水泥堿含量對混凝土工程的影響分析

溫賢慧 中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)寧夏工程有限公司

現(xiàn)階段的工程領(lǐng)域，很多都為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土性能關(guān)乎整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，與工程使用功能、壽命等都有著直接的關(guān)系。但混凝土施工也表明，水泥堿含量會對混凝土工程有著一定的影響，為有效減弱這種影響，優(yōu)化混凝土性能，在開展工程建設(shè)的過程中，各個工程企業(yè)都要結(jié)合總體的混凝土施工要求，注意對水泥堿含量的有效控制。大量的專家學(xué)者在水泥堿含量對混凝土工程的影響方面做了大量的研究，已經(jīng)積累了豐富的理論經(jīng)驗，實際的施工建設(shè)中，可以這些理論成果作為參考，有效實現(xiàn)混凝土施工工藝的優(yōu)化。

一、水泥堿含量的基本概述

水泥堿含量實際上就是指的是水泥中的堿物質(zhì)含量，一般是用Na2O 合計當(dāng)量來表達(dá)的，具體為堿量=Na2O+0.658K2O。根據(jù)水泥的生產(chǎn)流程和特點，堿含量更多地是從水泥生產(chǎn)原料中所產(chǎn)生的，更多地是從粘土中帶入，當(dāng)在混凝土施工過程中，水泥中的堿含量超出了正常限值時，勢必會引起明顯的堿-骨料反應(yīng)[1]。混凝土施工作業(yè)進(jìn)行中的堿骨料反應(yīng)具體指的水泥、外加劑、環(huán)境中的堿在水化的同時析出NaOH、KOH 并與骨料中活性SiO2發(fā)生反應(yīng)的過程，這一相互作用和反應(yīng)的過程中，會生成堿的硅酸鹽凝膠體，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)明顯的體積膨脹，甚至誘發(fā)網(wǎng)狀龜裂現(xiàn)象，使得混凝土結(jié)構(gòu)的完整性難以保持。

二、混凝土中的堿-骨料反應(yīng)

從20 世紀(jì)四十年代開始，美國的一些專家就開始了混凝土中的堿-骨料反應(yīng)研究，隨后，加拿大、西班牙、印度等國家，也逐步加入了關(guān)于堿-骨反應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)破壞的研究。當(dāng)下的混凝土構(gòu)不成領(lǐng)域，堿-骨料反應(yīng)的存在成了導(dǎo)致混凝土工程破壞的關(guān)鍵原因，從根本上看，混凝土中的堿與骨料中的其他活性組分出現(xiàn)相互的作用與反應(yīng)，這一過程就是堿-骨料反應(yīng)，在該反應(yīng)下所形成的反應(yīng)產(chǎn)物會因為吸水膨脹而引起混凝土的開裂，導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性大大降低[2]。就混凝土中的堿-骨料反應(yīng)過程來看，其并非是一蹴而就的，而是一個循序漸進(jìn)的過程，一些堿-骨料反應(yīng)的時間比較長，可能會有十幾年或者幾十年，針對一些低活性膨脹型的活性骨料而言，堿-骨料反應(yīng)的時間異常長。但是，一旦在混凝土結(jié)構(gòu)中開始出現(xiàn)了堿-骨料反應(yīng)，就無法控制，因此，為有效提升混凝土工程的建設(shè)質(zhì)量，工程企業(yè)應(yīng)在施工前期就重視水泥堿含量下所導(dǎo)致的堿-骨料反應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的危害，采取提前性的預(yù)防措施。

三、混凝土中骨料堿活性的檢測方法

國際和國內(nèi)社會上，關(guān)于骨料堿活性的檢測方法方面開展了大量的研究，也陸續(xù)出臺了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但就當(dāng)下的總體情況來看，國際社會上關(guān)于骨料堿活性的鑒定方法，并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，ASTM、RILEM 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)所提出的試驗方法，被很多國家作為標(biāo)準(zhǔn)制定的參考。就當(dāng)下普遍適用的骨料堿活性檢測方法來看，主要有以下四種：（1）巖相法，這一方法下，專業(yè)人員可通過顯微鏡來進(jìn)行骨料微觀結(jié)構(gòu)的觀測，在觀測的同時掌握骨料的種類和具體成分，在已知活性礦物的骨料堿活性檢測中，這種檢測方法非常有效，經(jīng)由該方法的規(guī)范化應(yīng)用，可準(zhǔn)確判定在骨料中是否存在有明顯的堿活性，但這一檢測方法下也存在著一定的不足，就是利用這一方式無法獲得關(guān)于活性組分含量和膨脹率之間所存在的關(guān)系。（2）化學(xué)法，利用這一檢測方式對骨料堿活性的檢測時，可準(zhǔn)確進(jìn)行骨料活性成分的化學(xué)反應(yīng)分析。（3）砂漿長度法，這一方法屬于骨料堿活性檢測中的經(jīng)典方式，與ASTMC227有著高度的一致性，更多地用在高活性快膨脹巖石、礦物的檢測上，對于一些慢膨脹骨料，一般不能采用這種檢測方式。（4）砂漿棒快速法，對硅質(zhì)骨料，尤其是慢膨脹骨料而言，這種檢測方式較為適用，檢測過程中有著極高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

