福建地區建筑骨料堿-硅活性狀況及抑制方法研究

林仙斌 吳金灶 朱 仲

(中國水利水電第十六工程局有限公司 福建福州 350000)

1 概述

堿骨料反應是考察混水泥凝土耐久性的重要指標之一。自1940年美國首次發現堿骨料反應以來，已在世界各國許多混凝土工程陸續發生了堿骨料反應破壞。由于我國生產的水泥堿含量一般不高，加上20世紀50年代至80年代期間大都生產和使用混合水泥，其中摻加了比例較高的活性混合材，可有效消化和緩解骨料堿-硅活性；另外，堿骨料反應都是滯后幾年乃至幾十年后發生，故20世紀以前我國土建工程較少發生因骨料堿活性對混凝土工程破壞的案例，致使人們對堿骨料反應危害工程的認識不足[1]。進入21世紀以來，隨著水泥中摻合料用量的減少，加上使用堿含量較高的混凝土外加劑，因此發生因堿骨料反應破壞混凝土工程的事件時有發生。我國華北、西南地區骨料堿活性較高，故發生因堿骨料反應破壞的混凝土工程概率也較高。福建地區以前沒有發生混凝土工程因堿骨料反應而破壞的相關報道，而近幾年相繼發現許多工程使用的粗細集料有較高的堿活性，如水口壩下工程采用的卵石和碎石都有較高的堿-硅活性，永泰抽蓄工程和周寧抽蓄工程采用的粗集料也有存在堿-硅活性。對此，應引起工程的參建各方高度重視。

2 堿骨料反應機理及類型

2.1 堿骨料反應機理

堿骨料反應是由混凝土中的水泥、外加劑、摻合料和水中的堿(Na2O及K2O)與骨料中的活性二氧化硅、硅酸鹽或碳酸鹽作用，在混凝土澆筑后的若干年(有的多達幾十年)逐漸反應，生成帶多個結晶水的化合物后膨脹，致使混凝土體積不安定，使混凝土失去相應的設計功能。由于活性骨料經攪拌后呈均勻分布，發生堿骨料反應后，內部各部分均產生膨脹應力，此類病害無法修補，須整體拆除，故稱堿骨料反應為混凝土的癌癥。

2.2 堿骨料反應類型

堿骨料反應，簡稱AAR，按骨料存在活性組分區分，又分為堿-硅酸反應(ASR)和堿碳酸反應(ACR)。

堿-硅酸反應(ASR)是指混凝土中的堿組分與骨料中的某些活性硅組分之間發生的化學反應，其結果導致骨料被侵蝕，生成具有膨脹性產物并導致混凝土結構破壞。其作用可用下式表示。

Na+(k+)+SiO2+OH-→Na(K)-Si-H凝膠

Na(K)-Si-H能吸水膨脹而使混凝土開裂破壞。一般活性SiO2是指無定形SiO2、隱晶質、微晶質和玻璃質SiO2，其分布較廣，在沉積巖、火成巖和變質巖中均有發現。從20世紀90年代起，我國陸續在北京、天津、山東、陜西、內蒙、河南等地區發現因ASR所引起的混凝土破壞案例。

堿-碳酸反應(ACR)是指混凝土中的堿與骨料中的活性碳酸鹽作用引起混凝土地圖狀開裂。ACR的膨脹機理與ASR完全不同，其作用見以下公式:

CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+

Na2CO3

CaMg(CO3)2+2KOH→Mg(OH)2+CaCO3+

K2CO3

其中生成物Mg(OH)2吸水膨脹使混凝土開裂破壞。

一般來說，碳酸鹽巖石中，石灰巖和白云巖是非活性的，只有粘土質的白云石灰巖才可能發生ACR，若骨料的化學成分中含有MgO，則應注意是否存在碳酸鹽活性。因ACR而使混凝土開裂破壞的例子在我國較少，在河北地區曾有這方面破壞的相關報道。

由于骨料中存在活性硅及硅酸鹽的范圍較廣，而活性碳酸酸鹽骨料分布范圍較窄，且兩者與堿作用機理完全不同，加上骨料若存在ASR尚有相應的抑制措施，而骨料若存在ACR則無切實可行的抑制措施，只能更換合格的骨料。因此本文著重介紹骨料堿-硅反應及相應的抑制措施。

3 堿-硅反應發生條件

發生ASR需具備3個條件，即活性骨料、堿和水。

硅質骨料皆可能有活性(卵石和碎石)，在使用前先進行堿骨料反應試驗，根據試驗結果判斷骨料是否具有活性，并采取相應的應對措施。

堿的來源是混凝土中原材料所含的堿含量。主要是由水泥、摻合料、骨料、外加劑、水及環境帶來的堿所組成。骨料中的堿是否參與混凝土堿含量計算，學術界意見不一，但對百年的混凝土工程而言，骨料中堿析出是肯定的，而摻合料中的堿也會部分釋放出來。

