堿集料反應危害及其預防措施

摘要：本文闡述了水泥混凝土堿集料反應(AAR)對水泥混凝土產(chǎn)生的危害，并從堿的來源、破壞原因的診斷、預防措施及如何判斷混凝土發(fā)生堿集料破壞的可能性幾方面進行分析，從而提出預防堿集料反應發(fā)生的主要技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：堿集料反應 危害性 防止措施

1 堿集料反應的含義與危害

堿集料反應(Alkali-Aggregate Reaction，簡稱AAR)是指水泥或混凝土中的堿(K₂O、Na₂O)與活性集料之間發(fā)生化學反應，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自膨脹應力而開裂破壞。其主要包括：

1.1 堿—硅酸反應(Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR) 是堿與集料中活性SiO₂發(fā)生反應，生成堿的硅酸鹽凝膠，吸水后體積膨脹，引起混凝土膨脹和開裂。

SiO₂·nH₂O+2ROH→R₂SiO₃(n+1)H₂O

1.2 堿—碳酸鹽反應(Alkali-Carbonate Reaction，簡稱ACR) 是堿與泥質(zhì)石灰、石質(zhì)白云石反應，由于這類白云石含粘土較多，堿離子能通過包裹在細小白云石微晶外的粘土摻人到白云石穎粒，使其產(chǎn)生白云石化反應。

CaMg(CO₃)+2ROH→Mg(OH)₂+CaCO₃+RCO₃

但反應物不能通過粘土向外擴散，而是靠白云石化反應打開通道使粘土吸水，導致集料膨脹和開裂。

1.3 堿—硅酸鹽反應，是堿與某些層狀硅酸鹽集料反應，使層狀硅酸巖層間距離增大，集料膨脹而造成混凝土膨脹。

2 堿集料反應的影響因素

堿集料反應所以倍受工程界的廣泛關(guān)注，重要原因之一是堿集料反應受多種因素的影響而難以控制。堿集料反應發(fā)生必須同時具備三個方面的條件：足夠數(shù)量的堿(以Na2O當量計)、活性集料和水。

2.1 堿對堿集料反應的影響 堿是混凝土堿集料反應的內(nèi)在根源之一，不含堿或堿含量過低，混凝土不會發(fā)生堿集料反應破壞。引起堿集料反應的堿不是通常化學意義上的堿，而是指堿金屬鉀、鈉的化合物形式存在的堿，以氧化鈉當量計。

2.2 活性集料 活性集料是堿集料反應的必需反應物之一，活性集料對堿集料反應的影響主要體現(xiàn)在其種類、含量和粒徑三個方面。引起堿碳酸反應的活性集料主要是石灰石質(zhì)白云石，目前，已發(fā)現(xiàn)的由這類活性集料引起的堿集料反應較少，大量堿集料反應是由含活性二氧化硅的集料引起的。這類集料包括蛋白石、玉髓、隧石、瑪瑙、鱗石英、方石英、微晶石英、具有較強波狀消光的石英和火山灰玻璃體等，雖然它們均參與堿硅酸反應，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大，使其堿活性差別較大，一般，蛋白石、玉髓的堿活性較高。

2.3 水 水或潮濕環(huán)境的存在是堿集料反應發(fā)生的必要條件之一。堿集料反應膨脹的發(fā)生主要根源于反應產(chǎn)物的吸水腫脹。如果混凝土或砂漿中不能提供反應產(chǎn)物吸水的條件，即使堿與活性集料發(fā)生了化學反應，反應產(chǎn)物也不會膨脹。這也是采取物理措施如對結(jié)構(gòu)表面進行防水處理防止堿集料反應膨脹破壞的技術(shù)基礎(chǔ)

2.4 摻合料 摻合料的種類和數(shù)量對混凝土堿集料反應有重要影響，通常，礦物摻合料對堿集料反應具有抑制作用。具體情況在本文后部分說明。

2.5 溫度 如同其它化學反應，溫度對堿集料反應有一定影響，溫度對堿集料反應速率的影響符合阿侖尼烏斯定律。但溫度對堿集料反應膨脹的影響具有自身特點。研究表明，其它條件相同時，砂漿的堿集料反應膨脹率隨溫度的變化呈現(xiàn)如下次序:40℃＞80℃＞20℃。

