堿骨料反應(yīng)對(duì)建筑材料性能的影響分析

1解決堿骨料反應(yīng)破壞的必要性

1.1 抑制和預(yù)防堿骨料反應(yīng)的實(shí)用性

近年來(lái)，隨著各地工程建設(shè)的不斷擴(kuò)大以及對(duì)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(huì)發(fā)生膨脹和開裂，引起安全問(wèn)題，甚至?xí){工人生命安全。另外，混凝土結(jié)構(gòu)維修和修復(fù)的成本也很高，若頻繁進(jìn)行加固，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2符合國(guó)家對(duì)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求

目前，我國(guó)已有部分基礎(chǔ)設(shè)施工程發(fā)現(xiàn)了堿骨料反應(yīng)破壞，如三元橋立交橋、八里臺(tái)立交橋以及多地機(jī)場(chǎng)跑道，損失不容小。因此，預(yù)防和抑制堿骨料反應(yīng)是重大工程建設(shè)的重中之重。緩解堿骨料反應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，正契合國(guó)家對(duì)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。在必須選用堿活性集料的前提下，通過(guò)對(duì)堿性活性的判定預(yù)防和抑制堿集料反應(yīng)破壞，給出了相應(yīng)的建議。為國(guó)家實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)此類技術(shù)工藝的廣泛應(yīng)用。

1.3國(guó)外對(duì)堿骨料反應(yīng)的研究較為重視

1940年，美國(guó)的Stanton最先證明堿骨料反應(yīng)會(huì)對(duì)混凝土路面造成破壞，致使橋梁護(hù)墻部分開裂。此后，全球各地陸續(xù)出現(xiàn)因堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致工程被破壞的案例。調(diào)查顯示，美國(guó)超過(guò)一半州的工程遭受堿骨料破壞[1]。機(jī)場(chǎng)路面由于使用新型化冰鹽導(dǎo)致的堿骨料反應(yīng)破壞成為新的突出問(wèn)題。

在英國(guó)，1975年首次發(fā)現(xiàn)了因堿骨料反應(yīng)造成的破壞，之后在其西南部也發(fā)現(xiàn)了許多建筑物遭受堿骨料反應(yīng)的破壞。1986年，中國(guó)科學(xué)院院士唐明述考察加拿大康沃爾城的公路和人行道，發(fā)現(xiàn)它們因堿骨料反應(yīng)而遭受了嚴(yán)重的膨脹開裂[1]

各國(guó)大力加強(qiáng)對(duì)堿骨料反應(yīng)的研究，可以看出國(guó)外相當(dāng)重視堿骨料反應(yīng)抑制的研究。有效控制和預(yù)防堿骨料反應(yīng)，能提高建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的耐用性，降低長(zhǎng)期維修費(fèi)用，并增強(qiáng)了基礎(chǔ)設(shè)施的整體可持續(xù)性。這對(duì)于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)也有積極作用。

2堿骨料反應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞

2.1 堿骨料反應(yīng)概述

堿骨料反應(yīng)（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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。水泥中超過(guò) 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?yàn)樵谏a(chǎn)流程中反應(yīng)不夠徹底而殘留，它們的成分及含量與水泥生產(chǎn)所用的原材料以及工藝水平密切相關(guān)。 Na₂O 經(jīng)過(guò)水化作用會(huì)生成 NaOH，K₂O 水化之后則會(huì)產(chǎn)生 KOH 。而 ΔNaOH 和 K₂O 是強(qiáng)堿，能與活性比它們?nèi)醯脑匕l(fā)生置換反應(yīng)。

2.2 堿骨料反應(yīng)的種類

1940年，Stanton通過(guò)大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)考察證實(shí)，在部分工程里只有高堿水泥和活性集料配合才能產(chǎn)生破壞作用，堿骨料反應(yīng)概念由此提出，當(dāng)時(shí)堿骨料反應(yīng)僅指堿-硅酸反應(yīng)這一類型。堿-碳酸鹽反應(yīng)和堿-硅酸鹽反應(yīng)的概念直到世紀(jì)中葉才被提出。不過(guò)，多數(shù)人始終覺得堿-硅酸鹽反應(yīng)即為堿-硅酸反應(yīng)。故而截至現(xiàn)今，絕大多數(shù)人認(rèn)為堿骨料反應(yīng)分為兩類：堿-硅酸反應(yīng)（ASR）和堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）。

