1、碱硅酸反应的抑制机理及现状研究【关键词】现状,研究,机理,抑制,硅酸,反应,碱,碱-碳酸盐反应则是水泥中的碱与粗集料中的白云石之间在水的作用下反应，体积膨胀，使混凝土开裂。其反应式为：据研究，我空军机场在 70 年代中期以后，陆续发现道面水泥混凝土因非荷载作用的混凝土自身损坏，根据调查，发现这些机场道面板出现损坏的密度和轻重程度有很大差别。个别机场，有三分之一的道面板出现这类损坏，其中严重的为板块大面积出现较宽的裂缝，有的表层砂浆剥落、混凝土酥松，急需进行修补。例如，某军用机场在 1967 年进行了扩建，对原沥青混凝土道面盖被 1500m，交付使用后仅 3 年，发现数块混凝土道面板局部出现微细
2、裂缝，并向两边扩展。到 1992 年统计道面已被严重腐蚀 575 块，占道面板总数的 8.73 % ,严重影响了机场跑道的使用性能。其碱-集料反应的外观特征是:最初在道面表层出现黄色的水迹，继而在水迹范围内产生裂缝，裂缝逐渐扩展;在雨后晴天或早晨从裂缝中析出白霜物质;对较宽的裂缝，沿裂缝常有黑褐色的渗出物印迹，并微微突起 1-2mm。裂缝形状有树枝状的、地图状的或其他形状的，严重的表层砂浆剥落。这是多因素共同作用的结果。从地理位置上看，这些机场均位于长江以北的我国三北地区。到目前为止，碱集料反应仍然不同程度的危害机场水泥道面。因此，研究如何抑制碱硅酸反应是十分必要也是不可松懈的。2、正文2.1
3、 相关概念1.石灰：是由石灰石、白云石等原料，经 900-1100煅烧而成的以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。石灰是硅酸盐制品的主要原料之一，常与硅质材料（粉煤灰、火山灰、矿渣等）搭配使用。其内部的胶凝物质主要是水化硅酸钙。2.粉煤灰：是从煤燃烧后的烟气中收铺下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：等。粉煤灰是一种似火山灰质混合材料，在混凝土中掺加粉煤灰代替部分水泥或细骨料，不仅能降低成本而且能提高混凝土的和易性，提高不透水性、气性抗硫酸盐性能和耐化学侵蚀性能，降低水化热，改善混凝土的耐高温性，减轻颗粒分离和析水现象，减少混凝土的收缩和开裂。3.矿渣
4、：经提炼后的矿石残余物为矿渣。矿渣经磨细后，是水泥的活性混合材料。4.火山灰：火山灰是指由火山喷发出直径小于 1-2mm 的矿物质粒子。在常温有水的情况下可与石灰反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物。因此磨细后可用作水泥的混合材料及混凝土的掺合料。2.2.国外碱硅酸研究现状目前，国外在研究 GRC（玻璃纤维增强型混凝土）领域处于领先地位，主要是采用抗碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥，以减少碱硅酸反应给机场水泥道面混凝土造成的影响。在美国、日本、德国等碱硅酸反应严重的地区，一般采用低碱水泥作为预防碱硅酸反应的重要措施。Sims 和 Nixon 通过大量实验发现，在碱集料破坏事例中，有众多ASR 与 A
5、CR 同时引起破坏的现象。经研究，在碱碳酸盐反应中含有微晶石英，因此，碱硅酸反应也起作用。研究表明，氯盐能促进 ASR 反应。一般认为是 NaCl 与氢氧化钠作用形成 。但研究显示，NaCl 对 ASR 的促进作用比等摩尔浓度的 NaOH 更高。Shayan 研究认为，NaCl 和水泥反应增大了 OH-的浓度，且生成的Friedel 氏盐填充在 ASR 引发的裂纹中，从而增大膨胀；但 Kawamura 等发现这一反应仅导致少量的 OH-浓度增加，Arya 也认为硬化水泥中大部分已与硫酸盐反应，进一步与 NaCl 反应 OH-形成必然很少，形成的Friedel 氏盐也很有限。2.3.国内碱硅酸研
