混凝土堿骨料反應(yīng)問題

　　由于我國(guó)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(chǎn)高混合材水泥。例如在七十代曾大量生產(chǎn)使用的礦渣400號(hào)水泥，其中礦渣含量高達(dá)(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(dāng)數(shù)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(guó)一般土建工程尚未見堿骨料反應(yīng)對(duì)工程損害的報(bào)告、以致許多設(shè)計(jì)、施工工程技術(shù)人員對(duì)堿骨料反應(yīng)問題還比較生疏，有必要作一些基本情況的介紹。

 

　　堿骨料反應(yīng)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(yīng)，在混凝土澆筑成型后若干午(數(shù)年至二、三十年)逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力， 膨脹開裂、導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計(jì)性能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發(fā)生堿骨料反應(yīng)、混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，將混凝土自身脹裂、發(fā)展嚴(yán)重的只能拆除，無法補(bǔ)救，因而被稱為混凝土的癌癥。

 

1．堿硅酸反應(yīng)

　　1940年美國(guó)加利尼亞州公路局的斯坦敦，首先發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)問題，引起全世界混凝土工程界的重視，這種反應(yīng)就是堿硅酸反應(yīng)。堿硅酸反應(yīng)是水泥中的堿與骨料中的活性氧化硅成分反應(yīng)產(chǎn)生堿硅酸鹽凝膠或稱堿硅凝膠，堿硅凝膠固體體積大于反應(yīng)前的體積，而且有強(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)堿骨料反應(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)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(guó)發(fā)生的堿骨科反應(yīng)絕大多數(shù)為堿硅酸反應(yīng)。

 

2．堿碳酸鹽反應(yīng)

　　1955年加拿大金斯敦城人行路面發(fā)生大面積開裂，懷疑是堿骨料反應(yīng)，用美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)的砂漿棒法和化學(xué)法試驗(yàn)，屬于非活性骨料。后經(jīng)研究，斯文森于1957年提出一種與堿硅酸反應(yīng)不同的堿骨料反應(yīng)——堿碳酸鹽反應(yīng)。

 

　　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(zhì)石灰質(zhì)白云石，才發(fā)生堿碳酸鹽反應(yīng)。

 

　　堿碳酸鹽反應(yīng)的機(jī)理與堿碳酸反應(yīng)完全不同，在泥質(zhì)石灰質(zhì)白云石中含粘土和方解石較多，堿與這種碳酸鈣鎂的反應(yīng)時(shí)，將其中白云石(MgCO₃)轉(zhuǎn)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(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。

 

　　堿碳酸鹽反應(yīng)在斯文森提出后。在美國(guó)的印地安納、弗古尼亞、農(nóng)華達(dá)等州和其它國(guó)家也發(fā)現(xiàn)有這種類型的反應(yīng)，近幾年在我國(guó)的山東省和山西省也發(fā)現(xiàn)有過這種類型的反應(yīng)。

 

3．堿硅酸鹽反應(yīng)

　　1965午基洛特加對(duì)加拿大的諾發(fā)·斯科提亞地方的混凝土膨脹開裂進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)。

　(1)形成膨脹的巖石屬于粘土質(zhì)巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物；

　(2)膨脹過程較堿硅酸反應(yīng)緩慢得多；

　(3)能形成反應(yīng)環(huán)的顆粒非常少；

　(4)與膨脹量相比析出的堿硅膠過少。

 

　　又進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)諾發(fā)·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(nèi)部膨脹應(yīng)力；因此認(rèn)為這類堿骨料反應(yīng)與傳統(tǒng)的堿硅酸反應(yīng)不同，并使名為堿硅酸鹽反應(yīng)。對(duì)此，國(guó)際學(xué)術(shù)界有爭(zhēng)論。我國(guó)學(xué)者唐明述對(duì)此也進(jìn)行 了研究，他從全國(guó)各地收集了上百種礦物及巖石樣品，從礦物和巖石學(xué)角度詳細(xì)研究了其堿活性程度。研究表明，所有層狀結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)生堿膨脹的、經(jīng)仔細(xì)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(yīng)，這一結(jié)論與基洛特起初發(fā)現(xiàn)的四個(gè)特點(diǎn)也并不矛盾。這個(gè)研究報(bào)告在第8廟國(guó)際堿骨料反應(yīng)學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表后，得到許多知名學(xué)者的贊同。但由于這種反應(yīng)膨脹進(jìn)程緩慢，用常規(guī)檢驗(yàn)堿硅酸反應(yīng)的方法無法判斷其活性。因此，在進(jìn)行骨料活性和骨料反應(yīng)膨脹檢驗(yàn)時(shí)，還必須與一般堿硅酸反應(yīng)類型有所區(qū)別。

 

