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)的實用性

近年來，隨著各地工程建設(shè)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?；炷聊途眯圆桓?，會發(fā)生膨脹和開裂，引起安全問題，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，若頻繁進行加固，會造成很大的經(jīng)濟損失。

1.2符合國家對新時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求

目前，我國已有部分基礎(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、八里臺立交橋以及多地機場跑道，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)對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，正契合國家對新時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。在必須選用堿活性集料的前提下，通過對堿性活性的判定預(yù)防和抑制堿集料反應(yīng)破壞，給出了相應(yīng)的建議。為國家實現(xiàn)了新技術(shù)創(chuàng)新，推進此類技術(shù)工藝的廣泛應(yīng)用。

1.3國外對堿骨料反應(yīng)的研究較為重視

1940年，美國的Stanton最先證明堿骨料反應(yīng)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(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(dǎo)致的堿骨料反應(yīng)破壞成為新的突出問題。

在英國，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)而遭受了嚴重的膨脹開裂[1]

各國大力加強對堿骨料反應(yīng)的研究，可以看出國外相當(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，降低長期維修費用，并增強了基礎(chǔ)設(shè)施的整體可持續(xù)性。這對于資源節(jié)約和環(huán)境保護也有積極作用。

2堿骨料反應(yīng)對混凝土結(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 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(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)過水化作用會生成 NaOH，K₂O 水化之后則會產(chǎn)生 KOH 。而 ΔNaOH 和 K₂O 是強堿，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通過大量的試驗和現(xiàn)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(chǎn)生破壞作用，堿骨料反應(yīng)概念由此提出，當(dāng)時堿骨料反應(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)的概念直到世紀中葉才被提出。不過，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)，在研究過程中還發(fā)現(xiàn)了諸多顯著特點：（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)和成分使得它們在與堿發(fā)生反應(yīng)時，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)則是一個相對漫長的過程。（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)點相對較少，但一旦出現(xiàn)，仍可能對混凝土的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成嚴重破壞。（4）與堿-硅酸反應(yīng)相比較，堿-硅酸鹽反應(yīng)在膨脹過程中析出的堿硅膠量過少。

簡單來說，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(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，一般不會產(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(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，很快便引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)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(yīng)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(yǎng)護室或者養(yǎng)護箱當(dāng)中，養(yǎng)護 （24±2）h 后脫模操作，隨即在養(yǎng)護室測量試件的初始讀數(shù)。測量結(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(huán)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(yīng)，二是堿-碳酸鹽反應(yīng)。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(yǎng)護筒內(nèi)。隨后把養(yǎng)護筒放進溫度為（ 38±2）9（ 的養(yǎng)護設(shè)備中進行養(yǎng)護。從測定基準長度的時刻開始計算，測量的齡期設(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(nèi)體積膨脹超過 3% ，三個月內(nèi)膨脹超過 2% ，或者一年內(nèi)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(yīng)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(jié)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(yīng)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、?；郀t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(yīng)危害抑制效果評定為有效。

3.3針對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，可以優(yōu)先選用非堿活性骨料。在勘察場地和選擇材料時，應(yīng)當(dāng)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(huán)境中的堿活性骨料不得采用；與此同時，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(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)也會受到環(huán)境的影響。如果環(huán)境過于潮濕和悶熱，反應(yīng)速度會加快。所以，盡量讓堿骨料遠離這種環(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。大量來自世界各國的試驗數(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，只要使用量不超過水泥的 30% ，也能起到很好的預(yù)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(yīng)。

4結(jié)論

探討了堿骨料反應(yīng)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(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.