有關(guān)堿- 骨料反應(yīng)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(duì)混凝土堿- 骨料反應(yīng)的貢獻(xiàn)。分析了國(guó)內(nèi)外在混凝土工程中控制堿含量的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)指出應(yīng)以有效堿量為混凝土堿含量的控制指標(biāo)，并建議制定相關(guān)測(cè)定規(guī)范。
關(guān)鍵詞：混凝土；堿- 骨料反應(yīng)；堿含量；有效堿
1 混凝土中堿的來(lái)源
混凝土中的堿主要來(lái)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(lái)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(nèi)波動(dòng)。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(yīng)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(yīng)膨脹量的關(guān)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(wú)機(jī)鹽和有機(jī)的表面活性物質(zhì)，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(jìn)堿- 集料反應(yīng)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(huì)被釋放出來(lái)，即有效堿，從而加速堿-骨料反應(yīng)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(huì)加速堿- 骨料反應(yīng)的發(fā)展。
以上四類是混凝土自身的固有堿。大量實(shí)驗(yàn)表明，從環(huán)境中滲入混凝土中的堿能補(bǔ)充混凝土自身對(duì)堿的消耗，進(jìn)而促進(jìn)堿- 骨料反應(yīng)(見圖2) 。
圖2 環(huán)境中的堿對(duì)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(rèn)為固相堿不參與堿- 骨料反應(yīng)。
水泥、外加劑和混合材等礦物質(zhì)材料的堿含量測(cè)定，在《水泥化學(xué)分析方法》GB /T176“3.11氧化鈉和氧化鉀的測(cè)定”對(duì)此做了詳細(xì)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(cè)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(cè)定方法(火焰光度計(jì)法)或《水泥化學(xué)分析方法》GB /T176中3.11.2原子吸收光譜法測(cè)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(yīng)而導(dǎo)致堿- 骨料反應(yīng)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。混凝土中， 結(jié)合于C-S-H凝膠等固相中的堿則不參與堿-骨料反應(yīng)，這部分堿常稱為無(wú)害堿。若以有效堿來(lái)評(píng)價(jià)混凝土中堿對(duì)堿- 骨料反應(yīng)的影響，不僅可以準(zhǔn)確判斷堿- 骨料反應(yīng)能否發(fā)生，而且對(duì)于抑制堿- 骨料反應(yīng)措施的研究及合理利用資源有巨大現(xiàn)實(shí)意義。
2.2.2 有效堿的測(cè)定
有效堿的測(cè)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(jìn)ASTMC311法)[6]和原位置溶出法[7]。
2.2.3 有效堿的計(jì)算
目前比較公認(rèn)的有效堿計(jì)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(duì)SiO2 的活性，而有效堿量則可作為水泥對(duì)SiO2 的一個(gè)比較好的活性指標(biāo)。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(zhǔn)確計(jì)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(zhì)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(yàn)研究，國(guó)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(zhì)量粉煤灰Na2Oeq=Na2O+0.658K2O×17%單位質(zhì)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(yīng)。單位質(zhì)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(xué)者認(rèn)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(guó)建筑研究協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(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(duì)礦渣，當(dāng)摻量低于25%時(shí)，取全部堿有效計(jì)算，當(dāng)摻量為25%～39% ，按1/2計(jì)算，當(dāng)摻量達(dá)40%以上，則忽略不計(jì)。對(duì)粉煤灰，當(dāng)摻量小于20%時(shí)，全計(jì);20%～24%時(shí)，按1/5計(jì)算;摻量大于25%時(shí)，則忽略不計(jì)。這樣的計(jì)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(guó)內(nèi)外對(duì)堿含量的相關(guān)規(guī)定
對(duì)于堿- 骨料反應(yīng)的預(yù)防，使用非活性骨料是最可靠的途徑，也是目前各個(gè)國(guó)家建議采用的首選措施。但是，由于資源和經(jīng)濟(jì)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(lái)抑制所用骨料的堿活性，即確保其安全性。堿- 骨料反應(yīng)的發(fā)生有三個(gè)必要條件:活性的骨料、潮濕的環(huán)境和有效堿的補(bǔ)充。在采用活性骨料時(shí)，抑制堿- 骨料反應(yīng)危害最可靠而有效的辦法歸結(jié)到一條，就是控制混凝土的堿含量。
國(guó)際上，盡管目前在堿- 集料反應(yīng)膨脹取決于單位體積混凝土內(nèi)的堿含量而不是取決于水泥中的堿含量這一點(diǎn)已取得了一致的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于混凝土安全堿含量問題，仍是有爭(zhēng)議的。英國(guó)交通部和水泥學(xué)會(huì)都認(rèn)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(huì)規(guī)定混凝土的堿含量低于2.5 kg/m3 是安全的。南非標(biāo)準(zhǔn)(SABS0100 - PartⅡ)中則指出混凝土的堿含量必須低于2.1kg/m3 才是無(wú)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(gè)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(duì)于這一點(diǎn)，認(rèn)識(shí)基本上是統(tǒng)一的。(2)上述的混凝土堿含量控制指標(biāo)是各國(guó)在用本國(guó)集料進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，控制指標(biāo)的差別反映了各國(guó)集料的差別。
2003年4月，國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn)聯(lián)合會(huì)(RILEM)提出了“減少混凝土中堿反應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案”。在這一草案中，對(duì)于不同活性的集料提出不同的堿含量限制指標(biāo)。對(duì)于低活性集料(相應(yīng)于非活性集料) ，沒有對(duì)混凝土堿含量的限度提出要求;對(duì)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(duì)于高活性集料，混凝土堿含量的限度應(yīng)低于2.5 kg/m3 Na2Oeq?；炷翂A含量限度的控制原則是比試驗(yàn)室測(cè)定的集料單方堿臨界值少2.0kg/m3Na2Oeq。從這一控制原則來(lái)看，國(guó)際上已經(jīng)認(rèn)識(shí)到集料的差異，改變了用一個(gè)指標(biāo)簡(jiǎn)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(jié)合起來(lái)。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(duì)于不同的集料應(yīng)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(gè)十分重要的發(fā)展趨勢(shì)。早在1993年，我國(guó)就提出了《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》CECS53：93。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“在集料具有堿- 硅反應(yīng)活性時(shí)，依據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件對(duì)不同的工程結(jié)構(gòu)分別采取表1中的堿含量限值或措施。”[ 10 ]
表1 《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于堿含量的規(guī)定
在CECS104：99《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：“為防止破壞性堿- 集料反應(yīng)， 當(dāng)結(jié)構(gòu)處于潮濕環(huán)境且集料有堿活性時(shí)， 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(shí)應(yīng)采取抑制措施”。
需要指出的是以上提到的堿含量應(yīng)該當(dāng)作有效堿理解，且國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的一些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于有效堿量的規(guī)定出于安全性考慮還趨于保守。
4 結(jié)論與建議
(1)混凝土總堿量并不能說明它對(duì)SiO2 活性膨脹的貢獻(xiàn)，有效堿量才是堿- 骨料反應(yīng)膨脹的主要指標(biāo)之一。
(2)用限制混凝土含堿量作為控制混凝土堿- 骨料反應(yīng)的有效措施，應(yīng)對(duì)混凝土各組分及工作環(huán)境進(jìn)行全面考慮，計(jì)算的應(yīng)是“有效堿”的總和。
(3)建議研究制定與《混凝土堿含量限制標(biāo)準(zhǔn)》相配套的有效堿(或有害堿)的測(cè)定方法標(biāo)準(zhǔn)，并以有效堿作為限制混凝土堿含量的指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
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[ 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(biāo)準(zhǔn)[ S].
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