孫 璘，孫汝岳

(1.黑龍江省水利四處工程有限責(zé)任公司，黑龍江牡丹江157000;2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 引言

大量調(diào)查結(jié)果表明，混凝土因發(fā)生堿集料反應(yīng)而嚴(yán)重破壞的工程實(shí)例大多是與鋼筋銹蝕、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)等因素共同作用的結(jié)果。在英國(guó)的Dinas大壩，通過(guò)芯樣巖相分析發(fā)現(xiàn)，在0～100 mm的深度上，明顯有平行于表面的裂紋，并隨著深度而減少，這是典型的凍融破壞的特征，同時(shí)裂縫里和集料周圍有凝膠存在。而在370～470 mm的深度上，有大量嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象，在裂縫里和集料周圍也發(fā)現(xiàn)有凝膠存在，從現(xiàn)象上無(wú)法確定是堿集料反應(yīng)還是凍融對(duì)混凝土造成的破壞更占優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)表明東北遼寧省的大黑汀水庫(kù)混凝土表面剝落和開(kāi)裂是凍融循環(huán)作用的結(jié)果，可是通過(guò)掃描電鏡分析不僅有堿硅凝膠生成，并伴有開(kāi)裂，所以其破壞是凍融循環(huán)和堿集料反應(yīng)共同作用的結(jié)果。

混凝土堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿和環(huán)境中可能滲入的堿與混凝土集料(砂石)中的堿活性礦物成分，在混凝土固化后緩慢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠凝物質(zhì)因吸收水分后發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致混凝土從內(nèi)向外延伸開(kāi)裂和損毀的現(xiàn)象［1］。裂縫寬度達(dá)數(shù)毫米，有的高達(dá)5 cm。在全球范圍內(nèi)由堿集料反應(yīng)造成的損失可謂觸目驚心。它是引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一，被稱為混凝土建筑“癌癥”。據(jù)該領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)者— —來(lái)自加拿大LAVAL大學(xué)的BERUBE教授介紹，在國(guó)外由于堿集料反應(yīng)引起的建筑毀壞實(shí)例眾多，僅加拿大魁北克省140座大壩中就有30座因發(fā)生堿集料反應(yīng)而引起損壞。

2 堿骨料反應(yīng)的分類和機(jī)理

2.1 堿硅酸反應(yīng)

水泥中的堿與骨料中的活性SiO2成分反應(yīng)產(chǎn)生堿硅酸鹽凝膠或稱堿硅凝膠，堿硅凝膠固相體積大于反應(yīng)前的體積，富有強(qiáng)烈的吸水性，吸水后膨脹引起混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力，而且堿硅凝膠吸水后進(jìn)一步促進(jìn)堿集料反應(yīng)的發(fā)展，使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。發(fā)展嚴(yán)重的會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)崩潰。能與堿發(fā)生反應(yīng)的活性氧化硅礦物有蛋白石、玉髓、鱗石英、方英石、火山玻璃及結(jié)構(gòu)有缺欠的石英以及微晶、隱晶石英等，而這些活性礦物廣泛存在于多種巖石中，如安山巖、流紋巖等。迄今為止，世界各國(guó)發(fā)生的堿集料反應(yīng)絕大多數(shù)為堿硅酸反應(yīng)。

堿集料反應(yīng)是混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液(KOH、NaOH)之間發(fā)生的反應(yīng)。促使這類反應(yīng)發(fā)生必須具備3個(gè)條件，即在混凝土中同時(shí)存在活性礦物集料及KOH、NaOH和水。其反應(yīng)類型有堿——硅反應(yīng)、堿——硅酸鹽反應(yīng)和堿——碳酸鹽反應(yīng)。

在水泥水化后，還有少量的游離Ca(OH)2。該游離Ca (OH)2與集料中含有的鉀長(zhǎng)石或鈉長(zhǎng)石反應(yīng)會(huì)置換出KOH或NaOH，在水泥水化反應(yīng)初期，在集料顆粒四周形成C－S－H凝膠及Ca(OH)2附著層。然后Ca(OH)2與長(zhǎng)石反應(yīng)置換出KOH或NaOH，是發(fā)生堿集料反應(yīng)的一個(gè)必要條件。

KOH與NaOH同活性礦物集料的反應(yīng)則因礦物成分不同而異。

在堿——硅反應(yīng)中，KOH或NaOH與SiO2間發(fā)生如下反應(yīng):

當(dāng)KOH或NaOH的濃度較低時(shí)，反應(yīng)到此為止。混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞，但當(dāng)KOH或NaOH的濃度較高時(shí)，則隨著時(shí)間的推延還會(huì)發(fā)生下一個(gè)反應(yīng):

