淺談堿集料反應(yīng)對(duì)混凝土的危害

　　摘 要：文章以具體事例介紹了混凝土堿集料破壞對(duì)工程 結(jié)構(gòu)的影響，闡述了堿集料反應(yīng)的分類和機(jī)理，說(shuō)明了堿集料反應(yīng)發(fā)生的原因和基本特征， 提出了預(yù)防堿集料反應(yīng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)破壞應(yīng)采取的具體措施。

　　關(guān)鍵詞：堿集料反應(yīng)；混凝土；危害

　　中圖分類號(hào)：U416  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1007-6921（2009）09-0132-02

　　混凝土堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿和環(huán)境中可能滲入的堿與混凝土集料（砂石）中的活性 礦物成分，在混凝土固化后緩慢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠凝物質(zhì)因吸收水分后發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致混凝土從內(nèi)向外延伸開(kāi)裂和損毀的現(xiàn)象，它是破壞混凝土建筑的一個(gè)重要因素。

　　我國(guó)科學(xué)家10年前發(fā)現(xiàn)了堿集料反應(yīng)對(duì)建筑物的破壞，究其原因，專家們分析：①含堿粘土 、砂石料在我國(guó)分布很廣，北方地區(qū)尤其嚴(yán)重；②建筑施工中追求高強(qiáng)度和高性能混凝土，使單位混凝土的水泥用量增加，混凝土中來(lái)自水泥的堿含量超過(guò)了3kg/m3的限值，大量早 強(qiáng)劑、防凍劑的使用又大大促進(jìn)了堿集料反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展；③國(guó)家沒(méi)有關(guān)于防止堿集料反應(yīng)的有關(guān)規(guī)定，建筑商只注意工程進(jìn)度，并不對(duì)建筑物的使用壽命負(fù)責(zé)。還有 些人為了降低造價(jià)，明知水泥堿性過(guò)高會(huì)影響建筑物壽命，也不愿增加成本購(gòu)買低堿水泥。例如：天津市內(nèi)的八里臺(tái)立交橋，也是天津最大的立交橋，使用的含活性硅成份的薊縣灰?guī)r 做骨料。有許多潮濕部位的柱子、支撐梁發(fā)生網(wǎng)狀開(kāi)裂和順筋開(kāi)裂，有的橋臺(tái)潮濕處混凝土脹裂，裂縫表面不平。天津市長(zhǎng)江道立交橋柱子、支承梁和主粱梁端在潮濕處發(fā)生順筋開(kāi)裂 ,有些柱子表面發(fā)生網(wǎng)狀裂縫。

　　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)堿集料反應(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(kāi) 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)構(gòu)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，如安山巖、流紋 巖等。迄今為止，世界各國(guó)發(fā)生的堿集料反應(yīng)絕大多數(shù)為堿硅酸反應(yīng)。

　　1.2 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(kāi)裂。

　　1.3 堿硅酸鹽反應(yīng)

　　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)

　?、俑吖栀|(zhì)砂礫石集料在砂漿或混凝土中引起地形開(kāi)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 堿骨料反應(yīng)的發(fā)生原因（條件）和特征

　　混凝土工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具有3個(gè)條件。①混凝土的原材料如水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高；②骨料中有相當(dāng)數(shù)量的活性成分；③潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。

　　硅酸凝膠膨脹隨水泥的堿含量增加而增大，在水泥含堿量低于0.6%時(shí)，就可以避免發(fā)生堿集料反應(yīng)；一定堿量的水泥，則集料顆粒愈小而膨脹愈大。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的活性氧化硅含 量范圍內(nèi)，對(duì)一定堿量，活性氧化硅含量越多，膨脹越大。但當(dāng)活性氧化硅含量超過(guò)一定范圍后，情形就相反了?；炷粮鞣N原材料成分中的堿（Na2O、K2O）均可導(dǎo)致發(fā)生堿集料 反應(yīng)對(duì)工程的損害。

