某工程混凝土含堿量的控制

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李 進(jìn)1，2

(1．三峽大學(xué)土木水電學(xué)院，宜昌443002；2．中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第--32程有限公司，宜昌443002)

摘 要： 混凝土原材料中的堿含量過(guò)高時(shí)，可能發(fā)生堿集料反應(yīng)，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。工程中應(yīng)從混凝土的原材料選擇開(kāi)始仔細(xì)考慮堿集料反應(yīng)，嚴(yán)格預(yù)防堿集料反應(yīng)的發(fā)生?；炷羶?nèi)部發(fā)生堿集料反應(yīng)破壞與否，除了與水泥堿含量有關(guān)外，jetvac4是與混凝土中的總堿含量有關(guān)。以混凝土原材料中的總堿含量作為控制標(biāo)準(zhǔn)是切實(shí)可行和更為可靠的。

關(guān)鍵詞： 混凝土； 堿集料反應(yīng)； 含堿量； 控制

20世紀(jì)30年代，美國(guó)西部地區(qū)的一些堤壩、公路、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生異常膨脹，產(chǎn)生裂縫，當(dāng)時(shí)，尚未找出具體的原因。1940年，StantonTE[1]首次將這種混凝土異常膨脹并產(chǎn)生開(kāi)裂的原因歸結(jié)為是由于堿含量較高的水泥與某種頁(yè)巖或蛋白石集料之間發(fā)生反應(yīng)所引起的，他把加利福尼亞州的King City大橋的橋墩損傷的結(jié)構(gòu)物所使用的集料制成砂漿試件，測(cè)定變形率后，發(fā)現(xiàn)膨脹率很大，他認(rèn)為是由于堿含量高的水泥析出的KOH、NaOH與含有活性Si02的集料發(fā)生了反應(yīng)。其后，世界上許多國(guó)家相繼認(rèn)識(shí)到了堿集料反應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的危害，并制定了堿集料反應(yīng)可能性的檢驗(yàn)方法，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。近幾年來(lái)我國(guó)對(duì)混凝土堿集料反應(yīng)理論的研究也有了很大的發(fā)展。

由于水泥與集料之間的作用相當(dāng)復(fù)雜，各地集料的品種、礦物組成千差萬(wàn)別，實(shí)際工程中各種因素所引起的混凝土耐久性下降現(xiàn)象互相交織，這些都對(duì)混凝土堿集料反應(yīng)機(jī)理的研究以及混凝土結(jié)構(gòu)劣化原因的界定產(chǎn)生了一定影響。如何合理地確定混凝土堿含量的控制標(biāo)準(zhǔn)一直困擾著工程技術(shù)人員。有的工程為了確保萬(wàn)無(wú)一失，不從當(dāng)?shù)卦牧系幕钚院秃瑝A量實(shí)際出發(fā)，不斷提高混凝土堿含量的控制標(biāo)準(zhǔn)，致使工程在實(shí)施過(guò)程中難以控制或無(wú)謂地增加了一些工程投資。下面從混凝土的堿集料反應(yīng)機(jī)理等方面人手，結(jié)合某混凝土工程實(shí)際，提出了進(jìn)行具有堿活性骨料混凝土總堿量的控制，在保證混凝土施工質(zhì)量前提下，盡可能地降低了工程造價(jià)。

1 混凝土堿集料反應(yīng)破壞

混凝土的堿集料反應(yīng)是混凝土材料內(nèi)水泥中的堿(KOH、NaOH)與集料中的活性成分之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物呈膠體狀態(tài)，不僅減弱了集料與水泥石之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，而且遇水后發(fā)生膨脹，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)體開(kāi)裂。

一般認(rèn)為，堿集料反應(yīng)有堿—硅反應(yīng)、堿—碳酸鹽反應(yīng)、堿—硅酸鹽反應(yīng)等3種類(lèi)型，堿—硅反應(yīng)是集料中的反應(yīng)性微晶氧化硅與混凝土孔溶液中的堿之間發(fā)生的反應(yīng)。此反應(yīng)在常溫下即可進(jìn)行，產(chǎn)物為堿—硅凝膠體，它吸水膨脹，引起膨脹壓而使?昆凝土結(jié)構(gòu)體開(kāi)裂(無(wú)序的網(wǎng)狀裂紋)，與堿發(fā)生反應(yīng)的集料表面有凝膠環(huán)存在，混凝土內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生大量裂縫，混凝土內(nèi)部孔縫中存在硅酸鹽凝膠，凝膠失水后硬化或粉化。堿—硅反應(yīng)的速度隨Si02的穩(wěn)定程度、比表面積、溫度以及液相中OH—濃度而不同，堿的濃度對(duì)堿集料反應(yīng)與否起很大作用。堿—碳酸鹽反應(yīng)發(fā)生在水泥石液相中的堿與石灰石集料之間。與堿-硅反應(yīng)不同的是，盡管堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為混凝土體內(nèi)外產(chǎn)生開(kāi)裂，但集料表面不產(chǎn)生凝膠體。堿—硅酸反應(yīng)是一種特殊的堿集料反應(yīng)，集料表面也不存在反應(yīng)環(huán)，但是會(huì)引起混凝土體內(nèi)外開(kāi)裂。