2.3 堿骨料反應(yīng)機(jī)理

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

堿-硅酸鹽反應(yīng)（ASR）是一種混凝土結(jié)構(gòu)的劣化現(xiàn)象，其發(fā)生機(jī)制是水泥中的堿金屬離子與集料中的活性硅酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。ASR反應(yīng)最早在1965年被加拿大地質(zhì)學(xué)家Gillot發(fā)現(xiàn)，其研究揭示了ASR反應(yīng)的本質(zhì)，在研究過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了諸多顯著特點(diǎn)：（1）形成膨脹的巖石為粘土質(zhì)巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物。這些礦物的特殊結(jié)構(gòu)和成分使得它們?cè)谂c堿發(fā)生反應(yīng)時(shí)，容易引發(fā)混凝土的膨脹現(xiàn)象。（2）堿-硅酸反應(yīng)往往在較短時(shí)間內(nèi)就能表現(xiàn)出較為明顯的膨脹效應(yīng)，而堿-硅酸鹽反應(yīng)則是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程。（3）堿-硅酸鹽混凝土內(nèi)部，能夠引發(fā)明顯膨脹反應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，但一旦出現(xiàn)，仍可能對(duì)混凝土的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞。（4）與堿-硅酸反應(yīng)相比較，堿-硅酸鹽反應(yīng)在膨脹過(guò)程中析出的堿硅膠量過(guò)少。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）就是混凝土里的堿性物質(zhì)和石頭里的碳酸鹽物質(zhì)互相作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。研究表明，聚集體中的粘土含量占總質(zhì)量的 5%～20% ，且被粘土外的 CaMg（CO₃）₂ 所包裹。在發(fā)生脫鈣反應(yīng)后，內(nèi)部粘土暴露，水分滲入粘土中并使其膨脹。這種反應(yīng)會(huì)導(dǎo)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(fā)現(xiàn)通常出現(xiàn)的凝膠。

2.4 堿骨料反應(yīng)的條件

反應(yīng)環(huán)境需具有較高濃度的堿性。配制混凝土?xí)r的堿，由混凝土中各類材料的堿含量共同構(gòu)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?xí)r，要特別注意水泥的堿性，它的堿含量直接影響了整個(gè)混凝土的堿性。當(dāng)然，除了水泥以外，像摻合料、外加劑和拌和水也會(huì)帶來(lái)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(jīng)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(zhì)白云石質(zhì)石灰石以及層狀硅酸鹽質(zhì)骨料。另外，環(huán)境必須具有一定濕度或者直接與水接觸。當(dāng)環(huán)境濕度低于 75% 時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生堿骨料反應(yīng)。

3抑制堿骨料反應(yīng)破壞的措施

3.1對(duì)檢測(cè)骨料堿活性進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)

