混凝土堿含量分析與影響因素分析

何國太

（山西交科公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

混凝土集料中某些活性礦物（活性氧化硅、活性氧化鋁等）與混凝土微孔中的堿溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿- 硅酸凝膠、堿- 碳酸凝膠吸水產(chǎn)生膨脹壓力，使混凝土發(fā)生開裂、強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土破壞，這種現(xiàn)象稱為堿集料發(fā)應(yīng)。

混凝土堿集料反應(yīng)分為堿- 硅反應(yīng)、堿- 碳酸鹽反應(yīng)和堿- 硅酸鹽反應(yīng)，其中堿- 硅反應(yīng)最為常見[1]。引起堿集料反應(yīng)的3 個(gè)條件中有兩個(gè)來自混凝土內(nèi)部，一是堿性物質(zhì)（含堿量以Na2O、K2O 當(dāng)量計(jì)），或者處在堿滲入的環(huán)境；二是集料中有堿活性骨料；三是潮濕環(huán)境。

2 堿-硅反應(yīng)機(jī)理

混凝土內(nèi)部的水泥水化反應(yīng)，生成強(qiáng)堿性氫氧化物，

Na2O+H2O→2NaOH，K2O+H2O→2KOH.

氫氧化鉀、氫氧化鈉再與粗細(xì)集料中的（非結(jié)晶）活性氧化硅相作用，生成硅酸堿類[2]。

2NaOH+SiO2→Na2OSiO2+nH2O（在水環(huán)境下），

2KOH+SiO2→K2OSiO2+nH2O（在水環(huán)境下）。

3 堿含量計(jì)算

3.1 混凝土中堿的來源

混凝土中堿來自水泥、摻合物料、外加劑、骨料和拌合水，其中水泥、摻合料和外加劑是主要來源。本次混凝土中總堿含量主要計(jì)算除骨料外其余原材料帶入混凝土中的堿，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)，原材料包括水泥、水、集料、外加劑、粉煤灰、礦渣粉。

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

某工程實(shí)例設(shè)計(jì)圖紙中指出：選用的骨料應(yīng)在施工前進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，優(yōu)先采用非活性骨料，不應(yīng)使用堿- 碳酸鹽反應(yīng)活性骨料和膨脹率大于0.20%的堿- 硅酸反應(yīng)活性骨料。當(dāng)骨料堿- 硅酸反應(yīng)膨脹率在0.10%～0.20%時(shí)，總堿含量不宜大于3.0 kg/m3（特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3），且應(yīng)經(jīng)堿- 骨料反應(yīng)抑制措施有效性試驗(yàn)驗(yàn)證合格。

3.3 堿含量計(jì)算結(jié)果

表1 混凝土的堿含量計(jì)算

對(duì)水泥、水、外加劑、粉煤灰、礦渣粉的堿含量進(jìn)行檢測(cè)，得到材料的堿含量結(jié)果（%）；水泥、水、外加劑按照各個(gè)標(biāo)號(hào)混凝土中材料的配合比，計(jì)算每立方混凝土中各種材料的堿含量（kg/m3），粉煤灰堿含量取實(shí)測(cè)值的1/6，粒化高爐礦渣粉堿含量可取實(shí)測(cè)值的1/2，將所有材料的堿含量相加得混凝土總堿含量。各種原材料堿含量檢測(cè)值、各種配合比混凝土的堿含量計(jì)算結(jié)果見表1。

4 結(jié)果分析

4.1 水泥引入的堿含量

從圖1可見，由水泥引入的堿含量為1.21～2.585kg/m3，達(dá)到混凝土總堿含量的81%～94%；水泥引入的堿含量隨著水泥用量的增大而增加，C20的水泥用量最小，引入混凝土中的堿含量最小，C70的水泥用量最大，引入的堿含量也最大。C30 以上等級(jí)混凝土中的水泥引入的堿含量已經(jīng)超過了特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。

圖1 混凝土中水泥的堿含量

4.2 水引入的堿含量

從圖2可見，由水引入的堿含量為0.042 255～0.054 149 kg/m3，達(dá)到混凝土總堿含量的1%～3%；隨著混凝土用水量的減少，引入的堿含量也減小，C70 的用水量最小，引入的堿含量也最小，C35 的用水量最大，引入的堿含量也最多。