發生堿骨料反應的條件之一是有水介質的存在，相關研究表明，當混凝土中的相對濕度<75%時，堿骨料反應停止。而水工混凝土或水運混凝土長期處在潮濕狀態，故堿骨料反應更加危險。

4 骨料堿-硅活性試驗方法及判斷

4.1 骨料堿-硅活性試驗方法

依據DL/T5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》(其它行業也大同小異)規定，檢驗骨料堿硅活性試驗方法有巖相法、砂漿棒長度法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法和中國壓蒸法，檢驗骨料堿-碳酸鹽活性試驗方法有碳酸鹽骨料活性檢驗。而檢驗堿骨料反應抑制措施試驗方法有砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法。當巖相法試驗結果與快速砂漿棒法(或砂漿棒長度法)試驗結果矛盾時，以快速砂漿棒法為準，當快速砂漿棒法試驗結果與混凝土棱柱體試驗結果矛盾時，以混凝土棱柱體試驗為準。但混凝土棱柱體試驗時間需要1年以上，對工程施工進度有一定的影響[2]。

4.2 堿骨料試驗結果判斷

(1)巖相法：根據巖相判斷(本文不做介紹)。

(2)砂漿棒長度法(養護溫度38℃±2℃)

當試件半年膨脹率不低于0.10%，或3個月膨脹率不低于0.05%，即評定為具有潛在危險性的活性骨料；反之，則評定為非活性骨料。

(3)碳酸鹽骨料的堿活性試驗

當試件84d膨脹率在0.10%以上時，該巖樣應判為具有潛在堿活性危害，不應作為混凝土骨料。

(4)砂漿棒快速法(養護溫度80℃±2℃)

①若試件14d的膨脹率小于0.10%，則骨料為非活性骨料；

②若試件14d的膨脹率大于0.20%，則骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料；

③若試件14d的膨脹率為0.10%～0.20%，對這種骨料應結合現場使用歷史、巖相分析、試驗觀測試件延至28d后的測試結果，或采用混凝土棱柱體法試驗結果等進行綜合評定。

(5)混凝土棱柱體法(養護溫度20℃±3℃)

當混凝土試件1年的膨脹率大于或等于0.04%，則判定為具有潛在危害性反應的活性骨料；膨脹率小于0.04%,則判斷為非活性骨料。當砂漿棒快速法與混凝土棱柱體法試驗檢測結果不一致時，以混凝土棱柱體法試驗檢測結果為準，但試驗時間較長。

5 骨料堿-硅活性抑制措施及粉煤灰抑制堿-硅活性機理

5.1 骨料堿活性的判斷及種類

若骨料存在堿-硅活性，宜更換骨料料源，采用非活性骨料；若無法更換料源，則應采取相應的抑制措施；當采取抑制措施后，28d的膨脹率小于0.10%，則抑制措施滿足要求；若28d的膨脹率大于或等于0.10%，則抑制措施不滿足要求，需更換抑制措施；若骨料存在堿-碳酸鹽活性，則必須更換料源，具有堿-碳酸活性的骨料不得用于配制混凝土。

5.2 使用堿-硅活性骨料時可考慮采用以下措施加以抑制

5.2.1控制混凝土的總堿量不超過3.0kg/m3

(1)采用低堿水泥，水泥堿含量≤0.6%；

(2)采用F類Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰時，粉煤灰堿含量≤2.5%；若采用粒化高爐礦渣粉，其堿含量≤1.0%；摻用硅灰時，其堿含量≤1.5%；

(3)采用低堿含量的外加劑，由外加劑帶入的堿<1.0kg/m3;

(4)采用堿含量不大于1500mg/m3的拌和用水。

在計算混凝土堿含量時，水泥、外加劑和水的堿含量可用實測值計算；粉煤灰的堿含量可用1/5的實測值計算(水工規范規定采用1/5的實測值計算，而建筑規范規定采用1/6的實測值計算)；硅灰和粒化高爐礦渣的堿含量采用1/2的實測值計算。

5.2.2采用礦物混合材

(1)考慮采用活性較好的粉煤灰，粉煤灰摻量應≥25%以上(有些規范要求≥20%)，若快速砂漿棒膨脹率>0.20%，則需活性較好粉煤灰加以抑制，且粉煤灰摻量應≥30%[3]；

