某工程混凝土含堿量的控制

李  進1，2

(1．三峽大學土木水電學院，宜昌443002；2．中國葛洲壩集團第--32程有限公司，宜昌443002)

摘  要：  混凝土原材料中的堿含量過高時，可能發(fā)生堿集料反應，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。工程中應從混凝土的原材料選擇開始仔細考慮堿集料反應，嚴格預防堿集料反應的發(fā)生?；炷羶?nèi)部發(fā)生堿集料反應破壞與否，除了與水泥堿含量有關(guān)外，jetvac4是與混凝土中的總堿含量有關(guān)。以混凝土原材料中的總堿含量作為控制標準是切實可行和更為可靠的。

關(guān)鍵詞：  混凝土；  堿集料反應；  含堿量；  控制

    20世紀30年代，美國西部地區(qū)的一些堤壩、公路、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生異常膨脹，產(chǎn)生裂縫，當時，尚未找出具體的原因。1940年，StantonTE[1]首次將這種混凝土異常膨脹并產(chǎn)生開裂的原因歸結(jié)為是由于堿含量較高的水泥與某種頁巖或蛋白石集料之間發(fā)生反應所引起的，他把加利福尼亞州的King City大橋的橋墩損傷的結(jié)構(gòu)物所使用的集料制成砂漿試件，測定變形率后，發(fā)現(xiàn)膨脹率很大，他認為是由于堿含量高的水泥析出的KOH、NaOH與含有活性Si02的集料發(fā)生了反應。其后，世界上許多國家相繼認識到了堿集料反應對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的危害，并制定了堿集料反應可能性的檢驗方法，提出了相應的預防措施。近幾年來我國對混凝土堿集料反應理論的研究也有了很大的發(fā)展。

　　由于水泥與集料之間的作用相當復雜，各地集料的品種、礦物組成千差萬別，實際工程中各種因素所引起的混凝土耐久性下降現(xiàn)象互相交織，這些都對混凝土堿集料反應機理的研究以及混凝土結(jié)構(gòu)劣化原因的界定產(chǎn)生了一定影響。如何合理地確定混凝土堿含量的控制標準一直困擾著工程技術(shù)人員。有的工程為了確保萬無一失，不從當?shù)卦牧系幕钚院秃瑝A量實際出發(fā)，不斷提高混凝土堿含量的控制標準，致使工程在實施過程中難以控制或無謂地增加了一些工程投資。下面從混凝土的堿集料反應機理等方面人手，結(jié)合某混凝土工程實際，提出了進行具有堿活性骨料混凝土總堿量的控制，在保證混凝土施工質(zhì)量前提下，盡可能地降低了工程造價。

1  混凝土堿集料反應破壞

    混凝土的堿集料反應是混凝土材料內(nèi)水泥中的堿(KOH、NaOH)與集料中的活性成分之間發(fā)生的化學反應，其產(chǎn)物呈膠體狀態(tài)，不僅減弱了集料與水泥石之間的界面粘結(jié)強度，而且遇水后發(fā)生膨脹，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應力而導致混凝土結(jié)構(gòu)體開裂。

    一般認為，堿集料反應有堿—硅反應、堿—碳酸鹽反應、堿—硅酸鹽反應等3種類型，堿—硅反應是集料中的反應性微晶氧化硅與混凝土孔溶液中的堿之間發(fā)生的反應。此反應在常溫下即可進行，產(chǎn)物為堿—硅凝膠體，它吸水膨脹，引起膨脹壓而使?昆凝土結(jié)構(gòu)體開裂(無序的網(wǎng)狀裂紋)，與堿發(fā)生反應的集料表面有凝膠環(huán)存在，混凝土內(nèi)部也會產(chǎn)生大量裂縫，混凝土內(nèi)部孔縫中存在硅酸鹽凝膠，凝膠失水后硬化或粉化。堿—硅反應的速度隨Si02的穩(wěn)定程度、比表面積、溫度以及液相中OH—濃度而不同，堿的濃度對堿集料反應與否起很大作用。堿—碳酸鹽反應發(fā)生在水泥石液相中的堿與石灰石集料之間。與堿-硅反應不同的是，盡管堿—碳酸鹽反應表現(xiàn)為混凝土體內(nèi)外產(chǎn)生開裂，但集料表面不產(chǎn)生凝膠體。堿—硅酸反應是一種特殊的堿集料反應，集料表面也不存在反應環(huán)，但是會引起混凝土體內(nèi)外開裂。