四、導(dǎo)致堿-骨料反應(yīng)的必要條件

水泥堿含量對混凝土工程的影響主要是由于堿-骨料反應(yīng)的引起的，該反應(yīng)的發(fā)生有著一定的必要條件：（1）混凝土原材料內(nèi)含有一定數(shù)量的堿或者混凝土處于有堿滲入的環(huán)境條件下；（2）存在有一定數(shù)量的堿活性骨料，當(dāng)水泥中的堿含量超出了正常限值，存在活性骨料并超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；（3）在潮濕環(huán)境下，可給反應(yīng)物的膨脹提供充足的水分條件，在水分缺失的情況下，反應(yīng)將同步減小或者完全停止反應(yīng)[3]。當(dāng)混凝土工程中達(dá)到了這三個條件的情況下，勢必伴隨著堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生，而該反應(yīng)將同步引起混凝土的體積彭正和開裂。

五、堿-骨料反應(yīng)的破壞特征和分類

（一）破壞特征

就混凝土工程中的堿-骨料反應(yīng)過程來看，這一反應(yīng)過程的破壞表現(xiàn)出以下幾個方面的特點：（1）堿-骨料反應(yīng)裂縫是由于體積膨脹所導(dǎo)致，與一般的收縮或者荷載裂縫等有著明顯的區(qū)別；（2）堿-骨料反應(yīng)下對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞要比其他耐久性破壞的速率快；（3）水是堿-骨料反映出現(xiàn)、發(fā)展的必要條件，在水泥含堿量相對偏高的情況下，再加上其他活性集料時，水泥中的堿類和集料中的活性物質(zhì)會出現(xiàn)明顯的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引起混凝土的體積膨脹，誘發(fā)裂縫的出現(xiàn)，因此，堿-骨料反應(yīng)除了會引起混凝土裂縫等質(zhì)量問題，還會導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度、彈性模量等各項指標(biāo)難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，使得混凝土結(jié)構(gòu)面臨巨大的安全和質(zhì)量問題[4]。

（二）分類

1.堿-硅酸（SiO2）反應(yīng)

當(dāng)在混凝土建設(shè)施工時的堿與集料中的活性SiO2達(dá)到了反應(yīng)條件時，二者反應(yīng)后也就生成了堿的硅酸鹽凝膠，這種生成物具有吸水膨脹的特性，也就極易引發(fā)混凝土的體積膨脹和開裂。反應(yīng)的基本過程如下：

Na2O+H2O →2NaOH

K2O+H2O →2KOH

2NaOH+SiO2→Na2O+SiO2+nH2O

硅酸堿類為膠體狀物質(zhì)，其不斷從周圍的介質(zhì)內(nèi)吸水并發(fā)生明顯的體積膨脹，根據(jù)調(diào)查，吸水以后的硅酸堿類物質(zhì)，體積大約是原先的4 倍，這一特性使得其在混凝土內(nèi)部同步產(chǎn)生了巨大的膨脹壓力和滲透壓力，也就導(dǎo)致了混凝土的開裂。

2.堿-硅酸鹽反應(yīng)

當(dāng)堿與一些層狀的硅酸鹽集料，與水泥水化后的反應(yīng)產(chǎn)物NaOH、KOH 相互反應(yīng)以后，層狀硅酸鹽層間距離顯著增大，此時的集料也同樣發(fā)生了明顯的體積膨脹和開裂，因為巖石結(jié)構(gòu)的特殊性，此體積膨脹的反應(yīng)雖然非常緩慢，但對混凝土性能的危害卻是非常大的，當(dāng)在混凝土施工建設(shè)的過程中，這種類型的堿-骨料反應(yīng)沒有在出現(xiàn)第一時間加以控制時，對于混凝土的各方面性能都有著巨大的危害。

3.堿-碳酸鹽反應(yīng)

