混凝土堿骨料反應問題
2005-12-24 00:00
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由于我國過去的水泥含堿量一般不高，加以自50年代起30余年來一直生產高混合材水泥。例如在七十代曾大量生產使用的礦渣400號水泥，其中礦渣含量高達(60-70)%、有這么多的活性混合材、即使某廠水泥熟料含堿量稍高。砂石中有相當數量的活性成分、由于活性混合材可以起到消化緩解堿的作用、因而在八十年代以前我國一般土建工程尚未見堿骨料反應對工程損害的報告、以致許多設計、施工工程技術人員對堿骨料反應問題還比較生疏，有必要作一些基本情況的介紹。
一、什么是水泥混凝土的堿骨料反應
堿骨料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的活性成分反應，在混凝土澆筑成型后若干午(數年至二、三十年)逐漸反應，反應生成物吸水膨脹使混凝土產生內部應力， 膨脹開裂、導致混凝土失去設計性能。由于活性骨料經攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發生堿骨料反應、混凝土內各部分均產生膨脹應力，將混凝土自身脹裂、發展嚴重的只能拆除，無法補救，因而被稱為混凝土的癌癥。 二、堿骨料反應的分類和機理
1．堿硅酸反應 1940年美國加利尼亞州公路局的斯坦敦，首先發現堿骨料反應問題，引起全世界混凝土工程界的重視，這種反應就是堿硅酸反應。堿硅酸反應是水泥中的堿與骨料中的活性氧化硅成分反應產生堿硅酸鹽凝膠或稱堿硅凝膠，堿硅凝膠固體體積大于反應前的體積，而且有強烈的吸水性，吸水后膨脹引起混凝土內部膨脹應力，而且堿硅凝膠吸水后進一步促進堿骨料反應的發展、使混凝土內部膨脹應力增大，導致混凝土開裂。發展嚴重的會使混凝土結構崩潰。 能與堿發生反應的活性氧化硅礦物有蛋白石、玉髓、鱗石英、方英石、火山玻璃及結晶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。因而迄今為止世界各國發生的堿骨科反應絕大多數為堿硅酸反應。
2．堿碳酸鹽反應
1955年加拿大金斯敦城人行路面發生大面積開裂，懷疑是堿骨料反應，用美國ASTM標準的砂漿棒法和化學法試驗，屬于非活性骨料。后經研究，斯文森于1957年提出一種與堿硅酸反應不同的堿骨料反應——堿碳酸鹽反應。
一般的碳酸巖、石灰石和白云石是非活性的，只有象加拿大金斯敦這種泥質石灰質白云石，才發生堿碳酸鹽反應。
堿碳酸鹽反應的機理與堿碳酸反應完全不同，在泥質石灰質白云石中含粘土和方解石較多，堿與這種碳酸鈣鎂的反應時，將其中白云石(MgCO3)轉化為水鎂石Mg(OH)2，水鎂石晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹，引起混凝土內部應力，導致混凝土開裂。
堿碳酸鹽反應在斯文森提出后。在美國的印地安納、弗古尼亞、農華達等州和其它國家也發現有這種類型的反應，近幾年在我國的山東省和山西省也發現有過這種類型的反應。
3．堿硅酸鹽反應
1965午基洛特加對加拿大的諾發·斯科提亞地方的混凝土膨脹開裂進行研究發現。
(1)形成膨脹的巖石屬于粘土質巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物；
(2)膨脹過程較堿硅酸反應緩慢得多；
(3)能形成反應環的顆粒非常少；
(4)與膨脹量相比析出的堿硅膠過少。
又進一步研究，發現諾發·斯科提亞地方的堿性 膨脹巖石中。蛭石類礦物的基面間沉積物是可浸出的，在沉積物被浸出后吸水，使面間距由10A增大。到12A。致使體積膨脹，引起混凝土內部膨脹應力；因此認為這類堿骨料反應與傳統的堿硅酸反應不同，并使名為堿硅酸鹽反應。對此，國際學術界有爭論。我國學者唐明述對此也進行 了研究，他從全國各地收集了上百種礦物及巖石樣品，從礦物和巖石學角度詳細研究了其堿活性程度。研究表明，所有層狀結構的碳酸鹽礦物如葉蠟石、蛇紋巖、伊里石、綠泥石、云母、滑石、高嶺石、蛭石等均不具堿活性，有少數發生堿膨脹的、經仔細研究，其中均含有玉髓、微晶石英等含活性氧化硅礦物、從而證明這仍屬于堿硅酸反應，這一結論與基洛特起初發現的四個特點也并不矛盾。這個研究報告在第8廟國際堿骨料反應學術會議上發表后，得到許多知名學者的贊同。但由于這種反應膨脹進程緩慢，用常規檢驗堿硅酸反應的方法無法判斷其活性。因此，在進行骨料活性和骨料反應膨脹檢驗時，還必須與一般堿硅酸反應類型有所區別。