(2)可考慮摻用粒化高爐礦渣，摻量不宜低于50%；

(3)可考慮摻用偏高嶺土、硅藻土、沸石粉等，摻量根據試驗確定；

(4)若采用上述3種方法都無法抑制堿-硅反應活性時，可考慮再摻加不宜小于5%的硅灰加以抑制。當14d快速砂漿棒法膨脹率<0.03%或28d快速砂漿棒法膨脹率<0.1%時，可判斷抑制骨料堿-硅反應措施有效[4]。

5.2.3摻用鋰鹽、鈣鹽等化學外加劑

5.2.4在滿足強度前提下多摻用混凝土引氣劑，因為引氣劑產生的細密小氣泡能消除堿骨料反應產生的膨脹力。

5.2.5減少混凝土用水量，降低混凝土濕度

(1)使用混凝土高效減水劑；

(2)提高混凝土抗滲等級和密實度，減少自由水的通道；

(3)提高混凝土的設計齡期，這是由于高摻礦物后會使混凝土的早期強度降低；

(4)在結構物表面采用防堿涂層等隔離措施，如在混凝土結構物表面涂刷聚脲等。

(5)施工時應加強對混凝土裂縫的控制，出現裂縫時應及時修補，防止水分滲入。

5.3 粉煤灰類活性材料抑制堿-硅活性機理

(1)粉煤灰溶出堿含量相對較少，部分替代水泥后將會稀釋混凝土中的堿含量。

(2)粉煤灰通過填充效應以及二次水化作用等能夠顯著改善混凝土內部孔結構分布形態，提高混凝土密實性及抗滲性，從而降低空隙溶液中離子的遷移速度率，降低堿含量離子與活性骨料接觸概率，延緩堿骨料反應發生[5]。

(3)粉煤灰通過火山灰反應生成大量水化硅酸鈣凝膠，這類凝膠具有較低的鈣硅比以及較強的堿吸附能力，因而能夠有效降低孔隙溶液中堿金屬離子濃度，抑制堿骨料反應發生。

6 福建地區建筑骨料堿-硅活性狀況、抑制措施及效果

6.1 福建地區建筑骨料堿-硅活性狀況

福建地區建筑骨料堿-硅活性狀況如表1所示。

6.2 骨料堿-硅活性抑制效果

抑制骨料堿-硅活性的措施和材料很多，考慮到抑制材料的貨源供應以及對水泥混凝土和易性的影響，一般采用品質較優的粉煤灰來抑制建筑骨料的堿-硅活性。不同品種的粉煤灰抑制骨料堿-硅活性效果如表2所示。

表1 福建地區建筑骨料堿-硅活性狀況

注：快速法堿活性判斷以試件14d的膨脹率為準。

表2 不同品種的粉煤灰抑制骨料堿-硅活性效果

續表2

注：快速法堿活性抑制效果以試件28d的膨脹率為準。

從表1和表2得知：

(1)福建的閩江流域、永泰、周寧等地建筑骨料均存在較嚴重的堿-硅活性，若不采取相應的抑制措施，若干年后勢必會造成工程質量事故，故應引起我們高度重視。

(2)采用的粉煤灰品種及品質不同，其抑制堿-硅活性的效果也各不相同。活性高的粉煤灰，其抑制堿-硅活性的效果明顯優于活性低的粉煤灰。因此用于抑制堿-硅活性的粉煤灰摻量也較低。因此，在選擇抑制骨料堿-硅活性的粉煤灰品質時，應通過試驗確定。

(3)在堿-硅活性劑抑制試驗時，試驗結果與采用的水泥品質關系較大。永泰抽水蓄能電站工程采用金牛三明P.O42.5水泥時，福建華能F類Ⅱ級粉煤灰摻量為20%時，方可抑制人工砂堿-硅活性，28d砂漿膨脹率為0.04%，小于0.10%；而采用金牛福州P.O42.5水泥時，福建華能F類Ⅱ級粉煤灰摻量為10%時，即可抑制人工砂堿-硅活性，28d砂漿膨脹率為0.08，小于0.10%。

(4)金牛福州P.O42.5水泥抑制堿-硅活性效果優于金牛三明P.O42.5水泥，與該水泥中粉煤灰及礦渣組分較高有關。

7 結語

堿骨料反應是混凝土耐久性的重要指標之一，為了抑制堿骨料反應，尤其是抑制骨料堿-硅活性反應，應采取一系列措施，如采用低堿水泥；摻加一定比例的礦物混合材；摻用化學外加劑及引氣劑；減少混凝土用水量，減小混凝土濕度等措施。由于骨料堿-硅反應破壞性極強，且多為工程施工幾年乃至幾十年后發生，具有較大的隱蔽性。福建地區部分地方建筑骨料存在嚴重的堿-硅活性，需采取適當的措施加以抑制方可使用，故應引起工程技術人員的高度重視。