摘 要: 混凝土原材料中的碱含量过高时,可能发生碱集料反应,引起混凝土结构的破坏。工程中应从混凝土的原材料选择开始仔细考虑碱集料反应,严格预防碱集料反应的发生。混凝土内部发生碱集料反应破坏与否,除了与水泥碱含量有关外,更重要的是与混凝土中的总碱含量有关。以混凝土原材料中的总碱含量作为控制标准是切实可行和更为可靠的。
关键词: 混凝土; 碱集料反应; 含碱量; 控制
20 世纪30 年代,美国西部地区的一些堤坝、公路、桥梁等混凝土结构发生异常膨胀,产生裂缝,当时,尚未找出具体的原因。1940 年,Stanton T E[ 1 ]首次将这种混凝土异常膨胀并产生开裂的原因归结为是由于碱含量较高的水泥与某种页岩或蛋白石集料之间发生反应所引起的,他把加利福尼亚州的King City 大桥的桥墩损伤的结构物所使用的集料制成砂浆试件,测定变形率后,发现膨胀率很大,他认为是由于碱含量高的水泥析出的KOH、NaOH 与含有活性SiO2 的集料发生了反应。其后,世界上许多国家相继认识到了碱集料反应对混凝土结构耐久性和安全性的危害,并制定了碱集料反应可能性的检验方法,提出了相应的预防措施。近几年来我国对混凝土碱集料反应理论的研究也有了很大的发展。
由于水泥与集料之间的作用相当复杂,各地集料的品种、矿物组成千差万别,实际工程中各种因素所引起的混凝土耐久性下降现象互相交织,这些都对混凝土碱集料反应机理的研究以及混凝土结构劣化原因的界定产生了一定影响。如何合理地确定混凝土碱含量的控制标准一直困扰着工程技术人员。有的工程为了确保万无一失,不从当地原材料的活性和含碱量实际出发,不断提高混凝土碱含量的控制标准,致使工程在实施过程中难以控制或无谓地增加了一些工程投资。下面从混凝土的碱集料反应机理等方面入手,结合某混凝土工程实际,提出了进行具有碱活性骨料混凝土总碱量的控制,在保证混凝土施工质量前提下,尽可能地降低了工程造价。
1 混凝土碱集料反应破坏
混凝土的碱集料反应是混凝土材料内水泥中的碱( KOH、NaOH) 与集料中的活性成分之间发生的化学反应,其产物呈胶体状态,不仅减弱了集料与水泥石之间的界面粘结强度,而且遇水后发生膨胀,使混凝土内部产生较大的内应力而导致混凝土结构体开裂。
一般认为,碱集料反应有碱2硅反应、碱2碳酸盐反应、碱2硅酸盐反应等3 种类型,碱- 硅反应是集料中的反应性微晶氧化硅与混凝土孔溶液中的碱之间发生的反应。此反应在常温下即可进行,产物为碱2硅凝胶体,它吸水膨胀,引起膨胀压而使混凝土结构体开裂(无序的网状裂纹) ,与碱发生反应的集料表面有凝胶环存在,混凝土内部也会产生大量裂缝,混凝土内部孔缝中存在硅酸盐凝胶,凝胶失水后硬化或粉化。碱2硅反应的速度随SiO2 的稳定程度、比表面积、温度以及液相中OH- 浓度而不同,碱的浓度对碱集料反应与否起很大作用。碱2碳酸盐反应发生在水泥石液相中的碱与石灰石集料之间。
与碱2硅反应不同的是,尽管碱2碳酸盐反应表现为混凝土体内外产生开裂,但集料表面不产生凝胶体。碱2硅酸反应是一种特殊的碱集料反应,集料表面也不存在反应环,但是会引起混凝土体内外开裂。
混凝土内部发生碱集料反应后的宏观现象为:集料表面存在凝胶环,混凝土内部和外部开裂,孔缝内有异常物质存在等。混凝土发生碱集料反应最突出的表现就是产生开裂,这种无序的开裂将导致其力学性能下降,抗冻性、抗化学腐蚀性和抗钢筋锈蚀性严重降低。