即當(dāng)KOH與NaOH濃度較高時(shí)，它不僅能中和SiO2顆粒表面及微孔中的H+，還會(huì)破壞Si－O－Si之間的結(jié)合鍵，使SiO2顆粒結(jié)構(gòu)松散，并使這一反應(yīng)不斷向顆粒內(nèi)部深入形成堿硅膠。這種堿硅膠體積會(huì)吸收微孔中的水分，發(fā)生體積膨脹。在周圍水泥漿已經(jīng)硬化的條件下，這種體積膨脹會(huì)受到約束，產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)水泥漿或砂漿的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)引起其開(kāi)裂，使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。這一反應(yīng)引起的體積膨脹量與混凝土孔隙中的含水量有關(guān)(水分充足時(shí)可增大3倍)，因此，為減少這種膨脹應(yīng)力，必須防止水分由外部滲入混凝土孔隙中，即對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)予以防水處理。

2.2 堿碳酸鹽反應(yīng)

堿碳酸鹽反應(yīng)的機(jī)理與堿硅酸反應(yīng)完全不同，在泥質(zhì)石灰白云石中含黏土和方解石較多，堿與這種碳酸鈣鎂反應(yīng)時(shí)，將其中的白云石［MgCO。］轉(zhuǎn)化為鎂石［－Mg(oH):］，水鎂石晶體排列的壓力和黏土吸水膨脹，引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

2.3 堿硅酸鹽反應(yīng)

水泥(或混凝土)中堿與某些層狀硅酸鹽集料反應(yīng)并導(dǎo)致砂漿或混凝土產(chǎn)生異常膨脹，這一類反應(yīng)亦可歸為堿硅酸反應(yīng)。

堿硅酸鹽反應(yīng)的機(jī)理與堿硅反應(yīng)的機(jī)理類似，只是反應(yīng)速度比較緩慢而已。堿——碳酸鹽反應(yīng)，目前是認(rèn)為可以將堿——碳酸鹽反應(yīng)引起的混凝土破壞歸結(jié)為白云質(zhì)石灰?guī)r集料白云石化脫出引起的體積膨脹。其反應(yīng)式為:

這一反應(yīng)不是發(fā)生在集料顆粒與水泥漿的界面，而是發(fā)生于集料顆粒的內(nèi)部。計(jì)算表明，白云石變成水晶體體積膨脹239%，某些白云石晶體的膨脹率可達(dá)2.5%［2］。

2.4 其他堿集料反應(yīng)

①高硅質(zhì)砂礫石集料在砂漿或混凝土中引起地形開(kāi)裂;②含黏土多的水成巖(雜砂巖、泥質(zhì)板巖、千枚巖、泥質(zhì)巖石等)由于堿硅酸反應(yīng)(黏土是層狀晶格硅酸鹽)引起黏土礦物“剝落”。

3 影響堿集料反應(yīng)的主要因素

由堿集料反應(yīng)的機(jī)理可知，影響這一反應(yīng)的主要因素為水泥的含堿量、集料本身有無(wú)反應(yīng)性及孔隙水量，這三要素缺一不可。因此，影響堿集料反應(yīng)的因素也均與這三要素緊密相關(guān)。

3.1 水泥的含堿量

堿集料反應(yīng)引起的膨脹值與水泥中的Na2O的當(dāng)量含量緊密相關(guān)(Na2O+01658K2O)水泥中含堿量越高膨脹量越大。針對(duì)目前的研究與對(duì)控制混凝土安全堿含量認(rèn)識(shí)的現(xiàn)狀，1993年我國(guó)就提出了《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》CECS53: 93。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:“在集料具有堿— —硅反應(yīng)活性時(shí)，依據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件對(duì)不同的工程結(jié)構(gòu)分別采取表1中的堿含量限值或措施”。

表1 混凝土堿含量的限值 kg·(m3)－1

在通常情況下，混凝土的堿含量需控制在3.0 kg/m3(以當(dāng)量Na2O計(jì))以下。因此，一些工程技術(shù)人員把3.0 kg/m3的堿含量看成是堿集料反應(yīng)的安全線，認(rèn)為只要混凝土的堿含量＜3.0 kg/m3就絕對(duì)安全了。事實(shí)上，一些工程對(duì)控制混凝土的堿含量＜3.0 kg/m3是很容易做到的，但這些工程并不一定不發(fā)生堿集料反應(yīng)。例如，大壩混凝土的膠凝材料用量大約為160 kg/m3［3］，一般≤200 kg/m3，按膠凝材料堿含量為1%計(jì)算，同時(shí)考慮摻0.8%的超塑化劑，并按堿含量為1%計(jì)算，則混凝土的堿含量也僅為2.32 kg/m3。盡管如此，仍然發(fā)現(xiàn)了大壩因堿集料反應(yīng)破壞的實(shí)例。混凝土堿含量的限制將可能引起對(duì)原材料的限制或?qū)炷僚浜媳鹊南拗?，使得一些資源的利用受到限制。例如大流動(dòng)度高強(qiáng)混凝土，這種混凝土的膠凝材料用量一般都在450 kg/m3以上，甚至＞500 kg/m3，而且都摻有相當(dāng)數(shù)量的超塑化劑。如果膠凝材料堿含量按0.6%，超塑化劑堿含量按10%且摻量按0.7%考慮的話，即便膠凝材料用量為450 kg/m3，混凝土的堿含量也＞3.0 kg/m3，因而不得不采用低堿水泥。當(dāng)然，也可能通過(guò)摻入混合材料的方法來(lái)抑制堿集料反應(yīng)，但混合材料必須有足夠的摻量，而較高的混合材料摻量有可能導(dǎo)致混凝土性能的降低。為了滿足混凝土性能的要求，一些工程技術(shù)人員則隨意放寬了混凝土的堿含量限值，甚至根本不控制混凝土的堿含量。