三．堿骨料反應的發生原因（條件）和特征
混凝土工程發生堿骨料反應需要具有三個條件。首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高；第二是骨料中有相當數量活性成分；第三是潮濕環境，有充分的水分或濕空氣供應。 早在1940年，斯坦孰用加利福尼亞州骨料作砂漿膨脹試驗時，就發現水泥含堿量愈高，堿骨料反應的膨脹量愈大，在水泥含堿量低于0.6%時， 就可以避免發生堿骨料反應。后來在其他許多國家試驗，由于骨料反應的活性不同，有時水泥含堿量低于0.4%氧化納當量、也有發生堿骨料反應膨脹量大的情況；但水泥含堿量高于0.6%稱為高堿水泥已為大多數國家接受。隨著水泥工業出現含不同混合材的水泥以及混凝土愈來愈多地摻用各種外加劑，以及日本、英國使用海砂配混凝土，發現混凝土各種原材料成分中的堿(Na2O、K2O)，均可導致發生堿骨料反應對工程的損害。
有關活性骨料，經世界各國許多學者四十余年的研究歸納具有堿活性的骨料如表一所示。表中所列含有堿活性的巖石、除最下一行的碳酸巖外，基本上都是含活性二氧化硅的礦物。從表中 所列活性成分看，一種是無定形(非晶體)二氧化硅，如蛋白石、火山玻璃；一種是結品不完整的二氧化 硅、如玉髓、磷石英、微晶石英等，另—種是結晶完整，例如花崗巖為深成巖，其中石英結晶很完整，但由于地殼變動，受擠壓力產生晶格扭曲變形，當其中應變石英含量大于30%時，就會發生堿活性。還有一種層狀頁硅酸鹽、屬于現在有爭議的堿硅酸鹽反應活性骨料。
各國已發現堿活性礦物巖石(表一)
最后一個條件就是潮濕多水，愈是在潮濕多水的環境條件下堿骨料反應對工程的損害發展愈快，往往在向—個混凝土工程，混凝土配制材料具備堿骨料反應的條件，在這個工程潮濕多水的部位首先發生堿骨料反應損害，在其它部位則發展緩慢。
受堿骨料反應膨脹開裂的工程從外觀上看，在少鋼筋約束的部位為網狀裂縫，在受鋼筋約束的部位多沿主筋方向開裂，在很多情況下可以看到從裂縫溢出內色或透明肢體的痕跡。在同一工程中潮濕部位發展嚴重也是其外觀特征之一。最后判斷還需要從受害的工程取芯樣鑒定。
四、堿骨料反應的預防方法
堿骨料反應條件是在混凝土配制時形成的，即配制的混凝土中只要有足夠的堿和反應性骨料，在混凝土澆筑后就會逐漸反應，在反應產物的逐漸吸水膨脹和內應力足以使混凝土開裂的時候，工程便開始出現裂縫。這種裂縫和對工程的損害隨著堿骨料反應的發展而發展，嚴重時會使工程崩潰。有人試圖用阻擋水分來源的方法控制堿骨料反應的發展，例如筆者見過的日本從大阪到神戶的高速公路松原段陸地立交橋，橋墩和梁發生大面積堿骨料反應開裂，日本曾采取將所有裂縫注入環氧樹脂、注射后又將整個梁、橋墩表面全用氧樹脂涂層封閉，企圖通過阻止水分和濕空氣進入的方法控制堿骨料反應的發展，結果僅僅經過一年、又多處開裂。因此世界各國都是在配制混凝土時采取措施，使混凝土工程不具備堿骨料反應的條件。主要有以下幾種措施。 1．控制水泥含堿量
自1941年美國提出水泥含量低于0.6%氧化納當量（即Na2O+0.658K2O） 為預防發生堿骨料反應的安全界限以來，雖然對有些地區的骨料在水泥含量低于0.4%時仍可發生堿骨料反應對工程的損害、但一般情況下低于0.6%作為預防堿骨料反應的安全界限已為世界多數國家所接受。已有二十多個國家將此安全界限列入國家標準或規范。許多國家如新西蘭、英國、日本等國內大部分水泥廠均生產含堿量低于0.6%的水泥。加拿大鐵路局規定、不論是行使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含堿量低于0.6%的低堿水泥。 2．控制混凝土中含堿量