    混凝土內(nèi)部發(fā)生堿集料反應后的宏觀現(xiàn)象為：集料表面存在凝膠環(huán)，混凝土內(nèi)部和外部開裂，孔縫內(nèi)有異常物質(zhì)存在等。混凝土發(fā)生堿集料反應最突出的表現(xiàn)就是產(chǎn)生開裂，這種無序的開裂將導致其力學性能下降，抗凍性、抗化學腐蝕性和抗鋼筋銹蝕性嚴重降低。

    盡管關(guān)于混凝土堿集料反應的機理以及確切的規(guī)律至今尚無圓滿的解答，但是人們發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部要發(fā)生堿集料反應，有3個缺一不可的條件：

    1)混凝土中堿含量過高?；炷翂A含量越高，發(fā)生堿集料反應的可能性越大。

    2)所用集料內(nèi)含活性物質(zhì)。一些有代表性的活性集料，如蛋白石、打火石、燧石和火山噴出巖(主要是安山巖和流紋巖)等發(fā)生堿集料反應的危險性最大。

    3)必須有水份存在。這是發(fā)生堿集料反應的必要條件之一。干燥條件下，混凝土幾乎不發(fā)生堿集料反應。處于高濕度環(huán)境下的混凝土發(fā)生堿集料反應的速度較大。

    堿集料反應的進程和破壞程度受到以下幾個因素的影響。

    (1)活性集料的數(shù)量和集料的粒徑。一般認為，集料中活性集料的百分比越大，發(fā)生堿集料反應的破壞也越大。集料粒徑在0．15～0．3 mm范圍內(nèi)，發(fā)生堿集料反應后產(chǎn)生的體積膨脹最大，開裂也最嚴重。

    (2)堿含量。水泥中的堿含量通常以Na₂O的等當量質(zhì)量(Na₂O十0．658K₂O)與水泥質(zhì)量之比的百分數(shù)表示?；炷林械膲A含量則通常以單位立方米混凝土中Na₂O的等當量質(zhì)量表示。當使用活性集料時，堿含量與堿集料反應的速度呈大致的線性關(guān)系，比如堿含量越高，越易發(fā)生堿集料反應，但這種關(guān)系也不是絕對的，如對于蛋白石等高堿活性集料，當堿含量過高時，膨脹量反而減小。

    為了抑制堿集料反應，一些國家規(guī)定了混凝土堿含量的限值[2]，美國為3．3 ks／m³，英國、澳大利亞、新西蘭、南非分別為3．0 ks／m³、2．0 kg／m³、5．0kg／m³和2．1 kg／m³，我國則為3．0 kg／m³。

    (3)水灰比。水灰比越大，混凝土內(nèi)部孔隙率也越大，堿在水溶液中的遷移速度也增大，所以如果具備堿集料反應發(fā)生的條件時，其反應速度也加快。但是，也有人通過實驗證實，當水灰比較小時，孔隙尺寸小，孔隙率也低，反而不利于緩和因發(fā)生堿集料反應所產(chǎn)生的膨脹壓。誠然，減小水灰比可以大幅度降低混凝土滲透性，從而降低混凝土的滲水性，因而發(fā)生堿集料反應的可能性也必然會減小。

    (4)其它因素。影響混凝土堿集料反應破壞的因素還包括環(huán)境濕度和溫度以及混凝土的含氣量等。

    我國從30年前開始發(fā)現(xiàn)一些開裂嚴重的混凝土結(jié)構(gòu)(主要是橋梁、路面等)是由于堿集料反應所致，但總體來說，堿集料反應破壞現(xiàn)象實例還是較少的。研究發(fā)現(xiàn)，北京、天津、河北、遼寧、廣西等省市部分地區(qū)的砂石集料中含有活性成分，如玉髓、蛋白石等。我國水泥生產(chǎn)技術(shù)相對較落后，由于原料所限，我國東北、華北和西北地區(qū)水泥含堿量相對較高。20世紀60年代的統(tǒng)計資料顯示，我國水泥堿含量在0．39％～1．08％的范圍內(nèi)波動，1983年為0％～2％，1984年為0．1％～1．7％，1985年為0．1％～0．9％。我國水泥有關(guān)標準規(guī)定：若使用活性集料，用戶要求提供低堿水泥肘，水泥中堿含量不得大于0．60％，或由供需雙方商定。

