堿骨料反應對建筑材料性能的影響分析

1解決堿骨料反應破壞的必要性

1.1 抑制和預防堿骨料反應的實用性

近年來，隨著各地工程建設的不斷擴大以及對工程性能要求的不斷提高，混凝土耐久性的重要性不言而喻。混凝土耐久性不高，會發生膨脹和開裂，引起安全問題，甚至會威脅工人生命安全。另外，混凝土結構維修和修復的成本也很高，若頻繁進行加固，會造成很大的經濟損失。

1.2符合國家對新時代科學技術發展要求

目前，我國已有部分基礎設施工程發現了堿骨料反應破壞，如三元橋立交橋、八里臺立交橋以及多地機場跑道，損失不容小。因此，預防和抑制堿骨料反應是重大工程建設的重中之重。緩解堿骨料反應對混凝土結構的破壞，正契合國家對新時代科學技術發展的要求。在必須選用堿活性集料的前提下，通過對堿性活性的判定預防和抑制堿集料反應破壞，給出了相應的建議。為國家實現了新技術創新，推進此類技術工藝的廣泛應用。

1.3國外對堿骨料反應的研究較為重視

1940年，美國的Stanton最先證明堿骨料反應會對混凝土路面造成破壞，致使橋梁護墻部分開裂。此后，全球各地陸續出現因堿骨料反應導致工程被破壞的案例。調查顯示，美國超過一半州的工程遭受堿骨料破壞[1]。機場路面由于使用新型化冰鹽導致的堿骨料反應破壞成為新的突出問題。

在英國，1975年首次發現了因堿骨料反應造成的破壞，之后在其西南部也發現了許多建筑物遭受堿骨料反應的破壞。1986年，中國科學院院士唐明述考察加拿大康沃爾城的公路和人行道，發現它們因堿骨料反應而遭受了嚴重的膨脹開裂[1]

各國大力加強對堿骨料反應的研究，可以看出國外相當重視堿骨料反應抑制的研究。有效控制和預防堿骨料反應，能提高建筑物和基礎設施的耐用性，降低長期維修費用，并增強了基礎設施的整體可持續性。這對于資源節約和環境保護也有積極作用。

2堿骨料反應對混凝土結構的破壞

2.1 堿骨料反應概述

堿骨料反應（Alkali-AggregateReaction，AAR），指的是混凝土中的堿（ 'K₂0Ω，Na₂0 ）與燧石、安山巖、蛋白石等活性骨料之間發生的化學反應。水泥中超過 95% 的主要成分是 C a O "、 A l 2O" 3"、 F e 2 O 3以及SiO₂ ，還有少量其他氧化物。這些氧化物主要是因為在生產流程中反應不夠徹底而殘留，它們的成分及含量與水泥生產所用的原材料以及工藝水平密切相關。 Na₂O 經過水化作用會生成 NaOH，K₂O 水化之后則會產生 KOH 。而 ΔNaOH 和 K₂O 是強堿，能與活性比它們弱的元素發生置換反應。

2.2 堿骨料反應的種類

1940年，Stanton通過大量的試驗和現場考察證實，在部分工程里只有高堿水泥和活性集料配合才能產生破壞作用，堿骨料反應概念由此提出，當時堿骨料反應僅指堿-硅酸反應這一類型。堿-碳酸鹽反應和堿-硅酸鹽反應的概念直到世紀中葉才被提出。不過，多數人始終覺得堿-硅酸鹽反應即為堿-硅酸反應。故而截至現今，絕大多數人認為堿骨料反應分為兩類：堿-硅酸反應（ASR）和堿-碳酸鹽反應（ACR）。

2.3 堿骨料反應機理

堿-硅酸反應（ASR）是一種發生在水泥混凝土中的化學反應，主要發生于含活性硅的骨料與堿性溶液之間。該反應生成堿-硅凝膠，此凝膠具有吸水膨脹的特性，膨脹體積遠超初始體積，并由此產生內部應力，最終導致混凝土出現裂縫。

堿-硅酸鹽反應（ASR）是一種混凝土結構的劣化現象，其發生機制是水泥中的堿金屬離子與集料中的活性硅酸鹽發生化學反應。ASR反應最早在1965年被加拿大地質學家Gillot發現，其研究揭示了ASR反應的本質，在研究過程中還發現了諸多顯著特點：（1）形成膨脹的巖石為粘土質巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物。這些礦物的特殊結構和成分使得它們在與堿發生反應時，容易引發混凝土的膨脹現象。（2）堿-硅酸反應往往在較短時間內就能表現出較為明顯的膨脹效應，而堿-硅酸鹽反應則是一個相對漫長的過程。（3）堿-硅酸鹽混凝土內部，能夠引發明顯膨脹反應的關鍵節點相對較少，但一旦出現，仍可能對混凝土的整體結構穩定性造成嚴重破壞。（4）與堿-硅酸反應相比較，堿-硅酸鹽反應在膨脹過程中析出的堿硅膠量過少。

簡單來說，堿-碳酸鹽反應（ACR）就是混凝土里的堿性物質和石頭里的碳酸鹽物質互相作用，發生化學反應。研究表明，聚集體中的粘土含量占總質量的 5%～20% ，且被粘土外的 CaMg（CO₃）₂ 所包裹。在發生脫鈣反應后，內部粘土暴露，水分滲入粘土中并使其膨脹。這種反應會導致碳酸鹽巖膨脹，最終造成混凝土開裂。值得注意的是，在這些開裂的混凝土中并未發現通常出現的凝膠。

