混凝土堿骨料反應及其在料區中的應用

□孔軍濤（河南省水利勘測有限公司）

1.概述

混凝土堿—骨料反應的破壞速度、程度不盡相同，有些可快在1～2年內就使建筑物開裂；有些則延遲到20～60年后才發生，不易引起人們的重視。我國近年來在興建大型及特大型建筑物時，出于安全、維護及國外一些同類建筑物因混凝土工程事故造成的經濟損失和影響程度上的長遠考慮，才日益引起人們的高度重視；例如長江三峽大壩、南水北調工程等。

在基礎建設領域，人們對基礎材料－石料的需求也越來越多，尋找合適的料源目前已成為一個很現實同時又很緊迫的實際問題。

2.混凝土堿骨料反應的分類、鑒別及其適用判別方法

2.1 混凝土堿骨料反應的分類

混凝土堿骨料反應在總體上分為三類：堿—硅反應、堿—碳酸鹽反應、堿—硅酸鹽反應，下面分述如下:

堿－硅反應包括堿—蛋白石反應、堿—燧石反應、堿—火山熔巖反應、堿—石英巖反應和堿—砂巖反應。其中蛋白石、燧石屬高活性巖石。砂中蛋白石顆粒含量在1%～15%之間，砂中燧石含量在1～50%范圍，與高堿水泥反應，均能引起膨脹反應。酸性火山熔巖都是堿活性巖石，基性火山熔巖可能部分是堿活性巖石。當石英巖中的變形石英的波狀消光角>15°，它可能是堿活性的。

堿－碳酸鹽反應包括堿—硅質碳酸鹽反應和堿—白云質碳酸鹽反應。碳酸鹽巖石形成如硅質灰巖時，它可能是堿活性巖石。在堿—白云質碳酸鹽反應中，粘土—硅質基質是堿活性的活潑組分。堿—粘土質白云石灰巖反應的膨脹機理可能仍然是堿—硅反應在粘土質白云石灰巖中的一種表現方式。

堿—硅酸鹽反應是一個綜合的堿性膨脹反應。

2.2 混凝土堿骨料反應的分類鑒別及其適用判別方法

含堿活性巖石危害性的研究方法應先采用巖相法；若有堿活性成分時，應進一步采用化學法、砂漿長度法或巖石柱法鑒定。

化學法：它是首先判斷骨料是否具有堿活性的一種化學方法，但不作為最后結論，還需進行砂漿長度法試驗。

砂漿長度法：適用于堿—硅酸和堿—硅酸鹽反應，不適用于堿—碳酸鹽反應。

巖石柱法：適用于碳酸鹽堿活性反應。

3.混凝土堿骨料反應的機理

3.1 堿—骨料反應是混凝土中孔洞溶液與骨料顆粒之間從界面開始的反應，反應產物進而從孔洞溶液中吸收水分產生膨脹應力。因此反應過程與孔結構（孔隙率及孔分布）、孔洞溶液的組成、運動及其中離子的擴散有密切的關系。

3.2 自然界存在的結晶SiO2變體主要有石英、磷石英和方石英，高溫下都將溶化成玻璃態熔體。影響它們活性的主要因素，來自以下3個方面：一晶格在應力下應變的程度。晶格內應力的增加產生了晶格的位錯，內能增加。二顆粒的開放性微孔道的數量即內比表面積的大小。內比表面積愈大，表面畸變層所占的比例就愈大，與堿反應的速率就愈高。三一定數量雜質金屬離子在晶格中的出現，導致晶體表面“無定形”層（或準確地說是晶格受擾亂的層次）的出現，也增加了石英晶體的活性。另外機械粉碎的能量也增加了表面“無定形”化的程度。

無定形SiO2具有與堿反應的很高的潛能。反應的速率隨著結構的差異和比表面積的差異各有不同。例如蛋白石、石英玻璃、火山玻璃、不同的燧石、玉髓等。

3.3 混凝土中堿—SiO2骨料的化學反應過程可以從反應機理角度上分為以下幾個階段。這些階段往往是互相重疊和在空間上分布的不均衡。

3.3.1 堿從水泥或其它來源中釋放形成一定pH值孔洞溶液的階段。

3.3.2 SiO2礦物表面Si－OH基團與堿的中和反應。

3.3.3 SiO2礦物Si－O鍵的破壞及SiO2溶出。

3.3.4 溶解狀態下的SiO2單體分子或離子，在OH－離子催化下，重新聚合成一定大小的SiO2溶膠粒子，形成膠體溶液。

3.3.5 在鈣或其它金屬陽離子作用下，溶膠粒子凝聚（聚沉）成為一定結構的凝膠。孔洞溶液中的Ca2+離子濃度盡管比較低（0.6～2.2mm），但是顯然已經超過上述形成堿—硅溶膠所需要的臨界濃度，因為在pH值比較高的情況下(>9.5)Ca2+離子的臨界濃度降至1mm以下。

4.在現實水利工程料區中的應用

根據上述理論，我們在南水北調中線工程黃河南段料場共選了8個石料場。該8個料場有6個為灰巖料場，1個為白云巖料場，1個為石英砂巖料場。根據室內試驗可知，其中5個灰巖料場，1個白云巖料場均為非活性巖石，其中1個灰巖料場中僅一組具堿硅活性（因其巖塊中含大量的泥質條帶，及少量鐵質侵然，顏色雜較多淺黃色，現場在野外判別其應具堿活性，僅是為了和其它幾組進行試驗對比），其余幾組均為非活性巖石，石英砂巖料場具堿硅活性。堿活性試驗成果匯總見表1:

