浅谈混凝土碱-集料反应发展研究

　　摘要：论述了混凝土碱-集料反应的分类及机理，提出了预防和抑制混凝土碱-集料反应的有效措施。
　　关键词：混凝土；碱-集料反应；预防措施
　　1.引言
　　碱-集料反应（Alkali-AggregateReaction，简称AAR）是指混凝土中的碱（K+、Na+）或由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与集料（砂、石）中的某些有害成分（碱活性矿物）发生化学反应，生成遇水具有膨胀性质的凝胶，使混凝土内部产生膨胀应力，造成混凝土开裂破坏。1940年Stanton[1]在美国首次证实混凝土碱-集料反应对加利福尼亚洲布纳德利路面混凝土的破坏后，在世界各地相继出现各种工程破坏的事例，包括大坝、桥梁、公路、机场、港口及工业民用建筑[1]。英国自1975年发现首例AAR的建筑物破坏事例后，迄今的调查统计表明在英国的6000座钢筋混凝土桥梁中，有165座已确信受AAR的破坏；在法国北部调查了1970年后建成的860座桥，结果表明受AAR破坏者为123座，占14%；澳大利亚、西班牙、瑞士、加拿大等国都有AAR引起的混凝土建筑物破坏的事例；我国从20世纪90年代开始，陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙古、河南等地的立交桥或机场或铁路轨枕中发现因碱-集料反应所引起的破坏实例[1-2]。
　　国内外学者对碱-集料反应研究已持续60多年，并不断出现新问题和研究方向。由于活性集料经搅拌后大体上呈均匀分布，一旦发生所造成的混凝土开裂破坏是整体性的，混凝土各部分均产生膨胀应力，这种膨胀应力导致混凝土裂缝的产生，开裂往往又会加剧混凝土钢筋锈蚀、冻融破坏、碳化和侵蚀等多种破坏，彼此的叠加和相互促进，导致混凝土耐久性迅速下降，严重的可使混凝土疏松崩解，丧失使用功能。一旦发生，严重的只有拆除，无法补救，因此被喻为混凝土的癌症。碱-集料反应是影响混凝土结构长期耐久性的重要因素之一[2]。因此，充分认识碱-集料反应的作用机理以及预防措施有重要意义。
　　2.AAR反应机理分析
　　碱-集料反应发生必须具备三个条件：碱，活性集料和水，碱主要来源于水泥。国际上已发现的碱-集料反应按有害矿物种类的不同有三类[2-3]，即碱-硅酸反应（Alkali-SilicateReaction，简称ASR）、碱-碳酸盐反应（Alkail-CarbonateReaction，简称ACR）、碱-硅酸盐反应（Alkali-SilicateReaction，简称L-ASR）。其中碱-硅酸反应最普遍，因此本文提到的AAR反应主要是指ASR。
　　2.1碱-硅酸反应（Alkali-SklicaReaction，ASR）
　　碱-硅酸反应（ASR）一般指混凝土中的碱（K+、Na+）与集料中的活性SiO2发生化学反应，生成碱的硅酸盐凝胶，胶体吸水后膨胀，产生很大的膨胀压力，从而引起混凝土的开裂。ASR首先是化学反应，反应物是活性SiO2和混凝土孔溶液中的Na+、K+、OH-等，反应产物是碱硅酸凝胶。碱主要来源于水泥和外加剂，也有学者认为骨料，特别是长石含量大的骨料，也可以向混凝土中释放大量的碱，而活性SiO2则主要来源于混凝土所用集料。用简单的化学方程式表示为：
　　Na+（K+）+SiO2+OH-→Na（K）-Si-H
　　此类反应混凝土中的碱（K、Na）溶于孔隙中与硅质集料中活性SiO2反应生成碱-硅酸凝胶，其吸水后产生很大的体积膨胀，体积约增大可达3倍以上，从而导致混凝土开裂。中集料中的活性SiO2指无定形SiO2和隐晶质、微晶质及玻璃质的SiO2，如玉髓、蛋白石、非常细小的微晶石英，隐晶质和微晶质二氧化硅及受应力变型的二氧化硅等。衡量骨料SiO2活性指数的参数为K，即：
　　K=[X(CaO)+X(A12O3)]/[X(SiO2)+X(Na2O)]
　　式中：K为活性指数；X(CaO)、X(A12O3)、X(SiO2)、X(Na2O)分别为CaO、A12O3、SiO2、Na2O的摩尔分数。
　　K指数越小活性越大，碱活性的膨胀率也越大，当K小于0.2时，为活性骨料，K大于0.3时为非活性骨料。
　　2.2碱-碳酸盐反应（Alkali-CarbonateReaction，ACR）
