浅谈碱集料反应检测方法与预防

浅谈碱集料反应检测方法与预防

罗利荣

东莞市交业工程质量检测中心

摘要：本文分析了混凝土碱-集料反应破坏的机理和分类及碱的来源，提出了混凝土发生碱集料反应所必须具备的三个必要条件，介绍了常用骨料碱活性检测方法的原理，归纳了几种预防措施。

关键词：碱－集料反应机理；检测方法；预防措施

在提倡高效节能的今天，不仅要充分合理并安全的利用已有工程设施，更要科学地建设出安全、适用又耐久的工程项目。所以，加强混凝土结构耐久性的研究，延长使用寿命，降低巨额的维修和重建费用，是摆在我们面前的一个很重要的任务。影响混凝土耐久性的因素有很多，例如碱－集料反应、混凝土碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀等。其中碱－集料反应（Alkali-AggregateReaction，简称AAR），是影响混凝土耐久性的重要因素之一。

1混凝土碱－集料反应的机理和分类

碱－集料反应是混凝土中的水泥、外加剂、掺料合料或拌合水中的可溶碱，与集料中的活性成分之间发生的化学反应。反应生成物吸水膨胀，使混凝一土结构内部产生应力，导致混凝土结构开裂或变形等损坏，导致强度降低。

碱－集料反应按照反应机理和集料中含有的反应性成分分类。

（1）碱－硅酸反应。

碱－硅酸反应（Alkali-SilicaReaction，简称ASR）是在工程中破坏最多、分布最广、研究最多的一种碱集料反应。此种反应是水泥混凝土中的碱（主要以KOH、NaOH形式存在）与集料中所含活性SiO2矿物反应，生成碱硅凝胶。碱硅凝胶固相体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土开裂，发展严重的会使混凝土结构崩溃。

（2）碱－碳酸岩反应

碱－碳酸岩反应（Alkali-CarbonateReaction，简称ACR），反应膨胀的骨料是碳酸盐岩，尽管碱-碳酸盐反应表现为混凝土结构内外产生开裂，但集料表面不产生凝胶体。

1965年，Gillott等在加拿大一大坝发现碱与骨料中的层状硅酸盐发生反应导致混凝土开裂，认为这种碱-集料反应不同于碱-硅酸反应，由此提出了一类新的碱-骨料反应：碱-硅酸盐反应。但是，很多人反对将这种碱-骨料反应划分为新的一类。专家研究表明，页蜡石、蛇纹石、伊利石、绿泥碱－集料反应按照反应机理和集料中含有的反石、滑石、白云母、黑云母、铁锂云母、高岭石、应性成分分类。微晶高岭石、蛭石等层状结构的硅酸盐矿物都不具有碱活性，个别能产生膨胀反应的层状硅酸盐中均含有微晶石英或玉髓其膨胀反应的实质是碱一硅酸反应。由此看来是否应该把碱一硅酸盐反应单独划分成一类，有待更加深入的研究。

2混凝土碱－集料反应中碱的来源

混凝土中的碱主要来源于自身的组成材料：水泥、外加剂、掺合料、骨料及拌合水等。在环境中的碱也是碱的来源之一。

（1）水泥中的碱

水泥是混凝土中碱的最主要来源，普通水泥中的碱主要由石灰石、粘土、煤等原材料带入因各地原材料不同水泥的碱含量也有所不同。水泥中的碱一部分以硫酸盐及碳酸盐的形式存在一部分则固溶在熟料矿物中。其含量一般在范围0.6%～1.2%内波动，低于碱含量0.6%的水泥属于低碱水泥。随着水泥碱含量的增加或水泥用量的增加，碱一集料反应的膨胀也随之增大。

（2）骨料中的碱

骨料中碱的溶出也是碱的来源之一。上个世纪曾有学者提出一些骨料中析出的碱会促进AAR，并且近些年有人发现骨料中析出的碱可达0.1～12.7kg/m3Na2Oep平均可达2.2kg/m3Na2Oep，这个数值不容忽视。骨料碱的析出是必然的，特别在建设百年工程时更应该加强重视。虽然碱的析出是事实，但对于AAR来说，这种碱能否与其他材料中的碱同样有效，还有待深入研究。