　　混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具有三個(gè)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(dāng)數(shù)量活性成分；第三是潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。

 

　　早在1940年，斯坦孰用加利福尼亞州骨料作砂漿膨脹試驗(yàn)時(shí)，就發(fā)現(xiàn)水泥含堿量愈高，堿骨料反應(yīng)的膨脹量愈大，在水泥含堿量低于0.6%時(shí)， 就可以避免發(fā)生堿骨料反應(yīng)。后來在其他許多國(guó)家試驗(yàn)，由于骨料反應(yīng)的活性不同，有時(shí)水泥含堿量低于0.4%氧化納當(dāng)量、也有發(fā)生堿骨料反應(yīng)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(shù)國(guó)家接受。隨著水泥工業(yè)出現(xiàn)含不同混合材的水泥以及混凝土愈來愈多地?fù)接酶鞣N外加劑，以及日本、英國(guó)使用海砂配混凝土，發(fā)現(xiàn)混凝土各種原材料成分中的堿(Na₂O、K₂O)，均可導(dǎo)致發(fā)生堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害。

 

      有關(guān)活性骨料，經(jīng)世界各國(guó)許多學(xué)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(jié)品不完整的二氧化 硅、如玉髓、磷石英、微晶石英等，另—種是結(jié)晶完整，例如花崗巖為深成巖，其中石英結(jié)晶很完整，但由于地殼變動(dòng)，受擠壓力產(chǎn)生晶格扭曲變形，當(dāng)其中應(yīng)變石英含量大于30%時(shí)，就會(huì)發(fā)生堿活性。還有一種層狀頁硅酸鹽、屬于現(xiàn)在有爭(zhēng)議的堿硅酸鹽反應(yīng)活性骨料。

 

各國(guó)已發(fā)現(xiàn)堿活性礦物巖石(表一)

巖 　　石		活 性 組 分
火　成　巖	花崗巖 花崗閥長(zhǎng)巖 紫蘇花崗巖	應(yīng)變石英含量>30%
	浮石 流紋石 安山石 英安巖 粗面巖 珍珠巖 黑曙巖 火山凝灰?guī)r	酸至中性富二氧化硅 的火山玻璃體鱗石英
	玄武巖	玉髓、蛋白石
變　質(zhì)　巖	片巖 片麻巖	應(yīng)變石英含量>30%
	石英石	應(yīng)變石英量>30%,燧石含量>5%
	角頁巖 千枚巖 泥板巖	頁硅酸鹽、變石英
沉　積　巖	砂巖 硬砂巖	應(yīng)變石英、燧石含量>5% 頁硅酸鹽、應(yīng)變石英
	燧石（球狀） 　?。ò鍫睿?/SUB>	微晶石英、玉髓、蛋白石
	硅藻土 碳酸巖	蛋白石、微晶石英 泥質(zhì)白云石、頁硅酸鹽

　　

      最后一個(gè)條件就是潮濕多水，愈是在潮濕多水的環(huán)境條件下堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害發(fā)展愈快，往往在向—個(gè)混凝土工程，混凝土配制材料具備堿骨料反應(yīng)的條件，在這個(gè)工程潮濕多水的部位首先發(fā)生堿骨料反應(yīng)損害，在其它部位則發(fā)展緩慢。

 

　　受堿骨料反應(yīng)膨脹開裂的工程從外觀上看，在少鋼筋約束的部位為網(wǎng)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(nèi)色或透明肢體的痕跡。在同一工程中潮濕部位發(fā)展嚴(yán)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。

 

　　堿骨料反應(yīng)條件是在混凝土配制時(shí)形成的，即配制的混凝土中只要有足夠的堿和反應(yīng)性骨料，在混凝土澆筑后就會(huì)逐漸反應(yīng)，在反應(yīng)產(chǎn)物的逐漸吸水膨脹和內(nèi)應(yīng)力足以使混凝土開裂的時(shí)候，工程便開始出現(xiàn)裂縫。這種裂縫和對(duì)工程的損害隨著堿骨料反應(yīng)的發(fā)展而發(fā)展，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(yīng)的發(fā)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(fā)生大面積堿骨料反應(yīng)開裂，日本曾采取將所有裂縫注入環(huán)氧樹脂、注射后又將整個(gè)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(jìn)入的方法控制堿骨料反應(yīng)的發(fā)展，結(jié)果僅僅經(jīng)過一年、又多處開裂。因此世界各國(guó)都是在配制混凝土?xí)r采取措施，使混凝土工程不具備堿骨料反應(yīng)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(guó)提出水泥含量低于0.6%氧化納當(dāng)量（即Na₂O+0.658K₂O） 為預(yù)防發(fā)生堿骨料反應(yīng)的安全界限以來，雖然對(duì)有些地區(qū)的骨料在水泥含量低于0.4%時(shí)仍可發(fā)生堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害、但一般情況下低于0.6%作為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的安全界限已為世界多數(shù)國(guó)家所接受。已有二十多個(gè)國(guó)家將此安全界限列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。許多國(guó)家如新西蘭、英國(guó)、日本等國(guó)內(nèi)大部分水泥廠均生產(chǎn)含堿量低于0.6%的水泥。加拿大鐵路局規(guī)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(shí)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(xué)。對(duì)此，南非曾規(guī)定每m³混凝土中總堿量不得超過2.1kg，英國(guó)提出以每m³混凝土全部原材料總堿量(Na₂O當(dāng)量)不超過3kg，已為許多國(guó)家所接受。