由于混凝土中堿的來源不僅是從水泥、而且從混合樹、外加劑、水，甚至有時從骨料(例如海砂)中來，因此控制混凝土各種原材料總堿量比單純控制水泥含堿量更為科學。對此，南非曾規定每m3混凝土中總堿量不得超過2.1kg，英國提出以每m3混凝土全部原材料總堿量(Na2O當量)不超過3kg，已為許多國家所接受。 3．對骨料選擇使用
如果混凝土含堿量低于3kg/m3，可以不做骨料活性檢驗，如果水泥含堿量高或混凝土總堿量高于 3kg/m3，則應對骨料進行活性檢測、如經檢測為活性骨料、則不能使用，或經與非活性骨料按一定比例 混合后，經試驗對工程無損害時，方可按試驗的比例混合使用。 4．摻混合材
摻某些活性混合材可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應。根據各國試驗資料。摻(5-10)%的硅灰可以有效的抑制堿骨料反應，據悉冰島自1979年以來，一直在生產的水泥中摻(5—75)%硅灰、以預防堿骨料反應對工程的損害。另外摻粉煤灰也很有效、粉煤灰的含堿量不同，經試驗，即使含堿量高的粉煤灰、如果取代30%的水泥，也可有效地抑制堿骨料反應。另外常用的抑制性混合材還有高爐礦渣、但摻量必須大于50%才能有效地抑制堿骨料反應對工程的損害、現在美、英、德諸國對高爐礦渣的推薦參量均為50%以上。 5．隔絕水和濕空氣的來源
如果在擔心混凝土工程發生堿骨料反應的部位能有效地隔絕水和空氣的來源，也可以以取得緩和堿骨料反應對工程損害的效果。 五．我國土建工程的堿骨料反應的問題
我國水利工程從50年代起就吸取了美國派克大壩等許多土建工程因堿骨料反應破壞而拆除重建的教訓，明確規定凡較大水利工程開采骨料時都要求進行活性檢驗及專家論證，并采取摻大量混合材的水泥以及在現場摻混合構等措施，這些規定至今仍在水利工程有關規范、標準中沿用。因此我國自50年代以來建設了許多大型水利工作、未出現過堿骨料反應對工程的損害。 另外，我國自50年代起就生產摻大量混合材料的水泥、例如六、七十年代大量生產使用有礦渣400 號水泥，其中礦渣含量高達(60-70)%，水泥熟料僅占約30%，即使產量比例不大的普通硅酸鹽水泥也摻有(10—15)%的混合材，有這么多磨得與水泥同樣紉度的活性混合材，就可以起到緩解與抑制堿骨料反應的使用，因而在八十年代以前，我國一般土建工程尚未見有堿骨料反應對工程損害的報導。
正因為如此，我國一般土建工程的設計和施工人員對堿骨料反應問題比較生疏，即使某工程發生堿骨料反應特征的裂縫、也往往認為是養護不好、干縮裂縫、過早加載和水泥后期安定性不好等常見問題所造成。即使有的工程損害嚴重被迫拆除，也不一定認為是由于堿骨料反應造成的。
自從70年國際能源危機以來，水泥工業逐漸由濕法生產改為干法生產，我國國營大中型水泥廠到80 年代陸續都已改為干法生產、使水泥含堿量增加；特別是在80年代后期，做為利用工業廢料和節能措施，將回收高堿窯灰摻入水泥中作為一項先進措施在全國推廣，使我國國產水泥含堿量大大增加。1984年又制訂不摻混合材的純硅酸鹽水泥標準，這種純硅酸鹽水泥到1989年產量已越過100萬噸。用這種水泥如果骨料活性不作檢測、這就為許多工程帶來建成若干年后發生堿骨料反應損害的隱患。據悉，我國某些大廠如冀東、大同、琉璃河、鄭州等水泥熟料含堿雖均高，約為1%左右、有的甚至超過1.3%。值得注意的是我國自七十年代后期以來即以硫酸鈉作為水泥混凝土早強劑、而防凍劑則多采用硝酸鈉、亞硝酸鈉、碳酸鉀等。這些鹽類中的可溶性鉀、鈉離子將大大增加混凝土中的總堿量，增加堿骨料反應對工程損害的潛在危害。
據了解，我國某機場混凝土跑道已發現堿骨料反應開裂，某大型城市公路立交橋建成剛5年、其潮濕部位開裂已經取樣證實為堿骨料反應。由于近幾年我國水泥外加劑等情況的發展變化，混凝土堿骨料反應問題已構成我國土建工程的一大潛在危害，希望我國的建筑、市政、交通等有關混凝土工程設計、施工工程技術人員對此問題給予應有的重視，采取可能做到的各種措施，預防堿骨料反應對工程的損害。 |
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