尽管关于混凝土碱集料反应的机理以及确切的规律至今尚无圆满的解答,但是人们发现,混凝土内部要发生碱集料反应,有3 个缺一不可的条件:
1) 混凝土中碱含量过高。混凝土碱含量越高,发生碱集料反应的可能性越大。
2) 所用集料内含活性物质。一些有代表性的活性集料,如蛋白石、打火石、燧石和火山喷出岩(主要是安山岩和流纹岩) 等发生碱集料反应的危险性最大。
3) 必须有水份存在。这是发生碱集料反应的必要条件之一。干燥条件下,混凝土几乎不发生碱集料反应。处于高湿度环境下的混凝土发生碱集料反应的速度较大。
碱集料反应的进程和破坏程度受到以下几个因素的影响。
(1) 活性集料的数量和集料的粒径。一般认为,集料中活性集料的百分比越大,发生碱集料反应的破坏也越大。集料粒径在0. 15～0. 3 mm 范围内,发生碱集料反应后产生的体积膨胀最大,开裂也最严重。
(2) 碱含量。水泥中的碱含量通常以Na2O 的等当量质量(Na2O + 0. 658 K2O) 与水泥质量之比的百分数表示。混凝土中的碱含量则通常以单位立方米混凝土中Na2O 的等当量质量表示。当使用活性集料时,碱含量与碱集料反应的速度呈大致的线性关系,比如碱含量越高,越易发生碱集料反应,但这种关系也不是绝对的,如对于蛋白石等高碱活性集料,当碱含量过高时,膨胀量反而减小。
为了抑制碱集料反应,一些国家规定了混凝土碱含量的限值[ 2 ] ,美国为3. 3 kgPm3 ,英国、澳大利亚、新西兰、南非分别为3. 0 kgPm3 、2. 0 kgPm3 、5. 0kgPm3 和2. 1 kgPm3 ,我国则为3. 0 kgPm3 。
(3) 水灰比。水灰比越大,混凝土内部孔隙率也越大,碱在水溶液中的迁移速度也增大,所以如果具备碱集料反应发生的条件时,其反应速度也加快。但是,也有人通过实验证实,当水灰比较小时,孔隙尺寸小,孔隙率也低,反而不利于缓和因发生碱集料反应所产生的膨胀压。诚然,减小水灰比可以大幅度降低混凝土渗透性,从而降低混凝土的渗水性,因而发生碱集料反应的可能性也必然会减小。
(4) 其它因素。影响混凝土碱集料反应破坏的因素还包括环境湿度和温度以及混凝土的含气量等。
我国从30 年前开始发现一些开裂严重的混凝土结构(主要是桥梁、路面等) 是由于碱集料反应所致,但总体来说,碱集料反应破坏现象实例还是较少的。研究发现,北京、天津、河北、辽宁、广西等省市部分地区的砂石集料中含有活性成分,如玉髓、蛋白石等。我国水泥生产技术相对较落后,由于原料所限,我国东北、华北和西北地区水泥含碱量相对较高。20 世纪60 年代的统计资料显示,我国水泥碱含量在0. 39 %～1. 08 %的范围内波动,1983 年为0 %～ 2 % , 1984 年为0. 1 %～ 1. 7 % , 1985 年为0. 1 %～0. 9 %。我国水泥有关标准规定:若使用活性集料,用户要求提供低碱水泥时,水泥中碱含量不得大于0. 60 % ,或由供需双方商定。
但是,目前国内外水泥的生产都追求节省能源、保护环境,开发利用含碱的窑炉废气进行预热之用,并允许在水泥中掺入含碱量较高的窑灰,所以水泥含碱量有所增大[ 3 ] 。
