堿集料反應(yīng)及不同形式堿對(duì)堿集料反應(yīng)的影響

      摘　要：介紹了堿集料反應(yīng)的種類、機(jī)理以及預(yù)防堿集料反應(yīng)的六條措施，同時(shí)分析了水泥中的堿、混合材中的堿以及拌合水和外加劑中堿的存在形式，指出降低水泥中的可溶堿、增加固溶熟料中的堿是抑制堿集料反應(yīng)的有效途徑。

 

      關(guān)鍵詞：堿集料反應(yīng)，可溶堿，固溶堿

 

 

      所謂堿集料反應(yīng)（英文簡(jiǎn)稱AAR） 就是水泥（或混凝土） 中的堿與某些骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起膨脹開裂，甚至破壞。含有堿活性礦物的集（骨） 料稱為堿活性集（骨） 料，亦稱為堿集（骨） 料。

 

      自1940 年被美國(guó)的斯坦頓（ T. E. stanton） 首次證實(shí)，因?yàn)閴A集料反應(yīng)引起混凝土工程破壞以來(lái)，AAR 已越來(lái)越受到各國(guó)建筑工程師、材料工程師和政府有關(guān)部門的重視。

 

      眾所周知，混凝土是由固相、液相和氣相組成的。固相主要由水泥及摻合料水化后的水化產(chǎn)物和集料組成；液相就是存在于極細(xì)孔隙中的含有多種離子的水溶液，即所謂的孔溶液；氣相則是分布于混凝土中的大小不等的氣孔?；炷林械膲A，一部分存在于固相中，一部分存在于液相中，即孔溶液中。由于堿的存在環(huán)境不同，因此其對(duì)堿集料反應(yīng)的影響也就不同。封孝信等[1]將水泥中的堿含量分為三種：總堿量、可溶性堿量及有害堿。P. J .Nixon 等人[2]的研究證明，孔溶液的堿度降低與抑制堿集料反應(yīng)引起的膨脹有較好的關(guān)系。因此，若能將孔溶液中的堿度降低到一定程度，則可抑制堿集料反應(yīng)的發(fā)生。

 

      1 　堿骨料反應(yīng)的分類和機(jī)理

      1. 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，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。

 

      1. 2 　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)的白云石，才發(fā)生堿碳酸鹽反應(yīng)。

 

      堿碳酸鹽反應(yīng)的機(jī)理與堿硅酸反應(yīng)完全不同，在泥質(zhì)、石灰白云石中含粘土和方解石較多，堿與這種碳酸鈣鎂反應(yīng)時(shí)，將其中的白云石[MgCO₃ ]轉(zhuǎn)化為鎂石[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。

 

      1. 3 　堿硅酸鹽反應(yīng)

      這類反應(yīng)主要指水泥（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)。

 

      1. 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圖形開裂；

      2）含粘土多的水成巖（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)（粘土是層狀晶格硅酸鹽） ，引起粘土礦物“剝落”。

 

      2 　不同形式的堿對(duì)堿集料反應(yīng)的影響

      2. 1 　水泥中的堿

      水泥中的堿是混凝土堿的最大來(lái)源。水泥中的堿主要由生產(chǎn)水泥的原料粘土和燃料煤引入。堿在水泥中以可溶和不可溶的形式存在，可溶部分很大程度上以Na₂SO₄ 存在，也可能以一連續(xù)系列鉀—鈉復(fù)鹽存在，組成從NK₄S₅ 至NK₅S₆ 變化。也曾找到KC₂S₃ 化合物。有的熟料含K₂CO₃ 和Na₂CO₃ 。不溶堿主要以KC₂₃S₁₂ ，NC₂₃S₁₂ 或兩者的固溶體存在于C₂S 中，及以NC₈A₃，KC₈A₃ 或兩者的固溶體存在于C₃A 中及以鋁共存于C₄AF 組分中。研究表明[4]：在熟料礦物中，固溶于C₂S 中的堿參與堿集料反應(yīng)的程度要比固溶于C₃A 中的堿輕得多。當(dāng)水泥加水后，硫酸鹽及碳酸鹽形式的堿很快溶入水中，而固溶在熟料中的堿則隨著礦物水化的進(jìn)行而慢慢地溶入水中，同時(shí)溶入水中的堿又有部分被水化產(chǎn)物C—S—H所吸收。C—S—H結(jié)合的堿越多，對(duì)堿集料反應(yīng)而言系統(tǒng)越穩(wěn)定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證明[4]，Na⁺，K⁺ 在C—S—H中的存在量與其Ca/Si比有關(guān)，降低C—S—H中的Ca/Si比，可增加其對(duì)Na⁺，K⁺的容納量。F. P. Glasser 認(rèn)為，Ca/Si比高時(shí)，C—S—H凝膠帶正電，排斥Na⁺，K⁺，使其保留在孔溶液中；Ca/ Si低時(shí)，C—S—H帶負(fù)電，吸引Na⁺，K⁺。H·State 認(rèn)為C—S—H凝膠的層狀機(jī)構(gòu)中，存在Si—OH基團(tuán)，Na⁺，K⁺可通過(guò)中和Si—OH基團(tuán)而被結(jié)合在C—S—H相的層間。Ca/Si比小時(shí)，Si—OH基團(tuán)量多，可結(jié)合更多的Na⁺，K⁺。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明[4]：當(dāng)將Al₃⁺，SO₄^2- 兩種離子分別固溶在C—S—H中，C—S—H的固堿能力將加強(qiáng)。尤其是在C—S—H固溶一定量的Al₃⁺后，C—S—H 固堿能力提高并且比較穩(wěn)定，通過(guò)長(zhǎng)期的作用可形成沸石性水化產(chǎn)物，有利于防止堿集料反應(yīng)的發(fā)生。

