混凝土堿含量測(cè)試方法研究綜述

黃 姣，劉清波

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

引 言

混凝土工程廣泛應(yīng)用于基建項(xiàng)目，使用量大，是一種非常重要的材料。堿骨料反應(yīng)是混凝土常見破壞形式之一，造成混凝土的開裂及整體破壞。由于堿骨料反應(yīng)限制了混凝土原材料的使用，造成了大量材料的浪費(fèi)和材料運(yùn)輸成本的增加。目前研究普遍表明，堿骨料發(fā)生的三個(gè)條件為：潮濕的環(huán)境、骨料具有堿活性、混凝土中堿含量達(dá)到一定限值。即在堿含量低于某一數(shù)值時(shí)，即使使用了具有堿含量活性的骨料，混凝土堿反應(yīng)膨脹率隨著堿含量的增加沒有明顯變化，混凝土結(jié)構(gòu)仍然是安全的；而超過這一數(shù)值時(shí)，混凝土堿反應(yīng)膨脹率隨著堿含量增加而急劇增大[1]。同樣，對(duì)于不同活性程度的骨料，其堿含量的安全限值也不一樣。因此，準(zhǔn)確地測(cè)試混凝土中堿含量，妥善利用堿活性骨料配制低堿混凝土，將是件意義重大的事。

1 混凝土的堿含量

混凝土堿含量分為總堿含量、有效堿和無效堿。目前，研究學(xué)者普遍認(rèn)為[2]，參與堿骨料反應(yīng)的僅是能溶于混凝土孔隙溶液中的那一部分液相堿，稱為有效堿，也稱可溶性堿，是以離子形式存在的；而結(jié)合C-S-H凝膠等存在于固相中的堿不參與堿骨料反應(yīng)，稱為無效堿。有效堿和無效堿共同組成混凝土總堿含量，即各組分的酸溶堿總和。只有有效堿與具有堿活性的骨料反應(yīng)生成堿硅酸凝膠體，堿硅酸凝膠體吸水后體積膨脹，造成混凝土的破壞。要確保混凝土堿含量在安全限值內(nèi)，主要是測(cè)定混凝土中的可溶性堿。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，主要采用的方法有水浸法、高壓擠壓法等。

2 混凝土有效堿含量測(cè)試方法

2.1 水溶出法

水溶出法也稱水浸法，大部分學(xué)者主要參照ASTM C114-2007《Standard Test Methods for Chemical Analysis of Hydraulic Cement》進(jìn)行試驗(yàn)或改進(jìn)，GB/T 50784-2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》6.4.3 節(jié)同樣對(duì)混凝土可溶性堿含量的檢測(cè)進(jìn)行了規(guī)定，先破碎混凝土，剔除石子，研磨至全部通過0.080 mm 的方孔篩，用磁鐵吸出樣品中的金屬鐵屑，將樣品置于105℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，取25.0 g 樣品放入500 m 的錐形瓶中，加入300 mL 蒸餾水，用振蕩器振蕩3 h 或80℃水浴鍋中用磁力攪拌器攪拌2 h，然后在弱真空條件下用布氏漏斗過濾，將濾液轉(zhuǎn)移至500 mL的容量瓶中，加水至刻度，搖勻。用火焰光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得檢流計(jì)的讀數(shù)。與此同時(shí)用蒸餾水做空白樣品，扣除空白樣品的檢流計(jì)讀數(shù)后，從工作曲線上查得K2O、Na2O 的毫克數(shù)。計(jì)算混凝土中的可溶性堿量。

水溶出法受不同混凝土組分和反應(yīng)進(jìn)程的影響，試驗(yàn)結(jié)果也具有不確定性。如王景賢[3]采用此方法測(cè)得的可溶性堿與計(jì)算有效堿基本一致；而沈家萬等人[4]的研究則表明，溶出法測(cè)得的水溶性堿含量與配合比計(jì)算堿含量之間無明顯相關(guān)性，為配合比計(jì)算堿含量的49%～62%。

2.2 高壓擠壓法

測(cè)定混凝土孔隙溶液化學(xué)成分的一種合適方法是直接提取在高壓下擠壓樣品得到的孔隙溶液[5～6]。這種方法也稱為萃取孔溶液法，被大量用在水泥膏體、砂漿和混凝土研究中[7～8]。

擠壓法采用的設(shè)備分為加壓系統(tǒng)和收集系統(tǒng)兩部分，試驗(yàn)時(shí)，將試樣固定在加壓室的空心圓筒內(nèi)，推動(dòng)液壓活塞逐漸加壓到大約300 MPa 以上，混凝土孔隙溶液經(jīng)離心過濾后用錐形燒瓶收集[9]。收集的溶液采用火焰光度法或原子吸收光譜法測(cè)定Na+、K+的濃度，采用硫酸溶液滴定來測(cè)定OH-濃度。