混凝土內(nèi)部發(fā)生堿集料反應(yīng)后的宏觀(guān)現(xiàn)象為：集料表面存在凝膠環(huán)，混凝土內(nèi)部和外部開(kāi)裂，孔縫內(nèi)有異常物質(zhì)存在等?；炷涟l(fā)生堿集料反應(yīng)最突出的表現(xiàn)就是產(chǎn)生開(kāi)裂，這種無(wú)序的開(kāi)裂將導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，抗凍性、抗化學(xué)腐蝕性和抗鋼筋銹蝕性嚴(yán)重降低。

盡管關(guān)于混凝土堿集料反應(yīng)的機(jī)理以及確切的規(guī)律至今尚無(wú)圓滿(mǎn)的解答，但是人們發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部要發(fā)生堿集料反應(yīng)，有3個(gè)缺一不可的條件：

1)混凝土中堿含量過(guò)高?；炷翂A含量越高，發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性越大。

2)所用集料內(nèi)含活性物質(zhì)。一些有代表性的活性集料，如蛋白石、打火石、燧石和火山噴出巖(主要是安山巖和流紋巖)等發(fā)生堿集料反應(yīng)的危險(xiǎn)性最大。

3)必須有水份存在。這是發(fā)生堿集料反應(yīng)的必要條件之一。干燥條件下，混凝土幾乎不發(fā)生堿集料反應(yīng)。處于高濕度環(huán)境下的混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的速度較大。

堿集料反應(yīng)的進(jìn)程和破壞程度受到以下幾個(gè)因素的影響。

(1)活性集料的數(shù)量和集料的粒徑。一般認(rèn)為，集料中活性集料的百分比越大，發(fā)生堿集料反應(yīng)的破壞也越大。集料粒徑在0．15～0．3 mm范圍內(nèi)，發(fā)生堿集料反應(yīng)后產(chǎn)生的體積膨脹最大，開(kāi)裂也最嚴(yán)重。

(2)堿含量。水泥中的堿含量通常以Na2O的等當(dāng)量質(zhì)量(Na2O十0．658K2O)與水泥質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)表示?；炷林械膲A含量則通常以單位立方米混凝土中Na2O的等當(dāng)量質(zhì)量表示。當(dāng)使用活性集料時(shí)，堿含量與堿集料反應(yīng)的速度呈大致的線(xiàn)性關(guān)系，比如堿含量越高，越易發(fā)生堿集料反應(yīng)，但這種關(guān)系也不是絕對(duì)的，如對(duì)于蛋白石等高堿活性集料，當(dāng)堿含量過(guò)高時(shí)，膨脹量反而減小。

為了抑制堿集料反應(yīng)，一些國(guó)家規(guī)定了混凝土堿含量的限值[2]，美國(guó)為3．3 ks／m3，英國(guó)、澳大利亞、新西蘭、南非分別為3．0 ks／m3、2．0 kg／m3、5．0kg／m3和2．1 kg／m3，我國(guó)則為3．0 kg／m3。

(3)水灰比。水灰比越大，混凝土內(nèi)部孔隙率也越大，堿在水溶液中的遷移速度也增大，所以如果具備堿集料反應(yīng)發(fā)生的條件時(shí)，其反應(yīng)速度也加快。但是，也有人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)水灰比較小時(shí)，孔隙尺寸小，孔隙率也低，反而不利于緩和因發(fā)生堿集料反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹壓。誠(chéng)然，減小水灰比可以大幅度降低混凝土滲透性，從而降低混凝土的滲水性，因而發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性也必然會(huì)減小。

(4)其它因素。影響混凝土堿集料反應(yīng)破壞的因素還包括環(huán)境濕度和溫度以及混凝土的含氣量等。

我國(guó)從30年前開(kāi)始發(fā)現(xiàn)一些開(kāi)裂嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)(主要是橋梁、路面等)是由于堿集料反應(yīng)所致，但總體來(lái)說(shuō)，堿集料反應(yīng)破壞現(xiàn)象實(shí)例還是較少的。研究發(fā)現(xiàn)，北京、天津、河北、遼寧、廣西等省市部分地區(qū)的砂石集料中含有活性成分，如玉髓、蛋白石等。我國(guó)水泥生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)較落后，由于原料所限，我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)水泥含堿量相對(duì)較高。20世紀(jì)60年代的統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)水泥堿含量在0．39％～1．08％的范圍內(nèi)波動(dòng)，1983年為0％～2％，1984年為0．1％～1．7％，1985年為0．1％～0．9％。我國(guó)水泥有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：若使用活性集料，用戶(hù)要求提供低堿水泥肘，水泥中堿含量不得大于0．60％，或由供需雙方商定。

但是，目前國(guó)內(nèi)外水泥的生產(chǎn)都追求節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境，開(kāi)發(fā)利用含堿的窯爐廢氣進(jìn)行預(yù)熱之用，并允許在水泥中摻人含堿量較高的窯灰，所以水泥含堿量有所增大[3]。