另外,由于水泥标准与ISO 新标准进行接轨,新的强度检验方法的出台必将使得大部分水泥生产企业为了保住水泥的高标号不愿掺加过多混合材;混凝土新的设计理念(混凝土活性掺合料的使用) 的形成也希望市场上硅酸盐水泥份额逐渐增大。这些因素都将引起我国水泥中的碱含量呈现整体走高趋势。
不仅水泥碱含量呈增高趋势,各种外加剂的应用,如作为早强剂和防冻剂使用的NaCl 、Na2 SO4 等都将增加混凝土中的碱含量,这些都是碱集料反应研究工作者和标准制订者所要考虑的因素。
2 预防混凝土碱集料反应破坏的措施
水泥的生产过程是很复杂的,其Na2O 和K2O主要来自于生产原料,如粘土。粘土中的碱含量可高达2. 5 %～2. 7 % ,而砂岩中的碱含量为0. 1 %～0. 3 %。粘土和砂岩是目前水泥中SiO2 和Al2O3 2种化学成分的主要来源,它们的碱含量相差10 倍左右,使用砂岩作为原料之一的水泥其碱含量也低,但是有的水泥厂设计时采用粘土,若改用砂岩,则又会影响整个生产工艺。
降低水泥碱含量的另一个措施是不掺加窑灰,因为窑灰中的碱含量高达2. 2 %～2. 3 %。但是水泥厂大多将窑灰掺加到水泥熟料中一起磨细,既解决了窑灰的堆放和避免了对环境的污染,又降低了水泥的生产成本。一个日产水泥熟料5 000～6 000t 的水泥厂,其每日所排出的窑灰达2 t 左右,一年就有770 t 。掺加矿渣混合材是解决水泥碱含量的又一个重要的有效措施,但是现在一些先进的水泥生产厂在设计时主要按照硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥生产情况设计,在粉磨时掺加矿渣无疑降低了粉磨设备的效率。掺加粉煤灰混合材对减低碱含量无益,因为粉煤灰中本身的碱含量较大,如上海某电场粉煤灰的碱含量为0. 76 % (Na2O 占0. 34 % ,K2O 占0. 64 %) 。窑气中往往夹杂着蒸发的碱,所以采用在窑尾放风,可以除去一部分碱,但是窑尾放风必将产生大量灰尘颗粒,无疑又加剧了环保问题。
目前水泥碱含量难以降低,寻求切实可行的其它有效措施来预防混凝土碱集料反应破坏便显得十分重要了。在存在活性集料的情况下,混凝土内部发生碱集料反应破坏与否,除了与水泥碱含量有关外,最重要的是与混凝土中的总碱含量有关[ 4 ] 。因为除了水泥,各种品种的外加剂,如早强剂、防冻剂、速凝剂,甚至高效减水剂的掺加和使用,都会在混凝土中引入一定量的碱金属离子。值得重视的是,即使所使用的水泥的碱含量较高(如超过0. 6 %) ,也可以通过其它有效措施(如降低混凝土中的总碱含量) 来防范混凝土碱集料反应的发生或减少其破坏程度。
目前我国水泥碱含量较高的现象普遍存在,且混凝土内部的碱不仅仅只来自于水泥,还有可能来自于含碱外加剂、含盐集料以及渗透进入混凝土内部的外界盐类介质等。混凝土中的胶凝材料除了水泥之外可能还有掺合料,而掺合料的掺加又有助于降低发生碱集料反应的可能性。就当前混凝土材料的发展和应用水平来说,不具体考虑混凝土的原材料和性质,单纯通过限定水泥碱含量的措施来预防工程中的碱集料反应尚有不妥之处。有些工程水泥的碱含量虽低于0. 6 % ,但也发现有碱骨料反应的情况,这是因为其他原材料中的碱成份也参加了反应。因此,以混凝土原材料中的总碱含量作为控制标准,才更为可靠。潮湿环境中的重要工程结构的混凝土碱含量限值不超过3. 0 kgPm3 。
