有關堿- 骨料反應中堿含量研究綜述
2006-04-10 00:00
摘 要：討論了混凝土各組成成分中的堿含量對混凝土堿- 骨料反應的貢獻。分析了國內外在混凝土工程中控制堿含量的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時指出應以有效堿量為混凝土堿含量的控制指標，并建議制定相關測定規(guī)范。
關鍵詞：混凝土；堿- 骨料反應；堿含量；有效堿
1 混凝土中堿的來源
混凝土中的堿主要來源于混凝土本身的組成材料:水泥、外加劑、混合材、骨料和拌合水等。
(1)水泥中的堿。水泥是混凝土中堿的主要來源，因各地原材料不同水泥的堿含量也有所不同。其含量一般在0.6% ～1.2%范圍內波動。低于0.6%堿含量的水泥屬于低堿水泥。隨著水泥堿含量的增加或水泥用量的增加，堿-集料反應的膨脹也隨之增大，如圖1所示。
圖1 水泥堿含量與堿- 骨料反應膨脹量的關系
(2)外加劑中的堿?，F(xiàn)代混凝土成分中除傳統(tǒng)的水泥、砂、石、水外，外加劑已是不可缺的組分。外加劑都是無機鹽和有機的表面活性物質，大多數(shù)都含Na+ 、K+ 等堿金屬離子。這部分離子能與活性骨料作用，能直接或間接地促進堿- 集料反應的發(fā)展。
(3)混合材中的堿。混合材本身就含有一定量的堿，摻入混凝土后，部分堿會被釋放出來，即有效堿，從而加速堿-骨料反應的發(fā)展。
(4)骨料和海水中的堿。海水和受到海水作用的砂石都含有Na+ 、K+ ，這類離子，在含有活性骨料的混凝土中也會加速堿- 骨料反應的發(fā)展。
以上四類是混凝土自身的固有堿。大量實驗表明，從環(huán)境中滲入混凝土中的堿能補充混凝土自身對堿的消耗，進而促進堿- 骨料反應(見圖2) 。
圖2 環(huán)境中的堿對AAR的影響
低堿水泥；骨料；高活性砂子；浸泡堿溶液濃度:3N (50 ℃)；1- KCl；2 - NaNO2 ；3 - NaCl；4 - KOH；5 - NaOH；6 - H2O
2 混凝土總堿量與有效堿
2.1 總堿量
總堿量是指混凝土中以各種形式存在的堿的總和，它包括固相和液相兩部分。一般認為固相堿不參與堿- 骨料反應。
水泥、外加劑和混合材等礦物質材料的堿含量測定，在《水泥化學分析方法》GB /T176“3.11氧化鈉和氧化鉀的測定”對此做了詳細的規(guī)定，包括3.11.1火焰光度法(A法)和311112原子吸收光譜法(B法) 。
溶液或液體狀外加劑、水等的堿含量測定，采用《混凝土外加劑》GB80176 - 1997附錄D混凝土外加劑中堿含量的測定方法(火焰光度計法)或《水泥化學分析方法》GB /T176中3.11.2原子吸收光譜法測定。
2.2 有效堿
2.2.1 有效堿的概念
混凝土孔隙溶液中的堿以離子形式存在，它和活性骨料反應而導致堿- 骨料反應破壞，這部分堿只是混凝土總堿量中的一部分，稱之為有效堿或活性堿，也有人稱有害堿?；炷林校?結合于C-S-H凝膠等固相中的堿則不參與堿-骨料反應，這部分堿常稱為無害堿。若以有效堿來評價混凝土中堿對堿- 骨料反應的影響，不僅可以準確判斷堿- 骨料反應能否發(fā)生，而且對于抑制堿- 骨料反應措施的研究及合理利用資源有巨大現(xiàn)實意義。
2.2.2 有效堿的測定
有效堿的測定方法可分為溶出法和萃取孔溶液法[5]兩種。溶出法又分為取出溶出法(改進ASTMC311法)[6]和原位置溶出法[7]。
2.2.3 有效堿的計算
目前比較公認的有效堿計算方法有：
(1)水泥中的堿包括總堿、可溶性堿和有效堿。水泥的總堿量并不能說明它對SiO2 的活性，而有效堿量則可作為水泥對SiO2 的一個比較好的活性指標。但由于有效堿隨可溶性堿量的不確定變化較大，目前還沒有能準確計算水泥中有效堿的方法。基于安全考慮，通常將水泥中的總堿均視為有效堿。故單位質量水泥Na2Oeq=Na2O+0.658K2O
(2)摻合料有效堿，根據(jù)D1W Hobbs[ 8 ]及其他研究者[ 9 ]的大量試驗研究，國際上通常取粉煤灰總堿量的17%作為其有效堿量，取礦渣或硅灰總堿量的50%作為其有效堿量。單位質量粉煤灰Na2Oeq=Na2O+0.658K2O×17%單位質量礦渣(或硅灰Na2Oeq=Na2O+0.658K2O×50%
(3)由外加劑引入的堿均為可溶性堿，都視為有效堿。外加劑有效堿量=∑Na2Oeq×100%
(4)拌合水中的堿全部為水溶性堿，均能參與堿-骨料反應。單位質量拌合水 Na2Oeq=Na2O+0.658K2O
由此，我們可以得到：混凝土有效堿總量=水泥有效堿量+各摻合料有效堿量+各外加劑有效堿量+拌合水有效堿量
一些學者認為以上粉煤灰“1/6規(guī)則”和礦渣“1/2規(guī)則”趨于保守。英國建筑研究協(xié)會標準(BRE Digest330，1997) [ 10 ]按照骨料種類和水泥種類的不同匹配分別考慮混合材的有效堿量，取消了統(tǒng)一的1/6和1/2規(guī)則。對礦渣，當摻量低于25%時，取全部堿有效計算，當摻量為25%～39% ，按1/2計算，當摻量達40%以上，則忽略不計。對粉煤灰，當摻量小于20%時，全計;20%～24%時，按1/5計算;摻量大于25%時，則忽略不計。這樣的計算較以往統(tǒng)一的粉煤灰“1/6規(guī)則”和礦渣“1/2規(guī)則”，更加合理。
