。一般活性SiO2是指無定形SiO2、隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)和玻璃質(zhì)SiO2，其分布較廣，在沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖中均有發(fā)現(xiàn)。從20世紀(jì)90年代起，我國(guó)陸續(xù)在北京、天津、山東、陜西、內(nèi)蒙、河南等地區(qū)發(fā)現(xiàn)因ASR所引起的混凝土破壞案例。

堿-碳酸反應(yīng)(ACR)是指混凝土中的堿與骨料中的活性碳酸鹽作用引起混凝土地圖狀開裂。ACR的膨脹機(jī)理與ASR完全不同，其作用見以下公式:

CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+

Na2CO3

CaMg(CO3)2+2KOH→Mg(OH)2+CaCO3+

K2CO3

其中生成物Mg(OH)2吸水膨脹使混凝土開裂破壞。

一般來說，碳酸鹽巖石中，石灰?guī)r和白云巖是非活性的，只有粘土質(zhì)的白云石灰?guī)r才可能發(fā)生ACR，若骨料的化學(xué)成分中含有MgO，則應(yīng)注意是否存在碳酸鹽活性。因ACR而使混凝土開裂破壞的例子在我國(guó)較少，在河北地區(qū)曾有這方面破壞的相關(guān)報(bào)道。

由于骨料中存在活性硅及硅酸鹽的范圍較廣，而活性碳酸酸鹽骨料分布范圍較窄，且兩者與堿作用機(jī)理完全不同，加上骨料若存在ASR尚有相應(yīng)的抑制措施，而骨料若存在ACR則無切實(shí)可行的抑制措施，只能更換合格的骨料。因此本文著重介紹骨料堿-硅反應(yīng)及相應(yīng)的抑制措施。

3 堿-硅反應(yīng)發(fā)生條件

發(fā)生ASR需具備3個(gè)條件，即活性骨料、堿和水。

硅質(zhì)骨料皆可能有活性(卵石和碎石)，在使用前先進(jìn)行堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷骨料是否具有活性，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

堿的來源是混凝土中原材料所含的堿含量。主要是由水泥、摻合料、骨料、外加劑、水及環(huán)境帶來的堿所組成。骨料中的堿是否參與混凝土堿含量計(jì)算，學(xué)術(shù)界意見不一，但對(duì)百年的混凝土工程而言，骨料中堿析出是肯定的，而摻合料中的堿也會(huì)部分釋放出來。

發(fā)生堿骨料反應(yīng)的條件之一是有水介質(zhì)的存在，相關(guān)研究表明，當(dāng)混凝土中的相對(duì)濕度<75%時(shí)，堿骨料反應(yīng)停止。而水工混凝土或水運(yùn)混凝土長(zhǎng)期處在潮濕狀態(tài)，故堿骨料反應(yīng)更加危險(xiǎn)。

4 骨料堿-硅活性試驗(yàn)方法及判斷

4.1 骨料堿-硅活性試驗(yàn)方法

依據(jù)DL/T5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(其它行業(yè)也大同小異)規(guī)定，檢驗(yàn)骨料堿硅活性試驗(yàn)方法有巖相法、砂漿棒長(zhǎng)度法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法和中國(guó)壓蒸法，檢驗(yàn)骨料堿-碳酸鹽活性試驗(yàn)方法有碳酸鹽骨料活性檢驗(yàn)。而檢驗(yàn)堿骨料反應(yīng)抑制措施試驗(yàn)方法有砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法。當(dāng)巖相法試驗(yàn)結(jié)果與快速砂漿棒法(或砂漿棒長(zhǎng)度法)試驗(yàn)結(jié)果矛盾時(shí)，以快速砂漿棒法為準(zhǔn)，當(dāng)快速砂漿棒法試驗(yàn)結(jié)果與混凝土棱柱體試驗(yàn)結(jié)果矛盾時(shí)，以混凝土棱柱體試驗(yàn)為準(zhǔn)。但混凝土棱柱體試驗(yàn)時(shí)間需要1年以上，對(duì)工程施工進(jìn)度有一定的影響[2]。

4.2 堿骨料試驗(yàn)結(jié)果判斷

(1)巖相法：根據(jù)巖相判斷(本文不做介紹)。

(2)砂漿棒長(zhǎng)度法(養(yǎng)護(hù)溫度38℃±2℃)

當(dāng)試件半年膨脹率不低于0.10%，或3個(gè)月膨脹率不低于0.05%，即評(píng)定為具有潛在危險(xiǎn)性的活性骨料；反之，則評(píng)定為非活性骨料。