上述反應表明，無論是硫酸鈉還是防凍鹽均與混凝土中的堿集料反應之間相互協(xié)同作用，促進堿集料反應，加速混凝土性能的劣化。目前，有關(guān)硫酸鈉、防凍鹽與混凝土堿集料反應協(xié)同作用的機理尚有待進一步研究。

3 堿集料反應的抑制與預防

由于堿集料反應被稱為水泥混凝土的癌癥，因此，對己存在的水泥混凝土工程，己確定發(fā)生堿集料反應而破壞的工程，幾乎不可能被修復，預防和抑制堿集料反應的措施包括兩大類:物理措施和化學措施，前者主要通過對混凝土表面進行防水處理、選擇不含活性組分的集料和使用低堿水泥等，后者包括使用礦物摻合料和摻加化學外加劑等，雖然原理有所不同，但實際應用中往往采用幾種途徑綜合處理。具體途徑包括:

3.1 使用非活性集料 活性集料是堿集料反應的基本組分，如果集料不具有堿活性，堿集料反應自然不會發(fā)生。使用非活性集料可以根治堿集料反應，其實施需要有良好的資源和可靠的檢驗方法為基礎(chǔ)。但在有些地區(qū)，使用非活性集料需要付出昂貴的經(jīng)濟代價。

3.2 使用低堿水泥 使用低堿水泥，從而將混凝土的總堿量控制在足夠低的水平，可以有效防止堿集料反應破壞的發(fā)生。通常所說的低堿水泥是指其堿含量低于水泥重量0.6％(以氧化鈉當量計)的水泥。目前，在堿集料反應較嚴重的國家或地區(qū)如南非、美國、日本、加拿大等，均將使用低堿水泥作為預防堿集料反應的重要措施。

3.3 限制混凝土的總堿量 一定量堿是混凝土發(fā)生堿集料反應的必要條件之一，因此，限制混凝土中堿的總量可以預防堿集料反應。該措施與使用低堿水泥的目標一致，但它將混凝土中各組分所帶入的總堿量作出規(guī)定，控制條件更嚴格，技術(shù)上也更合理。根據(jù)資源、環(huán)境的具體條件，許多國家均規(guī)定了預防堿集料反應時單位體積混凝土允許的最高堿含量，如英國—4kg/m³，澳大利亞約—2kg/m³，新西蘭—5kg/m³，美國—3.3kg/m³，日本—3kg/m³，南非—2.1kg/m³。由于對混凝土強度及工作性的影響，抑制堿集料反應時，沸石的摻量一般控制在水泥用量的20～40％，且經(jīng)500℃熱處理的沸石粉具有更好的抑制堿集料反應的功效。

3.4 表面處理 在混凝土表面涂敷涂層以阻止外界介質(zhì)特別是水和侵蝕介質(zhì)向混凝土的滲透，可以有效預防混凝土的堿集料反應。這是一種物理措施，雖然有效，但保護層往往易于老化，需經(jīng)常修補。

4 結(jié)束語

混凝土堿集料反應，是一項十分復雜的課題，即使采取了周密的措施，堿集料反應也是不可避免的。我們只有綜合考慮，采取綜合措施才能使混凝土堿集料反應降到最低，從而增加混凝土的耐久性。

參考文獻:

[1]唐明述.從國內(nèi)外堿集料反應的現(xiàn)狀建議我國應采取的對策和研究方向[J].當代水泥.1991.(2):1-7.

[2]川村滿紀，枷場重正著.堿-硅石反應的機理及預防措施[J].武漢建材學院譯叢.1987.(1):25-30.

[3]楊長輝.堿性水泥系統(tǒng)的堿集料反應研究[D].重慶建筑大學博士學位論文.1997.

[4]張承志.集料堿活性的評定與混合材對堿集料反應膨脹有效性的評定[D].南京化工大學博士學位論文.1996.6.

[5]楊德斌.裹摻混合材體系抑制堿集料反應及其與防凍鹽、硫酸鹽的協(xié)同作用[D].南京化工大學博士學位論文.1996.

[6]南京化工學院無機非金屬材料研究所，砂.石堿活性快速試驗方法(CECS48(93)[S].中國工程建設(shè)標準化協(xié)會.1993.

[7]李丹.孟昭富，等.重慶市集料堿活性調(diào)查研究[Z].鑒定資料.重慶市建筑科學研究院.1998.5.