根據混凝土堿活性理論及野外現場，并結合室內試驗可知，在河南地區，一般情況下，寒武系的純凈的白云巖，奧陶系純凈的致密灰巖（泥粉晶灰巖）、寒武系的鮞狀灰巖、灰巖等不具堿活性。二疊系、寒武系、震旦系的石英砂巖均有堿活性。

表1 堿活性試驗成果匯總表

郟縣謁主溝的巖石為純的白云質灰巖或白云巖，巖相法試驗結果為不具堿活性，密縣白寨為純的灰巖，巖相法試驗結果為三組不具堿活性，三組巖石柱法試驗結果膨脹率均<0.1%，為不具堿活性。新呂溝為較純的灰巖，巖石柱法試驗結果膨脹率均<0.1%，為不具堿活性。其它不再敘述。現僅對出現膨脹率均<0.1%的加以說明：

4.1 呂溝編號LG-7,其存在堿碳酸、堿硅活性，是因其含有大量的粘土條帶，在野外即判斷為具堿活性，僅取一組，以便驗證；后來巖相法試驗結果：“礦物成分：方解石55%～60%，石英、長石20%～25%，白云石10%～15%和粘土質3%～4%。巖石由鮞粒10%～15%、膠結物85%～90%組成。鮞粒：為圓形同心狀鮞，粒徑0.07～0.14mm，成分為方解石；膠結物：膠結鮞粒，成分為方解石，為粉細晶狀，粒徑0.01～0.07mm；此外巖石中含石英、粘土質和少量長石，具白云石化作用，石英，顆粒大小不一，其中2%～3%顆粒粒徑0.03～0.06mm，屬微晶石英，粘土質，鱗片狀，分布于方解石、白云石顆粒間、白云石化作用，主要分布于膠結物中，白云石，自形菱形晶，粒徑0.03～0.15mm，”，砂漿棒快速法膨脹率>0.1%，達到0.166%，驗證了“堿—粘土質白云石灰巖反應的膨脹機理可能仍然是堿—硅反應在粘土質白云石灰巖中的一種表現方式。”

4.2 淺井為震旦紀紫紅色砂巖，取樣6組，砂漿棒快速法膨脹率均>0.1%，最大達到0.344%，驗證了“前寒武紀砂巖都是堿活性的”。

5.結論

5.1 混凝土堿骨料反應的8個類別，可以看出，堿活性本質上仍是堿—硅反應，只是表現不同而已；例如呂溝編號LG-7,其存在堿碳酸、堿硅活性，砂漿棒快速法膨脹率>0.1%，達到0.166%，驗證了“堿—粘土質白云石灰巖反應的膨脹機理可能仍然是堿—硅反應在粘土質白云石灰巖中的一種表現方式。”

5.2 防止和抑制堿—骨料反應的有效途徑只有兩條，其它各種化學的、物理的措施，都不一定有效，而且代價太昂貴。這兩條有效途徑是：

5.2.1 防止堿—骨料反應

5.2.1.1 水泥的含堿量應<0.60%Na2O當量，特別重大工程要提出安全含堿量的論證報告。由于反應時間有限，安全含堿量只能是<0.6%或低堿水泥0.5%Na2O當量。

5.2.1.2 混凝土含堿量：除水泥含堿量在水泥生產廠嚴格控制外，混凝土的含堿量應計算骨料中的活性堿、抑制材料中的活性堿、水質中的堿、外加劑中的堿。混凝土的總堿量控制為：

A、對于一般活性的巖石骨料和一般混凝土工程，混凝土含堿量≤3.0Kg(Na2O當量計)/m3。

B、對于高活性的巖石骨料和重要工程，混凝土含堿量≤2.0Kg(Na2O當量計)/m3。

控制水泥和混凝土安全含堿量是防止堿—骨料反應最有效途徑。

5.2.2 抑制堿—骨料反應

防止堿—骨料反應是主位，抑制堿—骨料反應是從屬的。在水泥含堿量<1.2%Na2O當量條件下，抑制材料摻量(占水泥重)為：

高爐水悴礦渣≥40%。

粉煤灰≥30%。

偏高嶺石≥20%。

偏蒙脫石≥20%。

硅藻土（或硅灰）≥20%。

低熱微膨脹水泥

5.3 根據混凝土堿骨料反應的8個類別，在為工程建筑尋找混凝土骨料時，才能快捷、安全、有效地尋找到合適的料源。工程經驗驗證前寒武紀和寒武紀硬砂巖、砂巖都是堿活性的。

5.4 最后說明，在選取料場的過程中取樣要具有代表性，不要選那些分布極少又明顯具有堿活性的巖石。例如表1中列舉的呂溝石料場，本來這個料場沒問題，但是如果都取像編號LG-7那樣的巖石，那么結果就把一個沒問題的料場給浪費了。因為隨著經濟的發展，石材的需求越來越多，要想找到沒堿活性的料場越來越少了。

[1]中華人民共和國.SL251-2000水利水電工程天然建筑材料勘察規程[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T5151-2001水工混凝土砂石骨料試驗規程[S].北京：中國電力出版社，2002.

[3]劉錚，韓蘇芬，唐明述.堿－碳酸鹽反應機理[J].硅酸鹽學報，1987，15（4）：30－35.

[4]劉崇熙，文梓蕓.混凝土堿—骨料反應[M].廣州：華南理工大學出版社，1995.