如何防止水泥中的堿－集料反應

　　對堿-集料反應(AAR)來說，不同形式的堿對其影響是不同的。深入了解堿的存在形式，對認識堿-集料反應，尤其對認識抑制堿-集料反應措施的機理會有很大幫助，從而也為提出更好的抑制措施提供理論依據。
　　
　　一、混凝土中堿的存在形式與堿-集料反應的關系
　　
　　混凝土是由固相、液相和氣相組成的。固相主要由水泥及摻和料水化后的水化產物和集料組成；液相就是存在于極細孔隙中的含有多種離子的水溶液，即所謂的孔溶液；氣相則是分布于混凝土中的大小不等的氣孔。
　　
　　二、水泥中的堿
　　
　　水泥中的堿主要由生產水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的堿一部分以硫酸鹽(K2SO4，Na2SO4，3K2SO4·Na2SO4，2CaS04·K2SO4)及碳酸鹽(K2CO3，Na2CO3)的形式存在，一部分則固溶在熟料礦物中，如KC23S12，NC23·S12，KC8A3，NC8A3。
　　當水泥加水后，硫酸鹽及碳酸鹽形式的堿很快溶入水中，固溶在熟料中的堿則隨著礦物水化的進行而慢慢地溶入水中，同時溶入水中的堿又有部分被水化產物所吸收。試驗結果：38℃下，28天時，硅酸鹽水泥中的堿有86～97％釋放，45～85％是在前幾個小時內釋放的。
　　對高堿水泥與粉煤灰或煅燒頁巖制成的混合水泥進行十四年的長期暴露研究。結果表明，硅酸鹽水泥的硬化漿體中僅保留15％的堿，而混合水泥水化產物中保留了總堿的95％。他們還發現，漿體中浸出的堿量越低，混凝土破壞性膨脹的可能性越小。換言之，C—S—H結合的堿越多，對堿集料反應而言系統越穩定。
　　鑒于上述，可將水泥中的堿含量分為三種：總堿量、可溶性堿量及可利用堿。總堿量是指以各種形式存在的堿的總和。可溶性堿是將水泥加入水中攪拌一定時間后能溶解出的那部分堿。可利用堿是指將水泥按一定W/C比，水化到一定齡期時，存在于孔溶液中的那部分堿。之所以稱之為可利用堿或有效堿，是因為只有這部分堿才參與堿-集料反應。有效堿的概念不易理解，易引起混淆。如果用“有害堿”代之，則更簡單明了，即水泥中的有害堿就是能參與堿-集料反應的那部分堿。
　　因此，水泥中的堿并不是全部用于堿-集料反應，而是只有部分有害堿才參與反應。
　　
　　三、混合材或摻和料中的堿
　　
　　在水泥工業，摻入水泥中的礦物外加劑習慣上稱為混合材，而在混凝土行業用于混凝土中的礦物外加劑則習慣上稱為摻和料，也稱為輔助性膠凝材料。目前，常用的混合材是礦渣、粉煤灰等，常用的摻和料除礦渣和粉煤灰外，還有硅灰、沸石等。混合材或摻和料中的堿同樣可分為總堿量、可溶性堿量及有害堿量三種。
　　沸石已被證明是一種很好的抑制堿—集料反應的礦物摻和料。當將沸石加入到混凝土中時，有明顯的抑制堿—集料反應的作用。
　　此外，沸石中含有部分玻璃體，具有火山灰活性，可與Ca(OH)2反應生成C—S—H凝膠，吸收一定量的堿。
　　由上述可見，水泥中的堿，尤其是摻有混合材的水泥，其中的堿并不全部參與堿-集料反應。因此，我們認為防止堿-集料反應，對水泥中的含堿量限制在0.6％以下的規定，不能一概而論。對于純硅酸鹽水泥，這個規定是適宜的，而對于摻有一定量混合材的水泥，還值得商榷。我們認為用有效堿或有害堿量更為適宜。
　　
　　四、拌和水及化學外加劑中的堿
　　
　　拌和水中的堿全部是水溶性的，均能參與堿—集料反應，即拌和水中的堿全部為有害堿。
　　外加劑的使用是現代混凝土技術發展的一個重要動力，但同時帶來某些外加劑引入堿的問題。最常用的萘系高效減水劑中含Na2SO4量高達10％左右，如摻量為水泥用量的1％，則外加劑引入的Na2SO4約為水泥的0.1％，折合Na2O約為0.045％。
　　摻加Na2SO4早強劑引入的堿更不容忽視，如摻量以水泥用量的2％計，則引入的Na2O約為水泥的0.9％，即等于甚至大于水泥自身的含堿量。
　　
　　五、可溶性堿及有害堿的測定方法
　　
　　可溶性堿量的測定一般按ASTM C114進行，其過程可簡述為：稱25.0g水泥放入500ml錐形瓶中，在室溫下搖動10分鐘，然后在弱真空條件下用布氏漏斗過濾，將濾液轉移到一個500ml的容量瓶中，加水至刻度。測定其濃度后，即可計算出水泥的可溶性堿量。
　　有害堿的測定方法，可分為兩類：使用一種擠壓裝置，將孔隙中的溶液擠出來，稱之為擠壓法；將硬化漿體或混凝土磨細，再與水混合，將孔隙中的化學成分溶解出來，稱之為溶出法。
　　擠壓法采用一種擠壓裝置，將孔溶液在高壓下擠壓出來。擠壓用的模具具有不同的形式，但大體相同。擠壓法可以直接測得孔溶液中堿的濃度。但擠壓法還有一些不足，如提取量過少，不便于分析，低W/C時則不能擠壓出溶液。Chatterji對擠壓法提出了疑問，他認為，提取的孔溶液不能反映真實情況，具有不確定性。此外，擠壓法的操作要求很高，目前還難于推廣。
　　溶出法常按改進的ASTM C311法進行，其過程可簡述為：將10g水泥放入一個25ml
　　的塑料瓶中，加10ml水，加蓋并用膠帶密封好，搖動使其均勻，存放于38±2℃的環境中。第28天時，將瓶中之物用研缽磨細，轉移到一個燒杯中，加水至200ml，在室溫下攪拌l小時。然后用布氏漏斗過濾，將濾液轉移到一個500ml的溶量瓶中，加水至刻度。測定其濃度后，即可計算出孔溶液中的堿。
　　
　　六、建議
　　
　　將“可利用堿”或“有效堿”稱為“有害堿”更為直觀，更易被接受。評定水泥中的堿含量時，對摻有混合材的水泥，對混凝土中的總堿量的限值，都可使用“有害堿”含量。建議制訂我國的測定水泥中“有害堿”的標準方法。
　　（作者單位：七臺河市沉陷區綜合治理工程辦公室）