1、浅谈混凝土的碱活性及抑制方法的研究中图分类号：TU37 文献标识码： A 前言 所谓碱骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction,简称 AAR)是指混凝土原材料中的水泥、外加剂、掺合料和水中的碱（Na2O+0.658K2O）与骨料中的活性成分逐渐反应，其反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力，导致混凝土膨胀开裂损坏。混凝土的碱骨料反应是混凝土耐久性研究的重要课题之一。随着我国重点工程持续大规模发展预防 AAR反应破坏，延长工程的使用寿命已成为普遍关注的大事，需迫切解决的问题。而预防的关键是如何正确判断骨料的碱活性，如何采用有效技术措施防止混凝土工程遭受 AAR破坏。由于活性骨
2、料经搅拌后大体上呈均匀分布，所以一旦发生 AAR，混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂，发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。水资讯网 A G q f3T G!M m yW$L0鉴定骨料的碱活性和活性程度是预防工程混凝土发生碱骨料反应的重要程序，世界各国都很重视骨料活性的检测。比较常见的、被认为行之有效的检测骨料活性的方法有很多种。骨料是否具有活性的结论，对工程影响很大，因此需要通过专门的试验进行检验。 混凝土碱骨料反应发生的条件 混凝土工程发生碱骨料反应破坏必须具有三个条件:一是配制混凝土时由水泥、骨料、外加剂和拌合用水带进混凝土中一定数量的碱，或是混凝土处于碱渗入
3、的环境中；二是骨料中有相当数量的活性成分；三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。 这三个条件当中，第三个条件虽简单，但作用不可忽视。并不是外界水未大量进入混凝土内部就可确保不发生 AAR。混凝土内部与外界因为保持湿度平衡就可能有充分的水分，而这种可能足以达到反应的要求。第二个是碱的问题。在水泥中总碱量（R2O）的计算以当量 Na2o计,公式为 R2O%=Na2o%+0.658K2o%。国内外经验表明，总碱量在 0.6%以上的水泥（高碱水泥）容易引起 AAR，因此推荐使用总碱量在 0.6%以下的水泥（低碱水泥） 。但是实践中发现有时水泥含碱量在 0.6%以下时也发生了AAR的破坏，其原因在于混
4、凝土的其它组分，如外加剂、拌合水、掺合料等会引入碱，而且外界环境可能向通过扩散或对流动等各种物理化学方法向混凝土持续不断地提供碱，所以目前在各国的标准和具体实践中均对混凝土中的总碱量做了限制，一般认为小于 3kg/m3时比较安全。第三个问题是作为骨料的岩石的活性问题。骨料具有碱活性是发生 AAR的必要条件。因此，在对骨料进行选项以前，首先确定骨料是否具有碱活性。一般我们将骨料分为三类，即活性骨料、潜在碱活性或非活性骨料。如果骨料是碱活性骨料，则不能使用这类骨料；如果骨料具有潜在碱活性，则要有条件地使用，如限制混凝土中的碱含量、使用粉煤灰等外掺料、混凝土表面涂刷高分子涂料以堵塞水及碱的外部通道等
5、方法；而非碱活性骨料则可以相对自由地使用。 碱骨料反应机理 不同的活性骨料，其破坏机理也不同，一般按与碱反应的岩石类型，可将碱骨料反应划分为三种类型，即碱-硅酸反应、碱-碳酸盐反应、碱-硅酸盐反应。 碱硅酸反应 是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶，其反应式可归纳为：2NaOH+SiO2+nH2ONa2O.SiO2.NH2O 水资讯网 Y M)a k(U V r 水资讯网+BP+V Q V S ? u碱硅凝胶固体体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展、使混凝土内部膨胀应力增大，导致
6、混凝土开裂。发展严重的会使混凝土结构崩溃。 2、碱碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，ACR） 某些碱碳酸盐岩石，如微晶白云石，也可与水泥中的碱产生化学反应，将其中白云石(MgCO3)转化为水镁石 Mg(OH)2，并伴随体积膨胀。反应生成的 NaCO3又能与混凝土中的 Ca(OH)2反应，重新生成 NaOH，从而使碱和碳酸盐骨料的反应不断进行，体积不断膨胀，最后使混凝土破坏。其反应式可归纳为：CaCO3. MgCO3+2NaOHMg(OH)2+ CaCO3+ Na2CO3 Na2CO3+ Ca(OH)2CaCO3+ 2NaOH 反应产物 NaOH又可以与白云石反应，
7、直到白云石全部消失。因此这类碱骨料反应也称为脱白云石反应。 3、碱硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction，ASR） w*P T V)g J V0碱硅酸盐反应是指混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间间距增大，骨料发生膨胀，致使混凝土膨胀开裂。 混凝土骨料碱活性检验方法 我国混凝土工程使用骨料种类很多，其中有许多为硅质骨料或含硅质矿物的其他骨料，另一类为碳酸盐骨料。建立一种科学、快速和简单的碱活性检测方法，尽早确定某种骨料是否具有碱活性，这对我国混凝土工程防止碱骨料反应破坏，具有十分重要意义。 我国现行有效的一些混凝土碱活性骨料检测方面的标准、规
8、范主要有以下这些：普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准JGJ52-2006、 建设用砂GB/T14684-2011、 建设用卵石、碎石GB/T14685-2011、 水工混凝土试验规程SL352-2006、 水工混凝土砂石骨料试验规程DL/T5151-2001、 铁路混凝土用骨料碱活性试验方法 砂浆棒法TB/T2922.3-1998、 铁路混凝土用骨料碱活性试验方法 岩石柱法TB/T2922.4-1998、 铁路混凝土用骨料碱活性试验方法 快速砂浆棒TB/T2922.5-2002、 砂、石碱活性快速鉴定方法CECS48：93、 混凝土碱活性限制标准CECS53：93。 鉴定骨料碱活性的标准和方