　　碱碳酸盐反应（ACR）是AAR的一个重要类型，它是指混凝土中的碱金属离子（K+，Na+）或由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与石灰石质白云石发生化学反应，从而导致混凝土开裂。具有ACR活性的集料主要指泥质白云石质石灰石，其中一般粘土的质量分数为5%-20%，白云石和石灰石含量大致相等。Gillott[4]等研究认为白云石的菱形晶体粒径在50μm以下，且均匀散布于基质之中，基质由微晶方解石和粘土构成，紧密包裹白云石微晶。这类白云石含粘土和方解石较多，白云石颗粒小被粘土和方解石颗粒包围。碱金属离子能通过包裹在细小白云石微晶外的粘土渗入到白云石颗粒表面，使其产生反白云石化反应，但反应产物不能通过粘土向外扩散，从而使集料膨胀，引起整体体积膨胀，造造成混凝土膨胀开裂破坏。唐明述[4]等对碱碳酸盐反应进行了系统研究，提出膨胀是由局部化学反应和结晶压引起的理论。ACR的膨胀机理与ASR完全不同，ACR反应继续产生碱并反复与白云石反应，方程式为：
　　CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+Na3CO3
　　去白云化反应使菱形白云石晶体遭受破坏，从而使粘土暴露造成能够吸水而膨胀的条件。即去白云石化是膨胀的前提条件，而干粘土吸水是膨胀的本质原因。
　　2.3碱-硅酸盐反应（Alkali-SiliCatiteReaction，L-ASR）
　　碱-硅酸盐反应（L-ASR）混凝土中的碱金属离子（K+、Na+）和由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与某些层状硅酸盐集料发生化学反应，生成碱的硅酸盐凝胶，胶体吸水后膨胀，使层状硅酸盐层间距离增大，从而引起混凝土的开裂。参与反应的集料主要是硬砂岩、粘土质岩、千枚岩等。碱-硅酸盐反应（L-ASR）其反应特征是膨胀缓慢且不停顿进行，反应机理与ASR相类似，只是其反应速度比较缓慢，引起混凝土缓慢膨胀，最终导致开裂。
　　3.AAR预防措施
　　碱集料反应（AAR）必须具备三个条件：（1）混凝土中的碱达到一定含量；（2）使用集料含有活性SiO2及SiO2类物质；（3）混凝土所处环境水份足够。从这三个条件出发，混凝土工程中预防AAR破坏的方法有以下几种[4]。
　　3.1.1使用非活性集料
　　使用非活性集料是AAR反应最安全可靠的措施。但由于工程对集料的需求量大，而非活性集料的资源有限，且活性集料特别是硅质活性集料分布广泛。随着资源的不断消耗和受工程造价等因素影响，因此考虑到经济方面的原因，集料的选择往往受到限制。同时目前评定集料碱活性方法尚无绝对可靠标准，尤其对慢膨胀集料潜在碱活性尚无绝对可靠评定方法。使用非活性集料这种预防方法对工程中实际操作中增加了很大的难度。因此，非活性集料的使用往往因工程条件，区域地质条件的和经济方面等诸多因素而难以达到理想效果。
　　3.1.2控制混凝土总碱量
　　传统上认为水泥含碱量小于0.6%为低碱水泥，含碱量为0.6%-0.8%为中碱水泥，含碱量大于0.8%为高碱水泥。测定混凝土中碱含量主要是基于当混凝土碱含量（以Na2Ocq—Na2O+0.658K2O计）低于一定值，通常认为3kg/m3目前世界各国对于混凝土中总碱量的计算及规定各不相同。如美国、英国、日本、新西兰等曾广泛使用碱含量低于0.6%的水泥以降低混凝土中的碱含量，并在一定程度上缓解了AAR问题。我国于1993年12月制定了《混凝土碱含量限值标准》（CECS53-93）分别按工程环境和工程结构对混凝土碱含量进行控制，以达到避免发生碱-集料反应危害。
　　3.1.3控制混凝土湿度
　　研究表明，如果环境相对湿度低于85%，由于外界不供给混凝土水分，混凝土就不会发生碱-集料反应。如果具有碱-集料反应因素的工程长期处于潮湿环境中，在发现AAR损害之后，即使进行了很好的防水处理，也由于混凝土内所含水分能使碱-集料反应膨胀继续发展，防水处理往往无济于事。如混凝土所处为干湿循环、通电等环境，还可能导致混凝土中的碱迁移并在局部富集，从而加剧碱-集料反应。所以控制环境湿度对碱集料反应的影响是非常重要的。
　　4.结语
　　碱-集料反应已成为严重影响混凝土工程耐久性危害之一。因此，为了有效地避免碱集料反应的危害，是我们面临的紧迫任务。实际施工操作工程中，一方面要把好筛选集料关，另一方面要严控制混凝土的碱含量，既有效地预防碱集料反应又最大限度地利用资源，以达到经济效益与社会效益。
　　参考文献
　　[1]莫祥银,许仲梓,唐明述.国内外混凝土碱集料反应研究综述[J].材料科学与工程.2002,(3):128-132
　　[2]唐明述.碱集料反应破坏的典型事例[J].中国建材,2000,(5):57-60.
　　[3]王玲,田培,姚燕,等.碱-集料反应破坏发生条件的研究[A].重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[C].北京:中国建材工业出版社,2000.90-102
　　[4]唐明述,许仲梓,邓敏,等.我国混凝土中的碱集料反应[J].建筑材料学报,1998,1(1):8-14