混凝土堿含量測試方法研究綜述

黃 姣，劉清波

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

引 言

混凝土工程廣泛應用于基建項目，使用量大，是一種非常重要的材料。堿骨料反應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。由于堿骨料反應限制了混凝土原材料的使用，造成了大量材料的浪費和材料運輸成本的增加。目前研究普遍表明，堿骨料發生的三個條件為：潮濕的環境、骨料具有堿活性、混凝土中堿含量達到一定限值。即在堿含量低于某一數值時，即使使用了具有堿含量活性的骨料，混凝土堿反應膨脹率隨著堿含量的增加沒有明顯變化，混凝土結構仍然是安全的；而超過這一數值時，混凝土堿反應膨脹率隨著堿含量增加而急劇增大[1]。同樣，對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，準確地測試混凝土中堿含量，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，研究學者普遍認為[2]，參與堿骨料反應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；而結合C-S-H凝膠等存在于固相中的堿不參與堿骨料反應，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，主要是測定混凝土中的可溶性堿。目前，國內外學者對此進行了大量研究，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試方法

2.1 水溶出法

水溶出法也稱水浸法，大部分學者主要參照ASTM C114-2007《Standard Test Methods for Chemical Analysis of Hydraulic Cement》進行試驗或改進，GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》6.4.3 節同樣對混凝土可溶性堿含量的檢測進行了規定，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，將濾液轉移至500 mL的容量瓶中，加水至刻度，搖勻。用火焰光度計進行測定，測得檢流計的讀數。與此同時用蒸餾水做空白樣品，扣除空白樣品的檢流計讀數后，從工作曲線上查得K2O、Na2O 的毫克數。計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進程的影響，試驗結果也具有不確定性。如王景賢[3]采用此方法測得的可溶性堿與計算有效堿基本一致；而沈家萬等人[4]的研究則表明，溶出法測得的水溶性堿含量與配合比計算堿含量之間無明顯相關性，為配合比計算堿含量的49%～62%。

2.2 高壓擠壓法

測定混凝土孔隙溶液化學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]。

擠壓法采用的設備分為加壓系統和收集系統兩部分，試驗時，將試樣固定在加壓室的空心圓筒內，推動液壓活塞逐漸加壓到大約300 MPa 以上，混凝土孔隙溶液經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定Na+、K+的濃度，采用硫酸溶液滴定來測定OH-濃度。

高壓擠壓法獲得的溶液被認為是混凝土孔隙溶液的直接體現，獲得了大量學者的認可。但對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濕的方法使孔隙水重新達到平衡[10]。然而，這個過程可能導致錯誤的結果。干燥后再潤濕的混凝土試樣，高壓擠壓法提取的孔隙溶液堿含量降低；重復潤濕-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，擠壓法需要復雜的設備，操作要求高，須特別仔細以盡量減少環境的影響。而且這個試驗只能反映在相當短時間內的情況，因為沒有可靠的技術加快水泥漿體水化過程，難以反映長期情況，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定法

這是一種依據泰勒提出的堿分配理論[12]間接測定混凝土孔隙溶液堿含量的方法，這種方法可以預測混凝土孔隙溶液堿含量的長期發展，具有很重要的工程實際意義。堿分配理論認為混凝土中的堿一部分溶解于孔隙溶液中，一部分結合于水化產物中，通過測定結合于水化產物中的堿，就可以計算出溶解于孔隙溶液中的那一部分堿含量。一些學者建立了相關模型CEMHYD3D 計算水泥水化程度、水化產物中的堿含量和孔隙溶液中堿含量之間的關系[13～15]。首先通過試驗建立水泥水化程度隨時間的關系模型、不同水化程度水泥釋放的堿含量關系模型、各個水化產物不同水化程度所吸附的堿含量關系模型，兩者相減即孔隙溶液中堿含量，通過這個模型即可預測任意時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數據建立的，但要真實地反映混凝土中膠凝材料的水化程度以及生成水化產物吸附的堿含量仍有一定限制，模型發展不成熟，仍需大量的試驗數據進行完善支撐。

2.4 其他方法

有學者采用改進ASTMC311 方法進行研究，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，封存在一個加蓋的瓶中，放置在溫度為38℃條件下養護，在其7 d、28 d、84 d、168 d 和364 d 齡期時取出研磨溶解，測定堿的濃度。但此種方法不能完全代表混凝土的可溶性堿含量，僅在進行機理性研究和對比試驗時簡單易行，且測定結果比實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 值傳感器檢測極限pH 值，用測得的pH 值與萃取孔溶液法測得的pH 值進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得的pH 值，且試驗過程中容易受碳化的影響。

3 結 語

目前這些方法都沒有得到廣泛的應用，主要是都具有其局限性。而為了安全、經濟和科學地預防現代混凝土中堿骨料活性反應的危害，應針對混凝土實際測定堿含量與其配合比計算堿含量的對應關系開展系統研究。