由于這些問(wèn)題的存在，人們自然會(huì)提出3.0 kg/m3堿含量是否一定安全?如果不安全，混凝土堿含量應(yīng)控制在什么水平才是安全的?混凝土堿含量必須要控制在3.0 kg/m3以下嗎?可以放寬否?這些問(wèn)題一直困擾著工程界，幾乎成為每一個(gè)重大混凝土工程都要反復(fù)論證而又難以決策的老問(wèn)題，因而只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

3.2 混凝土的水灰比

水灰比對(duì)堿集料反應(yīng)的影響是錯(cuò)綜復(fù)雜的，水灰比大，混凝土的孔隙率增大，各種離子的擴(kuò)散及水的移動(dòng)速度加大，會(huì)促進(jìn)堿集料反應(yīng)的發(fā)生。但從另一方面看，混凝土水灰比大其孔隙率大，又能減少孔隙水中堿液濃度，因而減緩堿集料反應(yīng)。從而在通常的水灰比范圍內(nèi)，隨水灰比減小，堿集料反應(yīng)的膨脹量有增大的趨勢(shì)，在水灰比為0.14時(shí)，膨脹量最大。

3.3 反應(yīng)性集料的特征

混凝土及砂漿的堿集料反應(yīng)膨脹量與反應(yīng)性集料本身的特性有關(guān)，其中包括集料的礦物或分級(jí)粒度、集料用量等。一般來(lái)說(shuō)，隨著反應(yīng)性集料含量的增加，混凝土的反應(yīng)膨脹量加大。集料粒度對(duì)堿集料反應(yīng)也有影響、粒度過(guò)大或過(guò)小都能使反應(yīng)膨脹量大為減小，中間粒度(0.15～0.6 mm)的集料引起的反應(yīng)膨脹量最大，因?yàn)榇藭r(shí)反應(yīng)集料的總表面積最大。另外，反應(yīng)性集料的孔隙率對(duì)其反應(yīng)膨脹量也有影響。某些天然輕集料如火山渣及浮石中活性SiO2含量很高。按常理，以這些天然輕集料配制的混凝土理應(yīng)發(fā)生堿集料反應(yīng)，但至今為止未發(fā)現(xiàn)天然輕集料混凝土發(fā)生堿硅酸鹽反應(yīng)的實(shí)例。估計(jì)是因?yàn)檩p集料孔隙率大，緩解了膨脹應(yīng)力的緣故，這說(shuō)明多孔集料能減緩堿集料反應(yīng)。

3.4 混凝土孔隙率

混凝土及砂漿的孔隙也能緩減堿集料反應(yīng)時(shí)膠體吸收水產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，因而隨著孔隙率增加，反應(yīng)膨脹量減小，特別是細(xì)孔減緩效果更好。因此，加入引氣劑能減緩集料反應(yīng)的膨脹。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得引入4%的空氣能使膨脹量減少40%。

3.5 環(huán)境溫濕度的影響

混凝土或砂漿的堿集料反應(yīng)離不開(kāi)水，因此環(huán)境濕度對(duì)其有明顯影響。雖然說(shuō)在低濕度條件下混凝土孔隙中的堿溶液濃度增加或促進(jìn)堿集料反應(yīng)。但如果環(huán)境相對(duì)濕度＜85%時(shí)，若外界不供給混凝土水分，則不會(huì)發(fā)生混凝土中反應(yīng)膠體的吸水膨脹。

環(huán)境溫度對(duì)堿集料反應(yīng)也有影響。對(duì)每一種反應(yīng)集料都有一個(gè)溫度限值。在該溫度以下，隨著溫度增高膨脹增大，而超過(guò)該溫度限值，反應(yīng)膨脹量明顯下降。這是因?yàn)樵诟邷叵聣A集料反應(yīng)加快，砂漿或混凝土未凝之前即已完成了膨脹，而在塑性狀態(tài)的混凝土能吸收膨脹應(yīng)力所致。

［1］ 李亞杰.建筑材料［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］ 姜志青.道路建筑材料［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］ 黃士元，蔣家?jiàn)^，楊南如，等.近代混凝土技術(shù)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.