（3）掺合料中的碱

掺合料通常使用粉煤灰和矿渣等材料。在一定程度上抑制了AAR的发展，但也有试验证明，当在有些条件下掺加少量的掺合料会促进AAR的发展，例如当用高碱粉煤灰而且掺量太少时，后期反而会促进AAR。原因是掺合料含有一定量的碱，掺入混凝土后，部分碱辉释放，即有效减，从而加速AAR的发展。

（4）外加剂中的碱

外加剂是现代混凝土中不可缺少的组成部分。但常用的外加剂中会含有碱金属离子（Na+、K+等），这些离子与活性骨料作用，能直接或间接地促进ARR的发展。

（5）环境中的碱环境。

除以上混凝土自身的固有碱，环境中的碱也能通过渗入混凝土中来补充混凝土自身对碱的消耗，进而促进AAR的发展。

3碱-集料反应的发生的三个必要条件

发生碱-集料反应的三个必要条件：含有过量的碱；骨料中含有碱活性矿物；混凝土处于潮湿环境。三个条件缺一不可。

（1）混凝土中的碱

混凝土中的碱来源于水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水、周围环境（海雾中的附着物渗入近海混凝土结构物，冬季融雪剂中的碱通过排水管和毛细孔渗入桥梁或路面等）。

水泥中的碱主要是由生产水泥的原料引入的。钠、钾含量折合成Na2O小于0.6%的水泥称为低碱水泥，国际公认，使用低碱水泥一般不会发生碱-集料反应。但是，很多水泥的碱含量都超过了这个标准，尤其是在北方生产的水泥很多都是高碱水泥，碱含量在1%左右。如果为了改善混凝土性能再加入外加剂（钠盐减水剂、早强剂、防冻剂等），碱含量更高。所以我国颁布的国家标准GB50010-2010《混凝土结构设计规范》规定最大碱含量为3kg/m，但环境为正常环境稳定的室内和使用非碱活性集料时对碱含量不限制。

（2）骨料的碱活性

具有碱-硅酸反应的骨料分布广泛，其活性成分为SiO2，而具有碱-碳酸盐反应的骨料类型较少，主要是石灰石质白云石。掌握碱活性骨料的分布情况，建立分布图，并据此采用预防措施，对保证大型工程的耐久性具有非常重要的意义。中国建筑材料科学研究院和国家建材局地质所在国家“九五”重点科技攻关项目资助下建立了我国第一个区域性碱活性骨料分布图－京津唐地区活性骨料分布图。

（3）潮湿环境

碱-集料反应发生的一个必然条件就是潮湿的环境。只有在空气相对湿度大于80%或直接接触水的环境中AAR破坏才会产生；否则，即使骨料具有碱活性且混凝土中含有足够的碱，AAR会很缓慢，不能产生破坏性的膨胀和开裂。可是，一旦具备了高湿度或与水直接接触的条件，不论时间迟早，连续或不连续，反应产物就会吸水膨胀，使混凝土内部产生膨胀压力，当压力达到一定程度时，混凝土工程就会遭受损害。由此看来，有效隔绝水的侵入是防治AAR的一个有效措施。

4常用骨料碱活性检测方法的原理

目前骨料碱活性的鉴定方法有很多：对骨料的微观结构进行评价的岩相法，对骨料的化学成分进行鉴定的化学法，以测长为基础的砂浆棒法还有混凝土棱柱体法、压蒸法等。在GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》及GB/T14684-2011《建设用砂》中对骨料碱活性检测要求用岩相法和砂浆棒法。