圖2 混凝土中水的堿含量

4.3 外加劑引入的堿含量

從圖3可見，由外加劑引入的堿含量為0.013 76～0.030 186 kg/m3，達(dá)到混凝土總堿含量的0.8%～1.0%；隨著混凝土外加劑摻量的增加，引入的堿含量也增加；C20 的外加劑用量最小，引入的堿含量也最小；C70 的外加劑用量最大，引入的堿含量也最多，是C20 引入的2 倍多；由外加劑引入的堿含量隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加。

圖3 混凝土中外加劑的堿含量

4.4 粉煤灰引入的堿含量

從圖4可見，由粉煤灰引入的堿含量為0.036 7～0.223 33 kg/m3，達(dá)到C20 混凝土總堿含量的15%，達(dá)到C30 以上混凝土總堿含量的2%～7%；隨著粉煤灰用量的減少，引入的堿含量也減小，C50 的粉煤灰用量最小，引入的堿含量也最小，C20的粉煤灰用量最大，引入的堿含量也最多。

圖4 混凝土中粉煤灰的堿含量

4.5 每立方米混凝土的總堿含量

a）從表1可見，6 種水泥混凝土每立方米混凝土的總堿含量為1.5～2.9 kg/m3，均滿足一般橋涵不宜大于3.0 kg/m3的要求；C30 以上等級(jí)混凝土的總堿含量為2.2～2.9 kg/m3，均不滿足特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。因此，該項(xiàng)目不應(yīng)使用堿- 碳酸鹽反應(yīng)活性、膨脹率大于0.20%的堿- 硅酸反應(yīng)活性的骨料。

b）從圖5可見，每立方米混凝土的總堿含量隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加（除C40 外）；C20強(qiáng)度等級(jí)最低，總堿含量最小；C70 強(qiáng)度等級(jí)最高，總堿含量最大，約為C20 的2 倍。

c）從圖6可見，水泥引入的堿含量對(duì)每立方米混凝土的總堿含量影響最大，水泥的引入堿含量、每立方米混凝土的總堿含量隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高的變化規(guī)律一致。因此，水泥的堿含量對(duì)控制混凝土總堿含量具有重要意義。

圖5 混凝土的堿含量

圖6 水泥的堿含量與混凝土堿含量的對(duì)比

5 混凝土過高堿含量的危害

過高堿含量會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)集料膨脹、集料與水泥漿接觸周邊發(fā)生不良反應(yīng)等現(xiàn)象，反應(yīng)生成的堿硅酸凝膠的固體體積遠(yuǎn)大于反應(yīng)前的體積，吸水后體積膨脹增大3 倍以上，容易引起結(jié)構(gòu)物開裂[3]。

6 預(yù)防措施

6.1 使用非活性骨料

對(duì)于本文的計(jì)算實(shí)例，由于涉及特大橋梁、重要結(jié)構(gòu)，由于水泥引入的堿含量已經(jīng)超過1.8 kg/m3的要求，應(yīng)嚴(yán)格控制骨料種類，必須使用非活性骨料。

6.2 控制水泥的堿含量

采用堿含量小于0.3%的低堿水泥，減少水泥引入的堿含量，控制混凝土總堿含量小于1.8 kg/m3。

6.3 摻粉煤灰或礦渣粉

優(yōu)化混凝土配合比，摻加粉煤灰或礦渣粉，取代30%左右的水泥。

6.4 適當(dāng)降低水灰比

采用較低的水灰比，減少混凝土內(nèi)部孔隙，從而降低混凝土的滲透性。

6.5 選用低堿減水劑

選用低堿減水劑，并且嚴(yán)格控制摻量。

7 結(jié)論

a）當(dāng)水泥本身的堿含量達(dá)到0.55 以上時(shí)，C30以上等級(jí)水泥混凝土總堿含量可以滿足一般橋涵3.0 kg/m3的要求。

b）水泥引入的堿含量對(duì)每立方米混凝土的總堿含量影響最大，水泥的堿含量對(duì)控制混凝土總堿含量具有重要意義。為預(yù)防堿集料反應(yīng)，采用低堿水泥和控制混凝土其他組分堿的引入。

c）通過優(yōu)化混凝土的設(shè)計(jì)、施工、材料、管理等方面措施，預(yù)防過大的混凝土堿集料反應(yīng)。