　　但是，目前國內(nèi)外水泥的生產(chǎn)都追求節(jié)省能源、保護環(huán)境，開發(fā)利用含堿的窯爐廢氣進行預熱之用，并允許在水泥中摻人含堿量較高的窯灰，所以水泥含堿量有所增大[3]。

　　另外，由于水泥標準與ISO新標準進行接軌，新的強度檢驗方法的出臺必將使得大部分水泥生產(chǎn)企業(yè)為了保住水泥的高標號不愿摻加過多混合材；混凝土新的設計理念(混凝土活性摻合料的使用)的形成也希望市場上硅酸鹽水泥份額逐漸增大。這些因素都將引起我國水泥中的堿含量呈現(xiàn)整體走高趨勢。

    不僅水泥堿含量呈增高趨勢，各種外加劑的應用，如作為早強劑和防凍劑使用的NaCl、Na2SO4等都將增加混凝土中的堿含量，這些都是堿集料反應研究工作者和標準制訂者所要考慮的因素。

2  預防混凝土堿集料反應破壞的措施

    水泥的生產(chǎn)過程是很復雜的，其Na₂O和K₂O主要來自于生產(chǎn)原料，如粘土。粘土中的堿含量可高達2．5％～2．7％，而砂巖中的堿含量為0．1％～0．3％。粘土和砂巖是目前水泥中SiO2和A12O32種化學成分的主要來源，它們的堿含量相差10倍左右，使用砂巖作為原料之一的水泥其堿含量也低，但是有的水泥廠設計時采用粘土，若改用砂巖，則又會影響整個生產(chǎn)工藝。

    降低水泥堿含量的另一個措施是不摻加窯灰，因為窯灰中的堿含量高達2．2％～2．3％。但是水泥廠大多將窯灰摻加到水泥熟料中一起磨細，既解決了窯灰的堆放和避免了對環(huán)境的污染，又降低了水泥的生產(chǎn)成本。一個日產(chǎn)水泥熟料5 000～6 000t的水泥廠，其每日所排出的窯灰達2 t左右，一年就有770t。摻加礦渣混合材是解決水泥堿含量的又一個重要的有效措施，但是現(xiàn)在一些先進的水泥生產(chǎn)廠在設計時主要按照硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)情況設計，在粉磨時摻加礦渣無疑降低了粉磨設備的效率。摻加粉煤灰混合材對減低堿含量無益，因為粉煤灰中本身的堿含量較大，如上海某電場粉煤灰的堿含量為0．76％(Na₂O占0．34％，K^₂O占0．64％)。窯氣中往往夾雜著蒸發(fā)的堿，所以采用在窯尾放風，可以除去一部分堿，但是窯尾放風必將產(chǎn)生大量灰塵顆粒，無疑又加劇了環(huán)保問題。

    目前水泥堿含量難以降低，尋求切實可行的其它有效措施來預防混凝土堿集料反應破壞便顯得十分重要了。在存在活性集料的情況下，混凝土內(nèi)部發(fā)生堿集料反應破壞與否，除了與水泥堿含量有關(guān)外，最重要的是與混凝土中的總堿含量有關(guān)[4]。因為除了水泥，各種品種的外加劑，如早強劑、防凍劑、速凝劑，甚至高效減水劑的摻加和使用，都會在混凝土中引入一定量的堿金屬離子。值得重視的是，即使所使用的水泥的堿含量較高(如超過0．6％)，也可以通過其它有效措施(如降低混凝土中的總堿含量)來防范混凝土堿集料反應的發(fā)生或減少其破壞程度。