當(dāng)水泥中的堿與泥質(zhì)石灰石質(zhì)白云石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，會生成水滑石的反應(yīng)產(chǎn)物，這一反應(yīng)過程也同步伴隨著體積膨脹的問題。此外，反應(yīng)所形成的碳酸鈉又會與混凝土中的氫氧化鈣出現(xiàn)再次的反應(yīng)，形成新的氫氧化鈉產(chǎn)物，這種反應(yīng)機(jī)理下，堿與碳酸鹽集料的反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，體積膨脹不斷出現(xiàn)，最終引起了混凝土的結(jié)構(gòu)破壞。其反應(yīng)過程如下：

CaMg（CO3）2+2NaOH →Mg（OH）2+CaCO3+Na2CO3

Na2CO3+Ca（OH）2→2NaCO3

六、水泥堿含量對混凝土工程結(jié)構(gòu)的影響

（一）堿含量對水泥質(zhì)量的影響

堿含量是水泥選擇和使用中需關(guān)注的一個關(guān)鍵性指標(biāo)，當(dāng)水泥中的堿含量偏高時，水泥在出現(xiàn)水化反應(yīng)的過程中，勢必會同步伴隨著大量的NaOH、KOH 產(chǎn)生，而該反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物會導(dǎo)致水泥中的石膏成分被大量消耗，也就對水泥緩凝機(jī)理造成了不利影響，使得水泥的凝結(jié)硬化速率明顯增大，水泥對水分的需求明顯增多。因此，水泥堿含量偏高的情況下，對于水泥質(zhì)量是極為不利的。

（二）水泥堿含量對減水劑和混凝土性能的影響

為更為準(zhǔn)確地了解水泥堿含量對混凝土工程所造成的直接影響，在水泥堿含量越高的情況下，也就對應(yīng)著減水劑的較小減水率，當(dāng)水泥堿含量超過了0.6%的情況下，減水劑的減水率顯著降低。

經(jīng)由該試驗結(jié)果的相關(guān)數(shù)值對比，發(fā)現(xiàn)水泥堿含量偏高的情況下，水泥與減水劑之間的相容性和適應(yīng)性都勢必受到其影響。針對同一種減水劑，當(dāng)水泥堿含量越高的情況下，也就意味著混凝土有著較高的需水量，混凝土試件的強(qiáng)度較低，當(dāng)水泥堿含量超過了0.6%的情況下，對混凝土性能極為不利，可能會誘發(fā)混凝土的離散、泌水等問題[5]。如果要使得水泥和減水劑之間保持良好的相容性，可適當(dāng)增加減水劑的使用。

可以看出：水泥堿含量高時，減水劑用量增大，混凝土拌合物坍落度損失越明顯。

當(dāng)水泥堿含量越大時，減水劑的用量也相對較大，但混凝土拌合物的坍落度損失卻相對較大。根據(jù)這一試驗的進(jìn)行，當(dāng)水泥堿含量較大的情況下，混凝土拌合物的性能相對較差，存在著坍落度的明顯損失，也就使得在混凝土工程作業(yè)中，澆筑作業(yè)受到了明顯的影響。為使得在混凝土工程建設(shè)中的初始坍落度達(dá)到施工要求，施工企業(yè)就需要根據(jù)水泥堿含量對混凝土的影響，來增加減水劑的使用或者增大用水量。

（三）堿-骨料活性抑制方法

1.優(yōu)選骨料

當(dāng)在混凝土施工過程中水泥的堿含量過高、混凝土總堿量偏高或者處于含堿環(huán)境下時，就可能存在著堿-骨料反應(yīng)的可能性，為有效減小這一反應(yīng)過程對于混凝土結(jié)構(gòu)所造成的不利影響，工程人員要在現(xiàn)場進(jìn)行活性檢驗，將活性骨料和非活性骨料混合起來使用。在通過活性檢驗結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)這一配合比下對于混凝土工程沒有明顯的不利影響，可繼續(xù)采用這一配合比來進(jìn)行混凝土施工，但在施工過程中要注意骨料的選擇，比如可選用花崗巖質(zhì)骨料。

2.控制水泥含堿量

對于混凝土中的堿含量而言，水泥中的堿含量占比是最高的，為實現(xiàn)水泥堿含量的科學(xué)控制，在現(xiàn)場的施工作業(yè)進(jìn)行中，可盡可能選用低堿水泥，并在混凝土混合料中減少水泥的使用，用其他添加料來替代部分水泥的作用。

七、結(jié)束語

混凝土工程的施工建設(shè)中，混凝土性能受到各方面的因素影響較大，但水泥堿含量是其中的一個關(guān)鍵性因素，當(dāng)水泥堿含量偏高的情況下，混凝土的各方面性能都將受到影響，因此，任何的混凝土施工建設(shè)中，都應(yīng)該重視水泥堿含量對混凝土工程所造成的影響，加強(qiáng)對水泥堿含量的有效控制。