6、究现状国内研究成果表明：军用机场道面混凝土通常采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，三北地区生产的这类水泥含碱量一般较高；军用机场道面混凝土的水泥用量一般都在 300kg/m 3 以上，且经常处在地面的潮湿环境中，因而发生碱集料反应的可能性较大，采取预防措施尤为必要。中国工程院、南京工业大学等经过多年的研究，取得了一系列成果，如矿物混合材、自制高效锂盐抑制剂、纤维材料等碱集料反应的抑制作用，探明了各种材料的抑制机理，提出了低 Ca/Si 比的 C-S-H 凝胶控制碱集料反应的抑制理论，Li-S-H 凝胶控制碱集料反应的抑制理论，及纤维通过形成三维网络结构而抑制膨胀的抑制理论。并且提出了偏高岭土、锂盐
7、抑制剂、聚丙烯纤维等复合抑制材料加入到新拌混凝土中，可以有效抑制碱集料反应，大大延长道面混凝土的寿命。南京工业大学在该领域做了卓有成效的研究工作，并建立了国家活性集料检测中心。由中国建筑材料研究院牵头的国家“九五”科技攻关项目重点工程混凝土耐久性研究与工程应用中针对混凝土碱集料反应危害列有专门子课题进行研究，并取得成果如“混凝土碱集料反应安全性专家系统”等。2007 年天津市颁布修订后的强制性标准预防混凝土碱集料反应技术规程 。严章荣采用砂浆棒法和砂浆柱法进行抑制对比试验，首先通过在低活性、中活性和高活性三种系列骨料中分别掺入 DZ-4 及粉煤灰、掺入矿渣等量代替水泥成型试件后放在 80 lm
8、ol/L 的 NaOH 溶液中养护 28天，测试试件养护龄期内的膨胀率，并结合青藏铁路用小干沟砂对 DZ-4和粉煤灰的抑制效能进行检验;其次采用砂浆棒法分别掺入 DZ-4 及粉煤灰、掺入矿渣等量代替硫铝酸盐水泥，对三种活性骨料及青藏铁路用小干沟砂进行抑制效能试验，通过硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥试验结果对比，结合微观分析方法，探索研究 DZ-4 和粉煤灰、矿渣抑制碱硅酸反应的机理;最后进行了砂浆柱的抗压强度和抗折强度的试验，以分析两种抑制措施对砂浆或混凝土强度的影响。通过抑制有效性试验和强度试验，得出两种抑制措施的有效性和适用性，各种混合材只有在骨料一定活性范围内才能有效地抑制碱硅酸反应，DZ-4
9、 和粉煤灰对 ASR 的抑制是对化学反应过程的抑制和对产物结构的改善的综合作用，矿渣的抑制作用主要为降低砂浆或混凝土中的碱含量，掺入混合材后混凝土的强度没有降低，反而有一定程度的提高。王传波结合国内科研成果青藏铁路梁体混凝土掺合料抑制碱骨料反应有效性实验操作规程 ，采用快速砂浆棒法对矿渣、粉煤灰、硫铝酸盐水泥抑制碱硅酸反应机理进行研究，结合扫描电镜对样品进行微观分析，以观察不同试件反应产物的变化。经分析得出主要结论:砂浆棒法中宜采用降温至 20检测；矿渣和粉煤灰抑制碱硅酸反应的机理是因为消耗了大量的，同时反应生成了低 n(Ca)/n(Si)比的水化硅酸钙凝胶， “固定”了大量的碱，降低了与活性
10、反应的程度;硫铝酸盐水泥因其水化产物中缺乏而不易与活性骨料反应，可以与硅酸盐水泥一起混合或在特殊地区单独使用来预防碱硅酸反应。詹炳根采用不同浓度的 NaCl 和碱协同作用使混凝土产生碱硅酸反应（ASR） ，用 ESM 动态观察了凝胶的膨胀过程，用能谱仪测定了各种凝胶的组成，研究了凝胶组成与膨胀行为之间的关系。结果表明，氯盐的存在，使孔溶液中钙的浓度始终保持在较低的水平上，形成了膨胀性的低钙凝胶。凝胶的膨胀在某一湿度下突然增长，含有 NaCl 的凝胶，其膨胀开始的湿度较低，后随湿度的增加加剧了膨胀过程。王荃从混凝土的界面过渡区的组成和变化探讨了活性混合材抑制ASR 的作用机理。选取沸石化珍珠岩作