    目前我國水泥堿含量較高的現(xiàn)象普遍存在，且混凝土內(nèi)部的堿不僅僅只來自于水泥，還有可能來自于含堿外加劑、含鹽集料以及滲透進入混凝土內(nèi)部的外界鹽類介質(zhì)等?；炷林械哪z凝材料除了水泥之外可能還有摻合料，而摻合料的摻加又有助于降低發(fā)生堿集料反應的可能性。就當前混凝土材料的發(fā)展和應用水年來說，不具體考慮混凝土的原材料和性質(zhì)，單純通過限定水泥堿含量的措施來預防工程中的堿集料反應尚有不妥之處。有些工程水泥的堿含量雖低于0．6％，但也發(fā)現(xiàn)有堿骨料反應的情況，這是因為其他原材料中的堿成份也參加了反應。因此，以混凝土原材料中的總堿含量作為控制標準，才更為可靠。潮濕環(huán)境中的重要工程結(jié)構(gòu)的混凝土堿含量限值不超過3．0kg／m³。

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　　3  某211程混凝土的含堿量

    崔家營航電樞紐工程位于漢江中游，是湖北省內(nèi)漢江干流9級梯級開發(fā)中的第5級，上距丹江口水利樞紐142km，下距河口515 km，是一個以航運和發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水、旅游及水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益的航電樞紐工程。樞紐總布置自右至左分別為：右岸連接壩段、船閘、泄水閘、電站廠房、左岸連接壩段和左岸土石壩。該工程混凝土總工程量為67．4萬m’，混凝土骨料為采自工程附近的鳳凰灘料場天然骨料，鳳凰灘料場的砂中含有一定量的玉髓硅質(zhì)巖、酸性、中性火山巖等巖屑；礫石主要由石英巖組成，同時含有一定量的酸性和中性火山玻璃質(zhì)成分。通過砂漿棒快速法試驗結(jié)果表明：料場的砂礫石料為潛在危害性反應的活性骨料為有效抑制混凝土堿骨料的活性反應。

    為有效抑制工程混凝土骨料堿活性反應，要求混凝土中總堿含量不大于2．5kg／m³或混凝土中摻加不低于15％粉煤灰。普通低熱硅酸鹽水泥按規(guī)范要求摻合料摻量在6％～15％，則其水泥含堿量將超過低堿水泥堿含量小于0．6％的要求。若要使普通硅酸鹽水泥堿含量小于0．6％的要求，則需改變水泥生產(chǎn)工藝；若使用中熱低堿水泥，采用以上兩種方案成本將大大增加，由于當?shù)氐夭牡幕瘜W成份特征，甚至無法生產(chǎn)低堿水泥。在該工程開工前，對水泥的含堿量提出了以下要求：應按各建筑物部位施工圖紙的要求，配置混凝土所需的水泥品種及強度等級，水泥應采用低堿水泥，水泥堿含量小于0．6％，并應符合GBl75—1999和GB200—1989的要求。后來，經(jīng)過進一步深入的探討，就混凝土含堿量問題達成了以下意見：

    混凝土堿含量控制指標均以總含堿量指標控制，而水泥堿含量不作為控制指標，混凝土含堿總含堿量具體指標為：   

    1)對于C50預應力預制箱梁混凝土只對總含堿量進行控制，控制標準為最大3．0kg／m³。

    2)對于上部結(jié)構(gòu)中的板梁柱泵送混凝土，總含堿量控制指標按最大3．0kg／m³控制。

    3)其他部位的混凝土含堿量指標按最大2．5kg／m³控制。

    該工程充分考慮混凝土原材料實際，采取多種方法控制了混凝土的總堿量，預防了混凝土堿集料反應的破壞，在保證混凝土施工質(zhì)量的前提下，盡可能地降低了工程造價。

　　4  結(jié)  語

    混凝土發(fā)生堿集料反應所引起的破壞在世界范圍內(nèi)受到科研及工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。在實際建筑工程中應從混凝土的原材料選擇開始仔細考慮堿集料反應，嚴格預防堿集料反應的發(fā)生。堿集料反應的發(fā)生條件是同時存在活性集料、高堿量和水份等。混凝土內(nèi)部發(fā)生堿集料反應破壞與否，除了與水泥堿含量有關(guān)外，更重要的是與混凝土中的總堿含量有關(guān)。以混凝土原材料中的總堿含量作為控制標準是切實可行和更為可靠的。