3 國內外對堿含量的相關規(guī)定
對于堿- 骨料反應的預防，使用非活性骨料是最可靠的途徑，也是目前各個國家建議采用的首選措施。但是，由于資源和經(jīng)濟方面的原因，該措施往往并不可行。在這種情況下，就必須采取一定的措施來抑制所用骨料的堿活性，即確保其安全性。堿- 骨料反應的發(fā)生有三個必要條件:活性的骨料、潮濕的環(huán)境和有效堿的補充。在采用活性骨料時，抑制堿- 骨料反應危害最可靠而有效的辦法歸結到一條，就是控制混凝土的堿含量。
國際上，盡管目前在堿- 集料反應膨脹取決于單位體積混凝土內的堿含量而不是取決于水泥中的堿含量這一點已取得了一致的認識，但對于混凝土安全堿含量問題，仍是有爭議的。英國交通部和水泥學會都認為混凝土的堿含量控制在3.0 kg/m3 以下是安全的。新西蘭水泥和混凝土協(xié)會規(guī)定混凝土的堿含量低于2.5 kg/m3 是安全的。南非標準(SABS0100 - PartⅡ)中則指出混凝土的堿含量必須低于2.1kg/m3 才是無害的。甚至有資料談到混凝土的堿含量要超過5.0 kg/m3 才是有害的。這里存在兩個問題：(1)如果使用活性集料，混凝土的堿含量必須有所控制。對于這一點，認識基本上是統(tǒng)一的。(2)上述的混凝土堿含量控制指標是各國在用本國集料進行研究的基礎上提出來的，控制指標的差別反映了各國集料的差別。
2003年4月，國際材料與結構研究試驗聯(lián)合會(RILEM)提出了“減少混凝土中堿反應的國際標準草案”。在這一草案中，對于不同活性的集料提出不同的堿含量限制指標。對于低活性集料(相應于非活性集料) ，沒有對混凝土堿含量的限度提出要求;對于中等活性集料，混凝土堿含量的限度為3.0 kg/m3 或3.5 kg/m3 Na2Oeq ;對于高活性集料，混凝土堿含量的限度應低于2.5 kg/m3 Na2Oeq?；炷翂A含量限度的控制原則是比試驗室測定的集料單方堿臨界值少2.0kg/m3Na2Oeq。從這一控制原則來看，國際上已經(jīng)認識到集料的差異，改變了用一個指標簡單的控制混凝土堿含量的做法，而是把混凝土堿含量的限度與集料的性能結合起來。畢竟不同的混凝土堿含量限值是不同的，甚至差別非常大，對于不同的集料應該有不同的堿含量限值。RILEM的提案正是出于這一考慮。這是一個十分重要的發(fā)展趨勢。早在1993年，我國就提出了《混凝土堿含量限值標準》CECS53：93。這一標準規(guī)定：“在集料具有堿- 硅反應活性時，依據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件對不同的工程結構分別采取表1中的堿含量限值或措施?！?SUP>[ 10 ]
表1 《混凝土堿含量限值標準》中關于堿含量的規(guī)定
在CECS104：99《高強混凝土結構技術規(guī)程》中規(guī)定：“為防止破壞性堿- 集料反應， 當結構處于潮濕環(huán)境且集料有堿活性時， 每m3 混凝土拌合物(包括外加劑) 的含堿總量(Na2O + 0.658 K2O) 不宜大于3 kg， 超過時應采取抑制措施”。
需要指出的是以上提到的堿含量應該當作有效堿理解，且國內現(xiàn)行的一些規(guī)范標準對于有效堿量的規(guī)定出于安全性考慮還趨于保守。
4 結論與建議
(1)混凝土總堿量并不能說明它對SiO2 活性膨脹的貢獻，有效堿量才是堿- 骨料反應膨脹的主要指標之一。
(2)用限制混凝土含堿量作為控制混凝土堿- 骨料反應的有效措施，應對混凝土各組分及工作環(huán)境進行全面考慮，計算的應是“有效堿”的總和。
(3)建議研究制定與《混凝土堿含量限制標準》相配套的有效堿(或有害堿)的測定方法標準，并以有效堿作為限制混凝土堿含量的指標。
參考文獻
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[ 9 ] P1K1Mehta， etal， Performance and durability of concrete systems， 9th International Congress on the Chemistry of Cement， New Delhi， India， pp571 - 659， 1992.
[ 10 ] BRE Digest 330， How to avoid ASR， Concrete， July/August， 1997， 18 - 19.
[ 11 ] CECS53: 93，混凝土堿含量限值標準[ S].
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