另外，由于水泥標(biāo)準(zhǔn)與ISO新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接軌，新的強(qiáng)度檢驗(yàn)方法的出臺(tái)必將使得大部分水泥生產(chǎn)企業(yè)為了保住水泥的高標(biāo)號(hào)不愿摻加過(guò)多混合材；混凝土新的設(shè)計(jì)理念(混凝土活性摻合料的使用)的形成也希望市場(chǎng)上硅酸鹽水泥份額逐漸增大。這些因素都將引起我國(guó)水泥中的堿含量呈現(xiàn)整體走高趨勢(shì)。

不僅水泥堿含量呈增高趨勢(shì)，各種外加劑的應(yīng)用，如作為早強(qiáng)劑和防凍劑使用的NaCl、Na2SO4等都將增加混凝土中的堿含量，這些都是堿集料反應(yīng)研究工作者和標(biāo)準(zhǔn)制訂者所要考慮的因素。

2 預(yù)防混凝土堿集料反應(yīng)破壞的措施

水泥的生產(chǎn)過(guò)程是很復(fù)雜的，其N(xiāo)a2O和K2O主要來(lái)自于生產(chǎn)原料，如粘土。粘土中的堿含量可高達(dá)2．5％～2．7％，而砂巖中的堿含量為0．1％～0．3％。粘土和砂巖是目前水泥中SiO2和A12O32種化學(xué)成分的主要來(lái)源，它們的堿含量相差10倍左右，使用砂巖作為原料之一的水泥其堿含量也低，但是有的水泥廠(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)采用粘土，若改用砂巖，則又會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)工藝。

降低水泥堿含量的另一個(gè)措施是不摻加窯灰，因?yàn)楦G灰中的堿含量高達(dá)2．2％～2．3％。但是水泥廠(chǎng)大多將窯灰摻加到水泥熟料中一起磨細(xì)，既解決了窯灰的堆放和避免了對(duì)環(huán)境的污染，又降低了水泥的生產(chǎn)成本。一個(gè)日產(chǎn)水泥熟料5 000～6 000t的水泥廠(chǎng)，其每日所排出的窯灰達(dá)2 t左右，一年就有770t。摻加礦渣混合材是解決水泥堿含量的又一個(gè)重要的有效措施，但是現(xiàn)在一些先進(jìn)的水泥生產(chǎn)廠(chǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要按照硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)，在粉磨時(shí)摻加礦渣無(wú)疑降低了粉磨設(shè)備的效率。摻加粉煤灰混合材對(duì)減低堿含量無(wú)益，因?yàn)榉勖夯抑斜旧淼膲A含量較大，如上海某電場(chǎng)粉煤灰的堿含量為0．76％(Na2O占0．34％，K2O占0．64％)。窯氣中往往夾雜著蒸發(fā)的堿，所以采用在窯尾放風(fēng)，可以除去一部分堿，但是窯尾放風(fēng)必將產(chǎn)生大量灰塵顆粒，無(wú)疑又加劇了環(huán)保問(wèn)題。

目前水泥堿含量難以降低，尋求切實(shí)可行的其它有效措施來(lái)預(yù)防混凝土堿集料反應(yīng)破壞便顯得十分重要了。在存在活性集料的情況下，混凝土內(nèi)部發(fā)生堿集料反應(yīng)破壞與否，除了與水泥堿含量有關(guān)外，最重要的是與混凝土中的總堿含量有關(guān)[4]。因?yàn)槌怂?，各種品種的外加劑，如早強(qiáng)劑、防凍劑、速凝劑，甚至高效減水劑的摻加和使用，都會(huì)在混凝土中引入一定量的堿金屬離子。值得重視的是，即使所使用的水泥的堿含量較高(如超過(guò)0．6％)，也可以通過(guò)其它有效措施(如降低混凝土中的總堿含量)來(lái)防范混凝土堿集料反應(yīng)的發(fā)生或減少其破壞程度。

目前我國(guó)水泥堿含量較高的現(xiàn)象普遍存在，且混凝土內(nèi)部的堿不僅僅只來(lái)自于水泥，還有可能來(lái)自于含堿外加劑、含鹽集料以及滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部的外界鹽類(lèi)介質(zhì)等?；炷林械哪z凝材料除了水泥之外可能還有摻合料，而摻合料的摻加又有助于降低發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性。就當(dāng)前混凝土材料的發(fā)展和應(yīng)用水年來(lái)說(shuō)，不具體考慮混凝土的原材料和性質(zhì)，單純通過(guò)限定水泥堿含量的措施來(lái)預(yù)防工程中的堿集料反應(yīng)尚有不妥之處。有些工程水泥的堿含量雖低于0．6％，但也發(fā)現(xiàn)有堿骨料反應(yīng)的情況，這是因?yàn)槠渌牧现械膲A成份也參加了反應(yīng)。因此，以混凝土原材料中的總堿含量作為控制標(biāo)準(zhǔn)，才更為可靠。潮濕環(huán)境中的重要工程結(jié)構(gòu)的混凝土堿含量限值不超過(guò)3．0kg／m3。