　　活性骨料或堿活性礦物巖石有火成巖、花崗巖、石英含量>30%花崗閃長(zhǎng)巖、 流紋石、安山石、玄武巖、蛋白石、變質(zhì)巖 、片麻巖等。

　　活性成份一種是無(wú)定形（非晶體）二氧化硅，如蛋白石，火山玻璃；一種是結(jié)晶不完整的二 氧化硅，如玉髓、鱗石英、微晶石英等，另一種是結(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)其中石英含量>30%時(shí)，就 會(huì)發(fā)生堿活性反應(yīng)。

　　愈是在潮濕多水的環(huán)境條件下，堿集料對(duì)工程的損害發(fā)展愈快，往往在同一個(gè)混凝土工程，混凝土配制材料具備堿集料反應(yīng)的條件，在潮濕多水部位首先發(fā)生堿集料損害，在其他部位 則發(fā)展緩慢。

　　受硅酸凝膠膨脹開(kāi)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(kāi)裂，在很多情況下可以看到從裂縫處溢出白色或透明膠體的痕跡。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。硅酸凝膠的一般特征是，在破壞的試樣里可以鑒定出堿硅酸凝膠的存在，集料顆粒周圍出現(xiàn)反應(yīng)環(huán)。最后準(zhǔn)確決斷還需要從受害的工 程取芯樣鑒定。

　　3 堿集料反應(yīng)破壞與其他一些質(zhì)量事故的區(qū)別

　　3.1 堿集料反應(yīng)裂縫與混凝土工程其他裂縫

　　干縮裂縫多在混凝土澆筑后約一個(gè)月以內(nèi)形成，以后在干燥環(huán)境中有所發(fā)展。堿集料反應(yīng)裂縫則有反應(yīng)積累時(shí)間，出現(xiàn)裂縫的時(shí)間比較滯后，短至2~3年，長(zhǎng)至40~50年。干縮裂縫一 般是網(wǎng)狀的，有約束時(shí)則裂縫垂直于約束方向，而且裂縫兩側(cè)的混凝土是干而平的；堿集料反應(yīng)裂縫在無(wú)約束條件時(shí)也呈網(wǎng)狀，但由于膨脹裂縫，往往裂縫兩側(cè)的混凝土不平，有一面 拱起。

　　在同一個(gè)混凝土部件，干縮裂縫在高溫干燥處裂縫發(fā)展，而在潮濕處裂縫變小，小裂縫甚至可愈合；堿集料裂縫則在潮濕部位首先開(kāi)裂，干燥部位可能不裂。最常見(jiàn)的堿硅酸反應(yīng)一般 均從裂縫溢出無(wú)色透明的堿硅凝膠，時(shí)間長(zhǎng)了，凝膠變成深色，但在裂縫兩邊仍遺留有凝膠痕跡，與干縮裂縫外觀有明顯的差別。

　　3.2 堿骨料反應(yīng)裂縫與鋼筋銹蝕裂縫、硫酸鹽腐蝕裂縫

　　鋼筋銹蝕，如混凝土保護(hù)層已經(jīng)碳化到鋼筋表面，鋼筋已生一層薄銹，但還沒(méi)有把保護(hù)層脹裂。此時(shí)鋼筋與混凝土的握裹力已為鐵銹所代替，敲擊必有空鼓聲，這種情況，稱為層裂； 堿集料反應(yīng)出現(xiàn)順筋裂縫，即使裂縫很大，在鋼筋沒(méi)有銹蝕前，敲擊時(shí)是沒(méi)有空鼓聲的。在發(fā)生堿集料裂縫后，如不及時(shí)進(jìn)行封縫處理，則氧氣和水沿裂縫直接接觸鋼筋，鋼筋很快會(huì) 在裂縫部位銹蝕，但銹蝕沒(méi)有發(fā)展到鋼筋與混凝土接觸面時(shí)，敲擊混凝土仍不會(huì)有空鼓聲。

　　混凝土工程的硫酸鹽腐蝕，例如混凝土管道經(jīng)過(guò)鹽堿地或構(gòu)筑物基礎(chǔ)處于鹽堿地或接觸含硫酸鹽的水時(shí)，會(huì)發(fā)生硫酸鹽腐蝕。硫酸鹽腐蝕會(huì)使混凝土表面顏色變黃或變深色，裂縫多而 細(xì)，如鋼筋銹蝕也會(huì)出現(xiàn)順筋裂縫。受硫酸鹽腐蝕的混凝土由表面逐漸向深層變酥，使混凝土失去強(qiáng)度而層層剝落，與堿集料損壞明顯不同。