 

3．對(duì)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(yàn)，如果水泥含堿量高或混凝土總堿量高于 3kg/m³，則應(yīng)對(duì)骨料進(jìn)行活性檢測(cè)、如經(jīng)檢測(cè)為活性骨料、則不能使用，或經(jīng)與非活性骨料按一定比例 混合后，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)工程無損害時(shí)，方可按試驗(yàn)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(yīng)。根據(jù)各國(guó)試驗(yàn)資料。摻(5-10)%的硅灰可以有效的抑制堿骨料反應(yīng)，據(jù)悉冰島自1979年以來，一直在生產(chǎn)的水泥中摻(5—75)%硅灰、以預(yù)防堿骨料反應(yīng)對(duì)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(jīng)試驗(yàn)，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(yīng)。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(yīng)對(duì)工程的損害、現(xiàn)在美、英、德諸國(guó)對(duì)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(dān)心混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)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(yīng)對(duì)工程損害的效果。

 

　　我國(guó)水利工程從50年代起就吸取了美國(guó)派克大壩等許多土建工程因堿骨料反應(yīng)破壞而拆除重建的教訓(xùn)，明確規(guī)定凡較大水利工程開采骨料時(shí)都要求進(jìn)行活性檢驗(yàn)及專家論證，并采取摻大量混合材的水泥以及在現(xiàn)場(chǎng)摻混合構(gòu)等措施，這些規(guī)定至今仍在水利工程有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中沿用。因此我國(guó)自50年代以來建設(shè)了許多大型水利工作、未出現(xiàn)過堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害。

 

　　另外，我國(guó)自50年代起就生產(chǎn)摻大量混合材料的水泥、例如六、七十年代大量生產(chǎn)使用有礦渣400 號(hào)水泥，其中礦渣含量高達(dá)(60-70)%，水泥熟料僅占約30%，即使產(chǎn)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(yīng)的使用，因而在八十年代以前，我國(guó)一般土建工程尚未見有堿骨料反應(yīng)對(duì)工程損害的報(bào)導(dǎo)。

 

　　正因?yàn)槿绱?，我?guó)一般土建工程的設(shè)計(jì)和施工人員對(duì)堿骨料反應(yīng)問題比較生疏，即使某工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)特征的裂縫、也往往認(rèn)為是養(yǎng)護(hù)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(yán)重被迫拆除，也不一定認(rèn)為是由于堿骨料反應(yīng)造成的。

 

　　自從70年國(guó)際能源危機(jī)以來，水泥工業(yè)逐漸由濕法生產(chǎn)改為干法生產(chǎn)，我國(guó)國(guó)營(yíng)大中型水泥廠到80 年代陸續(xù)都已改為干法生產(chǎn)、使水泥含堿量增加；特別是在80年代后期，做為利用工業(yè)廢料和節(jié)能措施，將回收高堿窯灰摻入水泥中作為一項(xiàng)先進(jìn)措施在全國(guó)推廣，使我國(guó)國(guó)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，這種純硅酸鹽水泥到1989年產(chǎn)量已越過100萬噸。用這種水泥如果骨料活性不作檢測(cè)、這就為許多工程帶來建成若干年后發(fā)生堿骨料反應(yīng)損害的隱患。據(jù)悉，我國(guó)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(guó)自七十年代后期以來即以硫酸鈉作為水泥混凝土早強(qiáng)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(yīng)對(duì)工程損害的潛在危害。

 

　　據(jù)了解，我國(guó)某機(jī)場(chǎng)混凝土跑道已發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)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(jīng)取樣證實(shí)為堿骨料反應(yīng)。由于近幾年我國(guó)水泥外加劑等情況的發(fā)展變化，混凝土堿骨料反應(yīng)問題已構(gòu)成我國(guó)土建工程的一大潛在危害，希望我國(guó)的建筑、市政、交通等有關(guān)混凝土工程設(shè)計(jì)、施工工程技術(shù)人員對(duì)此問題給予應(yīng)有的重視，采取可能做到的各種措施，預(yù)防堿骨料反應(yīng)對(duì)工程的損害。