(3)碳酸鹽骨料的堿活性試驗(yàn)

當(dāng)試件84d膨脹率在0.10%以上時(shí)，該巖樣應(yīng)判為具有潛在堿活性危害，不應(yīng)作為混凝土骨料。

(4)砂漿棒快速法(養(yǎng)護(hù)溫度80℃±2℃)

①若試件14d的膨脹率小于0.10%，則骨料為非活性骨料；

②若試件14d的膨脹率大于0.20%，則骨料為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料；

③若試件14d的膨脹率為0.10%～0.20%，對(duì)這種骨料應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用歷史、巖相分析、試驗(yàn)觀測(cè)試件延至28d后的測(cè)試結(jié)果，或采用混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行綜合評(píng)定。

(5)混凝土棱柱體法(養(yǎng)護(hù)溫度20℃±3℃)

當(dāng)混凝土試件1年的膨脹率大于或等于0.04%，則判定為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料；膨脹率小于0.04%,則判斷為非活性骨料。當(dāng)砂漿棒快速法與混凝土棱柱體法試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果不一致時(shí)，以混凝土棱柱體法試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，但試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。

5 骨料堿-硅活性抑制措施及粉煤灰抑制堿-硅活性機(jī)理

5.1 骨料堿活性的判斷及種類

若骨料存在堿-硅活性，宜更換骨料料源，采用非活性骨料；若無法更換料源，則應(yīng)采取相應(yīng)的抑制措施；當(dāng)采取抑制措施后，28d的膨脹率小于0.10%，則抑制措施滿足要求；若28d的膨脹率大于或等于0.10%，則抑制措施不滿足要求，需更換抑制措施；若骨料存在堿-碳酸鹽活性，則必須更換料源，具有堿-碳酸活性的骨料不得用于配制混凝土。

5.2 使用堿-硅活性骨料時(shí)可考慮采用以下措施加以抑制

5.2.1控制混凝土的總堿量不超過3.0kg/m3

(1)采用低堿水泥，水泥堿含量≤0.6%；

(2)采用F類Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)粉煤灰時(shí)，粉煤灰堿含量≤2.5%；若采用?；郀t礦渣粉，其堿含量≤1.0%；摻用硅灰時(shí)，其堿含量≤1.5%；

(3)采用低堿含量的外加劑，由外加劑帶入的堿<1.0kg/m3;

(4)采用堿含量不大于1500mg/m3的拌和用水。

在計(jì)算混凝土堿含量時(shí)，水泥、外加劑和水的堿含量可用實(shí)測(cè)值計(jì)算；粉煤灰的堿含量可用1/5的實(shí)測(cè)值計(jì)算(水工規(guī)范規(guī)定采用1/5的實(shí)測(cè)值計(jì)算，而建筑規(guī)范規(guī)定采用1/6的實(shí)測(cè)值計(jì)算)；硅灰和?；郀t礦渣的堿含量采用1/2的實(shí)測(cè)值計(jì)算。

5.2.2采用礦物混合材

(1)考慮采用活性較好的粉煤灰，粉煤灰摻量應(yīng)≥25%以上(有些規(guī)范要求≥20%)，若快速砂漿棒膨脹率>0.20%，則需活性較好粉煤灰加以抑制，且粉煤灰摻量應(yīng)≥30%[3]；

(2)可考慮摻用粒化高爐礦渣，摻量不宜低于50%；

(3)可考慮摻用偏高嶺土、硅藻土、沸石粉等，摻量根據(jù)試驗(yàn)確定；

(4)若采用上述3種方法都無法抑制堿-硅反應(yīng)活性時(shí)，可考慮再摻加不宜小于5%的硅灰加以抑制。當(dāng)14d快速砂漿棒法膨脹率<0.03%或28d快速砂漿棒法膨脹率<0.1%時(shí)，可判斷抑制骨料堿-硅反應(yīng)措施有效[4]。

5.2.3摻用鋰鹽、鈣鹽等化學(xué)外加劑

5.2.4在滿足強(qiáng)度前提下多摻用混凝土引氣劑，因?yàn)橐龤鈩┊a(chǎn)生的細(xì)密小氣泡能消除堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力。