　　4 防止堿集料反應(yīng)破壞工程結(jié)構(gòu)物的措施

　　近年來(lái)，由于我國(guó)水泥、外加劑等情況發(fā)展變化，混凝土堿集料反應(yīng)問(wèn)題已構(gòu)成我國(guó)水泥混凝土及土建工程的一大潛在危害，在混凝土的設(shè)計(jì)、施工中，工程技術(shù)人員對(duì)此問(wèn)題引起重 視，采取以下措施，預(yù)防堿集料反應(yīng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)物的破壞，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命。

　　4.1 施工管理中的控制措施

　　4.1.1 制定準(zhǔn)確可行的防止堿集料反應(yīng)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)方法等技術(shù)規(guī)范并加強(qiáng)監(jiān)管。

　　4.1.2 大幅度增加低堿水泥的產(chǎn)量。

　　4.1.3 建立現(xiàn)代化采石場(chǎng)，對(duì)所供應(yīng)的集料要有詳細(xì)的勘測(cè)及日常檢測(cè)報(bào)告，以保證大 型重要工程使用無(wú)堿活性集料。

　　4.1.4 加強(qiáng)宣傳教育，使各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員了解堿集料反應(yīng)對(duì)建筑物的危害，避免因追 求獻(xiàn)禮工程、限期工程而忽視混凝土的質(zhì)量。要讓使用者和建筑者都把保證建筑物的長(zhǎng)期壽命列為最重要的目標(biāo)。

　　4.2 施工過(guò)程控制措施

　　4.2.1 控制水泥含堿量。由于混凝土工程發(fā)生堿集料損壞是由于混凝土內(nèi)部的堿與活性骨料反應(yīng)所致，世界各國(guó)

　　為了避免堿集料反應(yīng)造成混凝土工程破壞的巨大經(jīng)濟(jì)損失，均以預(yù)防為主，即配制混凝土?xí)r 控制活性骨料數(shù)量和含堿量。我國(guó)規(guī)范規(guī)定使用低堿水泥即Na2O+0.658K2O<0.6%有效防止發(fā)生堿集料反應(yīng)。

　　4.2.2 控制混凝土中堿含量。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，單方水泥用量增加，外加劑的應(yīng)用比較普遍，大量使用海砂配制 混凝土，這樣預(yù)防堿集料反應(yīng)就需要限制混凝土的總堿量。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)的《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》CECS53:93規(guī)定：干燥環(huán)境，一般工程結(jié)構(gòu)、重要工程結(jié)構(gòu)不限制，特殊工程結(jié)構(gòu)3.0kg/m³;潮濕環(huán)境，一般工程結(jié)構(gòu)3.5kg/m³,重要工程結(jié)構(gòu)3.0kg/ m³,特殊工作結(jié)構(gòu)2.1kg/m³;含堿環(huán)境，一般工程結(jié)構(gòu)3kg/m³,重要和特殊工程結(jié) 構(gòu)用非活性骨料。香港規(guī)定重要工作結(jié)構(gòu)限值標(biāo)準(zhǔn)為3kg/m³.

　　4.2.3 選擇活性含量低的骨料。我國(guó)地域遼闊，活性骨料的種類及分布很復(fù)雜。例如內(nèi)蒙古地區(qū)大 青山分布的巖石大多是酸性石料。盡可能少用酸性石料抑制堿集料反應(yīng)。

　　4.2.4 摻混合材。摻某些活性混合材可緩解、抑制混凝土的堿集料反應(yīng)，根據(jù)各國(guó)試驗(yàn)資料，摻30%~50%的礦 渣，粉煤灰可以有效抑制堿集料反應(yīng)。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，高爐礦渣的摻量為50%以上。有效抑制堿集料反應(yīng)。

　　4.2.5 隔絕水和濕空氣的來(lái)源：防止發(fā)生堿集料反應(yīng)。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1] 姜志青。道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2005.