（1）岩相法

岩相法是通过肉眼和显微镜观察，鉴定所用骨料的种类和成分，从而确定碱活性的种类。

该方法检测速度快，可直接观测到骨料的活性成分，其检测结果是选择其他判定方法重要依据。

（2）化学法

化学法的检测方法是取一定量规定粒径范围的骨料与一定浓度的NaOH溶液反应，在规定条件下测定溶出的SiO2浓度Sc（mmol/L）和溶液碱度的降低值Rc（mmol/L），据此判断骨料是否具有碱活性。化学法的缺点是受碳酸盐、石膏、粘土矿物、铝酸盐等非SiO2物质的干扰较大，尤其是不能用于鉴定变形石英和微晶石英导致的慢性膨胀骨料的活性。因此该方法误差较大，检测结果不可靠，容易出现错判漏判等情况，故在规范中没有提出。

（3）砂浆棒法

砂浆棒法是检测骨料碱活性的经典方法，本方法适用于检验硅质骨料与混凝土中的碱发生潜在碱-硅酸反应的危害性，不适用于碳酸盐类（ACR）骨料。其方法如下：取规定级配的骨料与高碱水泥配制砂浆棒，养护242h后脱模，立即测量试件长度，此长度为试件基准长度。将测完基准长度的试件置于养护筒的试件上，加下放水，但试件不能与水接触，加盖后放入40±2℃的养护室内。分别在测量基准长度后的14d、1个月、2个月、3个月、6个月测量试件长度，如有必要还可适当延长。通过长度变化计算膨胀率，当6个月龄期的膨胀率小于0.10%时，判定为无潜在碱-硅酸反应，否则，判定为有潜在碱-硅酸反应。由于该方法的持续时间较长，所以在规范中提出了快速检验方法。将试件置于一定浓度的NaOH溶液中，使溶液保持在80±2℃的条件下，测试时间缩短至3d、7d、14d。通过判断14d膨胀率来判定有无潜在碱-硅酸反应危害。

（4）混凝土棱柱体法

混凝土棱柱体法同砂浆棒法类似，但试件尺寸、骨料尺寸及级配、水灰比等不同。该方法首先是针对硅酸盐骨料活性提出的，后发现也适用于硅质骨料。该方法的优点是试件与实际混凝土较接近，对检测碳酸盐反应骨料也适用，但该方法检测周期长，检测结果受水泥细度、水灰比、级配、养护条件的影响较大，后经改进，检测结果的可靠性大大增加。

5预防碱集料反应对策

碱集料反应被称为水泥混凝土的癌症，所以已出现碱-集料反应破坏的工程，几乎不可能被修复。因此，防止ARR的产生主要从预防着手。预防ARR产生主要从以下三个方面着手[6]：

（1）尽量降低水泥混凝土中碱的含量，控制总碱量，尤其作为碱主要来源的水泥，其碱含量必须严格控制

（2）尽量使用非碱活性骨料；

（3）尽量避免潮湿环境，有时由于环境或成本等原因，不得已使用产生碱集料反应的原材料，通过早期干燥养护，最大限度的抑制ARR的进行

6结论

综上所述，碱－集料反应的预防要从发生碱集料反应的三个必要条件着手，并配合有效的检测方法来避免使用产生碱集料反应的原材料，预防和检测是提高混凝土耐久性的关键措施。

参考文献：

[1]唐明述，邓敏.碱-集料反应研究的新进展[J].建筑材料学报，2003，（01）.

[2]邓敏，唐明述．岩石中的硅质矿物和碱-硅酸反应［J］.混凝土，1994，（5）

[3]王媛俐，姚燕.重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[M].北京：科学出版社.2007.

[4]刘媛媛，牛利峰，黄强，等．集料碱活性的检测方法与程序概述［J］.中国非金属矿工业导刊，2008，（3）：34-36.

[5]吕忆弄，卢都友，施警玲等.我国首例海工工程碱集料反应[J].南京化工大学学报（自然科学版），1998.（01）

[6]苏凤莲，王萍，邵箐，等．混凝土碱骨料反应问题及预防措施［J］．华北水利水电学院学报，2002，（12）：22-25.