2.4 堿骨料反應的條件

反應環境需具有較高濃度的堿性。配制混凝土時的堿，由混凝土中各類材料的堿含量共同構成，其取決于原材料的堿含量以及在混凝土中的使用量。在制作混凝土時，要特別注意水泥的堿性，它的堿含量直接影響了整個混凝土的堿性。當然，除了水泥以外，像摻合料、外加劑和拌和水也會帶來一些堿。

堿活性骨料在骨料總量中所占的比例需要大于 1% 。已經查明的堿活性骨料包括含有活性 SiO₂ 的骨料、加拿大的Kingston黏土質白云石質石灰石以及層狀硅酸鹽質骨料。另外，環境必須具有一定濕度或者直接與水接觸。當環境濕度低于 75% 時，一般不會產生堿骨料反應。

3抑制堿骨料反應破壞的措施

3.1對檢測骨料堿活性進行適用性評價

3.1.1快速砂漿棒法

快速砂漿棒法是在1986年由南非建筑研究所提出。自誕生以來，因其在檢測骨料堿活性方面展現出了一定的優勢，很快便引起了廣泛的關注和應用。之后眾多國家普遍紛紛采用這種方法。在不同國家的實踐應用中：為檢測骨料堿活性，通常使用一種方法，即使用 25mm 長 ，25mm 寬 ，285mm 高的試件進行測試。成型之后，連同模具一同放置于溫度（20±3）% 、相對濕度 95% 以上的養護室或者養護箱當中，養護 （24±2）h 后脫模操作，隨即在養護室測量試件的初始讀數。測量結束后，把試件置于恒溫水浴箱中 24h 。取出后，將試件的兩端以及表面擦干，盡快測量其基準長度。在測量基準長度之后，進行3、7、14d的3次觀測。若膨脹率小于 0.1% ，則判定為非活性骨料；若膨脹率大于 0.2% ，則認定為活性骨料；若膨脹率處于 0.1%～0.2% 之間，則視為潛在活性骨料。

3.1.2混凝土棱柱體法

混凝土棱柱體法是一種用于判斷混凝土在高溫潮濕的環境下會不會膨脹變形的測試方法。這種方法主要用來檢測兩種情況：一是堿-硅酸反應，二是堿-碳酸鹽反應。在實驗中，使用的材料塊尺寸為長 75mm 寬 75mm 高 275mm 。材料從模具里取出來后，馬上測量它的長度（即為基準長度）。完成測量后，將試件放置于養護筒內。隨后把養護筒放進溫度為（ 38±2）9（ 的養護設備中進行養護。從測定基準長度的時刻開始計算，測量的齡期設定為1、2、4、8、13、18、26、39周以及1年，在此之后，可以每半年對試件的膨脹率進行一次測量。標準為：如果這種骨料在半年內體積膨脹超過 3% ，三個月內膨脹超過 2% ，或者一年內膨脹超過 4% ，就可以認定它是一種活性骨料。

3.2 抑制堿骨料反應測驗

工程中，大量使用摻合料，常使用粉煤灰、火山灰、硅粉等，讓水泥建筑更結實、更耐用，不容易漏水，也不容易被凍壞。

以快速砂槳棒法來進行堿骨料反應有效抑制的試驗。摻和料或外加劑選用工程實際所用的類型，如粉煤灰、火山灰、粒化高爐礦渣粉、硅粉、其他摻和料或外加劑等。膠凝材料與砂的質量比為1.00：2.25，水膠比為0.47，膠凝材料用量 400g ，砂900g。每次試驗兩組，一組標準試件的膠凝材料全為水泥，另一組對比試件加摻合料、外加劑。測量齡期為3、7、14、28d（從測基長后算起）。若 28d 齡期對比試件膨脹率小于 0.01% ，則該摻量下材料對該種骨料的堿骨料反應危害抑制效果評定為有效。

3.3針對建筑材料堿骨料反應破壞的解決辦法

在混凝土建筑工程選擇材料時，可以優先選用非堿活性骨料。在勘察場地和選擇材料時，應當對制作骨料的巖石或骨料進行活性檢測；鹽漬土、海水和受除冰鹽作用等含堿環境中的堿活性骨料不得采用；與此同時，具有堿碳酸鹽反應活性的骨料也不得用于凝土的配置。

因為只有在空氣濕度特別高（超過 80% ）或者直接接觸到水的情況下，AAR才會發生破壞，因此最關鍵的防治方法是切斷水源。除了高溫、高濕環境，堿骨料反應也會受到環境的影響。如果環境過于潮濕和悶熱，反應速度會加快。所以，盡量讓堿骨料遠離這種環境較好。

摻合料的應用也是方法之一，其在減緩和抑制混凝土堿骨料反應方面具有顯著效果。大量來自世界各國的試驗數據表明，摻入硅灰能夠有效抑制堿骨料反應。除了硅灰外，粉煤灰也是一種很有效的預防方法。粉煤灰可以有效地抑制堿骨料反應。有趣的是，即使粉煤灰中含有一定量的堿，只要使用量不超過水泥的 30% ，也能起到很好的預防效果。這說明，即使含堿量高，只要控制好用量，粉煤灰也能很好地防正堿骨料反應。

4結論

探討了堿骨料反應的類型、機理以及骨料堿活性的適用性評價方法，得出以下結論：

（1）堿骨料發生反應需要混凝土具有一定濃度的堿；

（2）混凝土棱柱法比快速砂漿棒法在骨料活性檢測中更加可靠，但混凝土棱柱法需要耗費更長的時間周期;

（3）摻合料廣泛采用粉煤灰、火山灰、硅粉等。

參考文獻：

[1］IRSHAD M，VALGE A.Mass transit concrete infrastructure developments：washington metro[J]. ConcreteInternational，1993，15（2）：36-39.