高壓擠壓法獲得的溶液被認(rèn)為是混凝土孔隙溶液的直接體現(xiàn)，獲得了大量學(xué)者的認(rèn)可。但對(duì)于老化的混凝土樣本或部分干燥的巖心，高壓擠壓法只能得到少量的液體，沒有足夠的溶液可以用來分析。而普遍采取的解決方法是通過再潤(rùn)濕的方法使孔隙水重新達(dá)到平衡[10]。然而，這個(gè)過程可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。干燥后再潤(rùn)濕的混凝土試樣，高壓擠壓法提取的孔隙溶液堿含量降低；重復(fù)潤(rùn)濕-擠壓過程，混凝土試件的堿含量減少量從34%降至61%[11]。故此種試驗(yàn)方法僅適用于短齡期、高水膠比的混凝土。

此外，擠壓法需要復(fù)雜的設(shè)備，操作要求高，須特別仔細(xì)以盡量減少環(huán)境的影響。而且這個(gè)試驗(yàn)只能反映在相當(dāng)短時(shí)間內(nèi)的情況，因?yàn)闆]有可靠的技術(shù)加快水泥漿體水化過程，難以反映長(zhǎng)期情況，也一定程度上阻礙了此方法的大量推廣。

2.3 泰勒堿分配理論模型測(cè)定法

這是一種依據(jù)泰勒提出的堿分配理論[12]間接測(cè)定混凝土孔隙溶液堿含量的方法，這種方法可以預(yù)測(cè)混凝土孔隙溶液堿含量的長(zhǎng)期發(fā)展，具有很重要的工程實(shí)際意義。堿分配理論認(rèn)為混凝土中的堿一部分溶解于孔隙溶液中，一部分結(jié)合于水化產(chǎn)物中，通過測(cè)定結(jié)合于水化產(chǎn)物中的堿，就可以計(jì)算出溶解于孔隙溶液中的那一部分堿含量。一些學(xué)者建立了相關(guān)模型CEMHYD3D 計(jì)算水泥水化程度、水化產(chǎn)物中的堿含量和孔隙溶液中堿含量之間的關(guān)系[13～15]。首先通過試驗(yàn)建立水泥水化程度隨時(shí)間的關(guān)系模型、不同水化程度水泥釋放的堿含量關(guān)系模型、各個(gè)水化產(chǎn)物不同水化程度所吸附的堿含量關(guān)系模型，兩者相減即孔隙溶液中堿含量，通過這個(gè)模型即可預(yù)測(cè)任意時(shí)間孔隙溶液中的堿含量。

但此種方法仍有很大的局限性，雖然該方法使用的模型是通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，但要真實(shí)地反映混凝土中膠凝材料的水化程度以及生成水化產(chǎn)物吸附的堿含量仍有一定限制，模型發(fā)展不成熟，仍需大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善支撐。

2.4 其他方法

有學(xué)者采用改進(jìn)ASTMC311 方法進(jìn)行研究，其方法為取10 g 水泥和水泥摻和料的混合物，溶于10 mL水中，封存在一個(gè)加蓋的瓶中，放置在溫度為38℃條件下養(yǎng)護(hù)，在其7 d、28 d、84 d、168 d 和364 d 齡期時(shí)取出研磨溶解，測(cè)定堿的濃度。但此種方法不能完全代表混凝土的可溶性堿含量，僅在進(jìn)行機(jī)理性研究和對(duì)比試驗(yàn)時(shí)簡(jiǎn)單易行，且測(cè)定結(jié)果比實(shí)際孔溶液中的堿含量偏高[16]。

還有研究者在混凝土表面鉆一個(gè)小洞（直徑5 mm，深25 mm），放入約0.4 mL 的中性水，用微pH 值傳感器檢測(cè)極限pH 值，用測(cè)得的pH 值與萃取孔溶液法測(cè)得的pH 值進(jìn)行比較來表征混凝土的可溶性堿，稱為原位置溶出法[17]。此法依賴萃取孔溶液法測(cè)得的pH 值，且試驗(yàn)過程中容易受碳化的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前這些方法都沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要是都具有其局限性。而為了安全、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)地預(yù)防現(xiàn)代混凝土中堿骨料活性反應(yīng)的危害，應(yīng)針對(duì)混凝土實(shí)際測(cè)定堿含量與其配合比計(jì)算堿含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系開展系統(tǒng)研究。