5.2.5減少混凝土用水量，降低混凝土濕度

(1)使用混凝土高效減水劑；

(2)提高混凝土抗?jié)B等級(jí)和密實(shí)度，減少自由水的通道；

(3)提高混凝土的設(shè)計(jì)齡期，這是由于高摻礦物后會(huì)使混凝土的早期強(qiáng)度降低；

(4)在結(jié)構(gòu)物表面采用防堿涂層等隔離措施，如在混凝土結(jié)構(gòu)物表面涂刷聚脲等。

(5)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土裂縫的控制，出現(xiàn)裂縫時(shí)應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，防止水分滲入。

5.3 粉煤灰類活性材料抑制堿-硅活性機(jī)理

(1)粉煤灰溶出堿含量相對(duì)較少，部分替代水泥后將會(huì)稀釋混凝土中的堿含量。

(2)粉煤灰通過填充效應(yīng)以及二次水化作用等能夠顯著改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布形態(tài)，提高混凝土密實(shí)性及抗?jié)B性，從而降低空隙溶液中離子的遷移速度率，降低堿含量離子與活性骨料接觸概率，延緩堿骨料反應(yīng)發(fā)生[5]。

(3)粉煤灰通過火山灰反應(yīng)生成大量水化硅酸鈣凝膠，這類凝膠具有較低的鈣硅比以及較強(qiáng)的堿吸附能力，因而能夠有效降低孔隙溶液中堿金屬離子濃度，抑制堿骨料反應(yīng)發(fā)生。

6 福建地區(qū)建筑骨料堿-硅活性狀況、抑制措施及效果

6.1 福建地區(qū)建筑骨料堿-硅活性狀況

福建地區(qū)建筑骨料堿-硅活性狀況如表1所示。

6.2 骨料堿-硅活性抑制效果

抑制骨料堿-硅活性的措施和材料很多，考慮到抑制材料的貨源供應(yīng)以及對(duì)水泥混凝土和易性的影響，一般采用品質(zhì)較優(yōu)的粉煤灰來抑制建筑骨料的堿-硅活性。不同品種的粉煤灰抑制骨料堿-硅活性效果如表2所示。

表1 福建地區(qū)建筑骨料堿-硅活性狀況

注：快速法堿活性判斷以試件14d的膨脹率為準(zhǔn)。

表2 不同品種的粉煤灰抑制骨料堿-硅活性效果

續(xù)表2

注：快速法堿活性抑制效果以試件28d的膨脹率為準(zhǔn)。

從表1和表2得知：

(1)福建的閩江流域、永泰、周寧等地建筑骨料均存在較嚴(yán)重的堿-硅活性，若不采取相應(yīng)的抑制措施，若干年后勢(shì)必會(huì)造成工程質(zhì)量事故，故應(yīng)引起我們高度重視。

(2)采用的粉煤灰品種及品質(zhì)不同，其抑制堿-硅活性的效果也各不相同?；钚愿叩姆勖夯?，其抑制堿-硅活性的效果明顯優(yōu)于活性低的粉煤灰。因此用于抑制堿-硅活性的粉煤灰摻量也較低。因此，在選擇抑制骨料堿-硅活性的粉煤灰品質(zhì)時(shí)，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

(3)在堿-硅活性劑抑制試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與采用的水泥品質(zhì)關(guān)系較大。永泰抽水蓄能電站工程采用金牛三明P.O42.5水泥時(shí)，福建華能F類Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為20%時(shí)，方可抑制人工砂堿-硅活性，28d砂漿膨脹率為0.04%，小于0.10%；而采用金牛福州P.O42.5水泥時(shí)，福建華能F類Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為10%時(shí)，即可抑制人工砂堿-硅活性，28d砂漿膨脹率為0.08，小于0.10%。

(4)金牛福州P.O42.5水泥抑制堿-硅活性效果優(yōu)于金牛三明P.O42.5水泥，與該水泥中粉煤灰及礦渣組分較高有關(guān)。

7 結(jié)語(yǔ)

堿骨料反應(yīng)是混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，為了抑制堿骨料反應(yīng)，尤其是抑制骨料堿-硅活性反應(yīng)，應(yīng)采取一系列措施，如采用低堿水泥；摻加一定比例的礦物混合材；摻用化學(xué)外加劑及引氣劑；減少混凝土用水量，減小混凝土濕度等措施。由于骨料堿-硅反應(yīng)破壞性極強(qiáng)，且多為工程施工幾年乃至幾十年后發(fā)生，具有較大的隱蔽性。福建地區(qū)部分地方建筑骨料存在嚴(yán)重的堿-硅活性，需采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右砸种品娇墒褂?，故?yīng)引起工程技術(shù)人員的高度重視。