 

      由上述可見，水泥中的堿并不是全部用于堿集料反應(yīng)，而是溶入水中未被水化產(chǎn)物吸收的那部分堿（即有害堿） 才參與反應(yīng)。因此降低水泥中的可溶堿，增加固溶熟料中的堿是減少堿集料反應(yīng)的有效途徑。同時(shí)如何降低水化產(chǎn)物C—S—H的Ca/Si是目前研究者們共同關(guān)注的問(wèn)題。

 

      2. 2 　混合材或摻合料中的堿

      生產(chǎn)水泥時(shí)或混凝土攪拌時(shí)摻入一定量的混合材，可抑制AAR 的發(fā)生。目前，常用的混合材或摻合料是礦渣、粉煤灰、硅灰、沸石等?；旌喜幕驌胶狭现械膲A同樣可分為總堿量、可溶性堿量及有害堿量三種。

 

      馮乃謙等人曾將沸石加入NaOH溶液中，發(fā)現(xiàn)堿溶液中的Na⁺濃度明顯降低。其機(jī)理是沸石具有很強(qiáng)的離子交換能力，Na⁺進(jìn)入沸石中，而Ca²⁺則被交換出來(lái)。此外，沸石中含有部分玻璃體，具有火山灰活性，可與Ca（OH）₂反應(yīng)生成C—S—H凝膠，吸收一定量的堿。

 

      研究表明[4]，存在于混合材中的堿對(duì)堿集料反應(yīng)的作用最小。楊家智等人認(rèn)為，不論高堿或低堿水泥，若摻入在活性、數(shù)量及細(xì)度上都有足夠限度的混合材，則其中的堿與骨料就不會(huì)產(chǎn)生破壞性膨脹。張雅杰等研究表明，粉煤灰摻量為20 %時(shí)，可明顯抑制堿集料反應(yīng)。唐寶國(guó)等認(rèn)為低摻量時(shí)高鈣粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)有一定的抑制作用，當(dāng)摻量小于10 %時(shí)，低鈣粉煤灰不僅不能抑制反而增大了堿集料反應(yīng)的膨脹值。

 

      由上述可見，雖然混合材中含有一定的可溶性的有害堿，但加入適量的混合材后能夠抑制堿集料反應(yīng)的發(fā)生。

 

      2. 3 　拌合水及化學(xué)外加劑中的堿

      拌合水中的堿全部是水溶性的，均能參與堿集料反應(yīng)，對(duì)堿集料反應(yīng)的作用最大，即拌合水中的堿全部為有害堿。

 

      外加劑如減水劑、引氣劑、早強(qiáng)劑、防凍劑等的使用是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要?jiǎng)恿?，但同時(shí)帶來(lái)某些外加劑引入堿的問(wèn)題。由于外加劑引入的堿全部是可溶性的，對(duì)堿集料反應(yīng)的作用也最大。因此，為防止堿集料反應(yīng)，對(duì)外加劑中的堿應(yīng)格外注意。

 

      3 　結(jié)語(yǔ)

      目前，我國(guó)發(fā)生混凝土堿集料反應(yīng)的情況雖不十分廣泛和突出，但由于堿集料反應(yīng)造成的破壞性巨大，因此當(dāng)務(wù)之急是加快研究混凝土堿集料反應(yīng)的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上探索防止和抑制混凝土堿集料反應(yīng)的有效措施。同時(shí)在水泥生產(chǎn)中減少水泥中的可溶堿量，增加固溶于熟料中的堿量是抑制堿集料反應(yīng)的有效措施?；旌喜幕驌胶狭峡山档退嗷蚧炷林械目扇艿挠泻A，從而抑制堿—集料反應(yīng)的發(fā)生。化學(xué)外加劑中的堿都是可溶堿，可引入大量的有害堿，在應(yīng)用中應(yīng)特別注意。

 

      參考文獻(xiàn)：

[1 ]封孝信，馮乃謙. 水泥及混凝土中的有害堿與無(wú)害堿[J ] . 混凝土，2000 （10） ：326.

[2 ]P. J . Nixon ，el al. The effect of a pfa with a high total alkali content on pore solution composition and alkali silica reaction ，Magazine of Co ncrete Research ，1986（3） ：30235.

[3 ]莫祥銀，李　鋼，王　俠，等. LiOH 抑制堿集料反應(yīng)長(zhǎng)期有效性及機(jī)理的研究[J ] . 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003 ，31 （2） ：1182121.