9、法很多，但综合几十年来国际上行之有效的骨料碱活性检测方法，主要可分为三类：1、岩相法：对骨料的微观结构进行分析；2、化学法：对骨料的活性成分进行分析；3、测长法：考察骨料和碱作用的膨胀量。现分别介绍如下： 岩相法：传统岩相法是通过肉眼观察和光学显微镜鉴定骨料的岩石种类、矿物组成、结晶程度及各组分含量，以此来判断碱活性。今年发展到借助扫描电镜、X 射线衍射分析、热分析、红外线光谱分析等测试手段。该方法的优点是速度快，可直接观察到骨料中的活性组分；缺点是得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系，且试验人员要经过相当时间的训练和经验积累。 化学法：该方法的原理是，取一定量规定粒度范围的骨料和一定的 Na
10、OH溶液反应，在规定条件下测定溶出的 SiO2浓度（mol/L）及溶液的碱度降低值 R（mol/L） ，依此判断骨料是否具有碱活性。化学法是在AAR研究早期提出的，主要是和砂浆棒法配合使用，是国际上公认的传统方法。该方法能够成功鉴定高碱条件下快速膨胀的 ，但是不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的众多慢膨胀骨料。该方法的另一个缺点是存在非 SiO2物质，如碳酸盐、石膏、黏土等的干扰，这些干扰常常造成根本性的错误。因此，化学法的使用受到了一些限制。 砂浆长度法：本试验用于测定水泥砂浆试件的长度变化，以鉴定水泥中碱与活性骨料间反应所引起的膨胀是否具有潜在危害。本试验方法适用于碱骨料反应较快的碱-硅
11、酸盐反应和碱-硅酸反应，不适用于碱-碳酸盐反应。 岩石柱法：该方法适用于检验碳酸盐类岩石骨料，其原理是将一定尺寸的岩石小圆柱体持续地浸泡在 NaOH溶液中，定期测定每个圆柱体的长度变化，依据圆柱体在 3个月的膨胀率评定其所代表的骨料的碱活性。 快速砂浆棒法：本试验用于测定骨料在砂浆中的潜在有害的碱-硅酸反应，适用于检验反应缓慢或其在后期才产生的膨胀的骨料。如微晶石英、变形石英及玉髓等。 碳酸盐骨料碱活性检验：本试验用于在规定条件下，测量碳酸盐骨料试件在碱溶液中产生的长度变化，以鉴定其作为混凝土骨料是否具有碱活性。本试验适用于碳酸盐岩石的研究与料场初选。 棱柱体试验方法：本试验用于评定混凝土试件
12、在温度 38及潮湿条件养护下，水泥中的碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。 抑制骨料碱活性效能试验：本试验以高活性的石英玻璃砂与高碱水泥制成的砂浆试件（即标准试件） ，与掺有抑制材料的砂浆试件（即对比试件）进行同一龄期膨胀率比较，以衡量抑制材料的抑制效能。如骨料通过试验被评为有害活性骨料，而低碱水泥又难以取得时，也可用这种方法选择合适的水泥品种、掺合料、外加剂品种及掺量。 AAR 的抑制措施 1、控制水泥和混凝土中的碱含量。采用低碱水泥。一般情况下，水泥中碱含量低于 0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受，已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。混凝土中碱的来源不仅是从水
13、泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从骨料（例如海沙）中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。 2、使用非活性骨料。对骨料选择使用如果混凝土含碱量低于3kg/m3，可以不做骨料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于 3kg/m3，则应对骨料进行活性检测，如经检测为活性骨料，则不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定的比例混合使用。 3、使用矿物混合材。掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。通过试验研究证明，矿物混合材的加入可以降低体系中水化产物的 Ca/Si比，而低 Ca/Si比的水化产物具有较强吸附碱离子的能力
14、，降低了碱对活性骨料的侵蚀作用，从而起到抑制和减缓碱骨料反应的作用。掺 10%以上的硅灰可以有效有效的抑制碱骨料反应；掺 25%35%的粉煤灰也可以有效有效的抑制碱骨料反应；掺入适量的锂渣试件的膨胀值可大幅度降低也可以有效的抑制碱骨料反应；另外常用的抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于 50%才能有效地抑制碱骨料反应对工程的损害；此外对抑制 AAR的有益的掺合料还有：偏高岭土、硅藻土、沸石粉等。 4、掺用低碱化学外加剂。目前，大量研究并较常用的化学外加剂为锂盐，锂盐对 AAR抑制效果最好的是 LiOH、LiF、Li2CO3.其他化学外加剂还有：钙盐、钡盐、碳水化合物等。掺用引起外加剂也可以缓解 AAR的膨胀压力。 5、控制湿度，隔绝随和湿空气的来源如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。 6、隔离混凝土内外之间的物质交换。 结语 由于 AAR普遍且处理难度较大，只能以预防为主，为防止 AAR的危害，深入进行 AAR总结研究就显得尤为必要。使用非活性骨料对防止 AAR而言是最安全可靠的措施，而加强骨料碱活性检测是预防 AAR的关键。碱-骨料反应具有很长的潜伏期，甚至可达 30-50年因此尽早确定某种岩石是否具有碱活性具有非常重要的意义。如何正确、科学地检测骨料碱活性是关键。