11、为骨料，掺入超细粉煤灰、硅灰和超细矿粉，同时外掺不同比例的 KOH 和 NaCl 成型混凝土试件。结果表明，超细粉煤灰和硅灰对界面区的结构和组成都有很好的改善，都使界面区的凝胶的 Ca/Si 明显降低，其中掺入 20%硅灰的试件的界面过渡区表现出来的各项性能最为优秀。而在潜在碱硅酸反应（ASR）的混凝土中掺入活化煤矸石，研究表明煤矸石对单一碱所引起的 ASR 以及因氯化与碱复合而引起的 ASR 损伤均有较好的抑制作用。王晓燕等研究了几种含铝物质对碱硅酸反应的抑制作用,结合XRD、SEM/EDS 分析其抑制机理。结果显示，烧铝矾土、对碱硅酸反应具有良好的抑制作用，掺加 30%烧铝矾土或 20%能
12、使碱硅酸膨胀反应下降到1%。孔德玉、方诚等对碱激发胶凝材料(其主要材料为具有一定急冷热历史的含铝硅酸盐煅烧天然矿物或工业废渣。如：偏高岭土、矿渣、粉煤灰、硅灰、钢渣等)及混凝土进行了研究，包括新拌混凝土拌合物和易性、硬化混凝土强度和抗化学侵蚀、碱集料反应、对混凝土的耐久性问题及硬化混凝土变形性能等，研究指出碱激发胶凝材料具有良好的抗化学侵蚀性能，不存在碱集料反应隐患。但是碱激发胶凝材料耐久性和体积稳定性还受到很多因素影响，且相关因素对力学性能、耐久性、变形性的性能并不能两全其美，如一定范围内含钙量增加及采用水玻璃激发剂可提高碱激发材料强度，但会导致耐久性和抗变形性能下降。3、结论大量实验和研究
13、证明: 目前，世界各国都在积极地寻找抑制碱硅酸反应的方法，既有外加剂法，如在混凝土中加锂盐抑制剂、聚丙烯纤维；也有混合材料法，采用低活性骨料，如掺入沸石珍珠岩等。这些对碱硅酸反应的抑制方法多种多样，并且都取得了一定的效果。其主要原理是在混凝土内部形成稳定的凝胶，降低碱化物的总量，抑制碱与集料中活性的反应。就目前的抑制碱硅酸反应技术之一的碱激发胶凝材料而言，笔者认为，要想安全、可靠的使用碱激发胶凝材料，必须对原材料热历史和含钙量，激发剂种类和用量，对碱激发工业废渣胶凝材料结构和性能的影响规律、机理及定量表征等，进行系统而深入的研究。参考文献:1姚燕,王玲等.中国高性能混凝土及混凝土耐久性的研究和
14、应用.混凝土工程耐久性研究和应用.2006.2孔德玉,张俊芝.碱激发胶凝材料及混凝土研究进展.硅酸盐学报,2009.3王玉江,王晓峰.含碱集料对碱硅酸反应的影响.硅酸盐学报,2008.4于洋,李国忠.硅灰及锂盐对碱集料反应抑制效果的研究.建筑材料学报,2008.5谢晓峰,陆华.浅谈水泥混凝土碱集料的危害和控制.中国西部科技,2010.6卢都有.国际混凝土碱集料反应研究动态.混凝土,2009.7徐文.粉煤灰对混凝土 AAR 有效碱的影响及机理.东南大学学报,2010.8曹万智,孙庆霞.轻骨料混凝土耐久性实验研究.中国建材科技,2008.9王晓峰,王玉江.碱性环境下长石的析碱机理.武汉理工大学学报,2008.10刘元江.浅谈如何提高混凝土的耐久性.中国科技财富,2008.11沈振岳,胡耀辉.对建筑物防水混凝土碱集料反应的监理.建筑技术,2009.12俞琛捷,莫祥银.锂离子在混凝土碱集料反应过程中的作用.东南大学学报,2009.13陈德鹏,钱春香.体积稳定性对混凝土耐久性的影响及控制.低温建筑技术,2009.14张立岩.高性能混凝土中碱骨料反应的抑制措施.砖瓦,2010.15王俊超,王立新.42.5 级低碱水泥的研制与生产.辽宁建材,2008.