3 某工程混凝土的含碱量
崔家营航电枢纽工程位于汉江中游,是湖北省内汉江干流9 级梯级开发中的第5 级,上距丹江口水利枢纽142 km ,下距河口515 km ,是一个以航运和发电为主,兼顾灌溉、供水、旅游及水产养殖等综合效益的航电枢纽工程。枢纽总布置自右至左分别为:右岸连接坝段、船闸、泄水闸、电站厂房、左岸连接坝段和左岸土石坝。该工程混凝土总工程量为67. 4 万m3 ,混凝土骨料为采自工程附近的凤凰滩料场天然骨料,凤凰滩料场的砂中含有一定量的玉髓硅质岩、酸性、中性火山岩等岩屑;砾石主要由石英岩组成,同时含有一定量的酸性和中性火山玻璃质成分。通过砂浆棒快速法试验结果表明:料场的砂砾石料为潜在危害性反应的活性骨料为有效抑制混凝土碱骨料的活性反应。
为有效抑制工程混凝土骨料碱活性反应,要求混凝土中总碱含量不大于2. 5 kgPm3 或混凝土中掺加不低于15 %粉煤灰。普通低热硅酸盐水泥按规范要求掺合料掺量在6 %～15 % ,则其水泥含碱量将超过低碱水泥碱含量小于0. 6 %的要求。若要使普通硅酸盐水泥碱含量小于0. 6 %的要求,则需改变水泥生产工艺;若使用中热低碱水泥,采用以上两种方案成本将大大增加,由于当地地材的化学成份特征,甚至无法生产低碱水泥。在该工程开工前,对水泥的含碱量提出了以下要求:应按各建筑物部位施工图纸的要求,配置混凝土所需的水泥品种及强度等级, 水泥应采用低碱水泥, 水泥碱含量小于0. 6 % ,并应符合GB175 —1999 和GB200 —1989 的要求。后来,经过进一步深入的探讨,就混凝土含碱量问题达成了以下意见:
混凝土碱含量控制指标均以总含碱量指标控制,而水泥碱含量不作为控制指标,混凝土含碱总含碱量具体指标为:
1) 对于C50 预应力预制箱梁混凝土只对总含碱量进行控制,控制标准为最大3. 0 kgPm3 。
2) 对于上部结构中的板梁柱泵送混凝土,总含碱量控制指标按最大3. 0 kgPm3 控制。
3) 其他部位的混凝土含碱量指标按最大2. 5kgPm3 控制。
该工程充分考虑混凝土原材料实际,采取多种方法控制了混凝土的总碱量,预防了混凝土碱集料反应的破坏,在保证混凝土施工质量的前提下,尽可能地降低了工程造价。
4 结 语
混凝土发生碱集料反应所引起的破坏在世界范围内受到科研及工程技术人员的广泛关注。在实际建筑工程中应从混凝土的原材料选择开始仔细考虑碱集料反应,严格预防碱集料反应的发生。碱集料反应的发生条件是同时存在活性集料、高碱量和水份等。混凝土内部发生碱集料反应破坏与否,除了与水泥碱含量有关外,更重要的是与混凝土中的总碱含量有关。以混凝土原材料中的总碱含量作为控制标准是切实可行和更为可靠的。
参考文献
[1 ] Stanton T E. The Alkali2sica Reanction in Concrete[J ] .Proc , ASCE , 1940 ,66(1) :66269.
[2 ] 杨百科. 混凝土实用新技术手册[M] . 吉林:吉林科学技术出版社,1998.
[3 ] 马国靖,王硕太. 应用粉煤灰道面混凝土预防碱骨料腐蚀[J ] . 混凝土,1996 , (5) :15217.
[4 ] CECS53 :93. 混凝土碱含量限制标准[ S] ,1993.