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(lái)，因其在檢測(cè)骨料堿活性方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，很快便引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。之后眾多國(guó)家普遍紛紛采用這種方法。在不同國(guó)家的實(shí)踐應(yīng)用中：為檢測(cè)骨料堿活性，通常使用一種方法，即使用 25mm 長(zhǎng) ，25mm 寬 ，285mm 高的試件進(jìn)行測(cè)試。成型之后，連同模具一同放置于溫度（20±3）% 、相對(duì)濕度 95% 以上的養(yǎng)護(hù)室或者養(yǎng)護(hù)箱當(dāng)中，養(yǎng)護(hù) （24±2）h 后脫模操作，隨即在養(yǎng)護(hù)室測(cè)量試件的初始讀數(shù)。測(cè)量結(jié)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(cè)量其基準(zhǔn)長(zhǎng)度。在測(cè)量基準(zhǔn)長(zhǎng)度之后，進(jìn)行3、7、14d的3次觀測(cè)。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(rèn)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(huán)境下會(huì)不會(huì)膨脹變形的測(cè)試方法。這種方法主要用來(lái)檢測(cè)兩種情況：一是堿-硅酸反應(yīng)，二是堿-碳酸鹽反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，使用的材料塊尺寸為長(zhǎng) 75mm 寬 75mm 高 275mm 。材料從模具里取出來(lái)后，馬上測(cè)量它的長(zhǎng)度（即為基準(zhǔn)長(zhǎng)度）。完成測(cè)量后，將試件放置于養(yǎng)護(hù)筒內(nèi)。隨后把養(yǎng)護(hù)筒放進(jìn)溫度為（ 38±2）9（ 的養(yǎng)護(hù)設(shè)備中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。從測(cè)定基準(zhǔn)長(zhǎng)度的時(shí)刻開始計(jì)算，測(cè)量的齡期設(shè)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(duì)試件的膨脹率進(jìn)行一次測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)為：如果這種骨料在半年內(nèi)體積膨脹超過(guò) 3% ，三個(gè)月內(nèi)膨脹超過(guò) 2% ，或者一年內(nèi)膨脹超過(guò) 4% ，就可以認(rèn)定它是一種活性骨料。

3.2 抑制堿骨料反應(yīng)測(cè)驗(yàn)

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(jié)實(shí)、更耐用，不容易漏水，也不容易被凍壞。

以快速砂槳棒法來(lái)進(jìn)行堿骨料反應(yīng)有效抑制的試驗(yàn)。摻和料或外加劑選用工程實(shí)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(zhì)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(yàn)兩組，一組標(biāo)準(zhǔn)試件的膠凝材料全為水泥，另一組對(duì)比試件加摻合料、外加劑。測(cè)量齡期為3、7、14、28d（從測(cè)基長(zhǎng)后算起）。若 28d 齡期對(duì)比試件膨脹率小于 0.01% ，則該摻量下材料對(duì)該種骨料的堿骨料反應(yīng)危害抑制效果評(píng)定為有效。

3.3針對(duì)建筑材料堿骨料反應(yīng)破壞的解決辦法

在混凝土建筑工程選擇材料時(shí)，可以優(yōu)先選用非堿活性骨料。在勘察場(chǎng)地和選擇材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)制作骨料的巖石或骨料進(jìn)行活性檢測(cè)；鹽漬土、海水和受除冰鹽作用等含堿環(huán)境中的堿活性骨料不得采用；與此同時(shí)，具有堿碳酸鹽反應(yīng)活性的骨料也不得用于凝土的配置。

因?yàn)橹挥性诳諝鉂穸忍貏e高（超過(guò) 80% ）或者直接接觸到水的情況下，AAR才會(huì)發(fā)生破壞，因此最關(guān)鍵的防治方法是切斷水源。除了高溫、高濕環(huán)境，堿骨料反應(yīng)也會(huì)受到環(huán)境的影響。如果環(huán)境過(guò)于潮濕和悶熱，反應(yīng)速度會(huì)加快。所以，盡量讓堿骨料遠(yuǎn)離這種環(huán)境較好。

摻合料的應(yīng)用也是方法之一，其在減緩和抑制混凝土堿骨料反應(yīng)方面具有顯著效果。大量來(lái)自世界各國(guó)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，摻入硅灰能夠有效抑制堿骨料反應(yīng)。除了硅灰外，粉煤灰也是一種很有效的預(yù)防方法。粉煤灰可以有效地抑制堿骨料反應(yīng)。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(guò)水泥的 30% ，也能起到很好的預(yù)防效果。這說(shuō)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(yīng)。

4結(jié)論

探討了堿骨料反應(yīng)的類型、機(jī)理以及骨料堿活性的適用性評(píng)價(jià)方法，得出以下結(jié)論：

（1）堿骨料發(fā)生反應(yīng)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(cè)中更加可靠，但混凝土棱柱法需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間周期;

（3）摻合料廣泛采用粉煤灰、火山灰、硅粉等。

參考文獻(xiàn)：

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