混凝土堿-硅酸反應的抑制措施

吳 航，李波濤

(貴州省公路工程集團有限公司，貴陽 550001)

由于骨料是混凝土的主要組成，分布在混凝土結構各個部位，一旦發生堿骨料反應，將難以被抑制、補救，其中堿-硅酸反應(Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR)是堿骨料反應中最為常見的一類，目前國內外均有較多研究成果針對不同場合下的砂漿、混凝土堿骨料反應的抑制方法進行了探討，此外，在各管理部門的重視和研究人員的探索下，各種有效堿骨料反應抑制措施被納入混凝土生產過程中，近幾年更是發展出摻入各種新型礦物摻合料的技術路線，該文在總結、歸納較新的堿骨料抑制措施的基礎上，提出預防和控制混凝土堿-硅酸反應的一些建議。

1 控制措施

控制ASR的措施可分為物理方法和化學方法，物理方法包括選擇非活性骨料、低堿水泥，降低混凝土滲透性；化學方法是利用礦物摻合料、化學外加劑來抑制反應程度。

1.1 控制堿含量來源

水泥是混凝土中堿的主要來源，嚴格控制水泥堿含量及水泥用量是美國、日本、英國等各國規范均采取的常規措施，將0.6%水泥堿含量作為預防堿骨料反應的安全界限已獲得普遍認可(通常將堿含量低于0.6%的水泥稱為低堿水泥)。然而，目前混凝土中使用礦物摻合料、化學外加劑的現象較常見，控制單方混凝土中各種原材料總堿量比單純控制水泥堿含量百分比更加合理。

美國聯邦高速公路管理局曾廣泛研究不同水泥用量下，混凝土棱柱體堿含量對膨脹行為的影響，如圖1(a)[1]圖1(b)[2]，兩圖的棱柱體試件均儲存在38 ℃、相對濕度大于90%的環境中。圖1(a)表明將總堿含量控制在3 kg/m3當量Na2O可有效限制膨脹；圖1(b)使用活性硅質灰巖，水泥用量為275 ～ 450 kg/m3(堿當量為0.67% ～ 1.40%)，從圖中可看到混凝土膨脹率與混凝土堿當量密切相關，如果堿當量小于3 kg/m3，多數混凝土試件1年膨脹性可低于0.1%。有一些工程可較輕易地將新拌混凝土堿含量控制在3 kg/m3以下，但其中某些混凝土構件依舊發生堿骨料膨脹，因為混凝土中骨料或者外部環境可能會補充堿物質。因此，在對混凝土堿含量進行限值時，應當考慮骨料類型、混凝土服役環境和設計使用年限等因素。日本、加拿大均對堿骨料反應和混凝土堿含量、骨料種類的關系進行廣泛研究[3]，從其結果來看，含不同骨料的混凝土安全堿含量差異較大，混凝土堿含量限值與骨料特性息息相關。國際材料與結構研究試驗聯合會(RILEM)于2016年在一份建議書上[4]按低活性、中等活性到高活性骨料規定混凝土安全堿含量依次為無要求、3.0～3.5 kg/m3和2.5～3.0 kg/m3，可見國際上根據骨料性能差異來控制混凝土堿含量已成為趨勢。

我國規范《混凝土堿含量限值標準》(下稱CECS 53:93)規定潮濕環境下的重要工程和含堿環境下一般工程結構混凝土堿含量上限值為3 kg/m3，若所選用的摻合料能夠通過火山灰效應有效抑制混凝土堿骨料反應時，混凝土中堿含量不受表1中限值的限制?；炷林懈鹘M分的堿物質含量可參照相關規范進行測試，然后按照CECS 53:93中給出的公式進行計算即可。

表1 防止堿-硅酸反應破壞的混凝土堿含量限值或措施

關于表1中混凝土堿含量限值的規定，目前國內存在一些不同的看法，總體可總結為：1)只要堿骨料反應中總堿量、活性骨料和水不同時具備，就應當允許不采取預防措施，但其發現國內存在只側重是否有活性骨料，一旦使用活性骨料，盡管總堿含量不超標，也要求間隔一定周期檢測骨料堿活性并采取抑制技術的現象。對于一般規模工程，這過于保守的要求將制約施工的進展和抬高工程的經濟成本[5]；2)快速砂漿棒法和混凝土棱柱體法均要求將水泥堿含量調整到0.9%和1.25%，再根據規定齡期測量膨脹行為以作判定，然而不同工程所用水泥可能是低堿水泥也可能是高堿水泥，若依舊采用統一試驗評判標準，結果或將有失偏頗。CECS53:93和《高強混凝土結構技術規程》 CECS104:99限制混凝土堿含量的前提是確定骨料具有堿活性，當使用非活性骨料時可不限制混凝土堿含量，不應因為重視堿骨料反應就在不需要限制混凝土堿含量的工程中盲目使用低堿水泥等原料[6]。張承志等[7]認為混凝土堿含量的限值可能導致一些資源的利用受到約束，比如大流態混凝土需要較多的水泥和減水劑，這兩種物質的用量一旦上升很容易導致拌合物堿含量超標，如此一來便需要摻入摻合料，而較高的摻合料可能會引發漿體工作性或力學性能的下降，為了滿足混凝土性能要求，工程技術人員隨意放寬甚至不控制混凝土堿含量。所以混凝土安全堿含量限值的問題幾乎一直是困擾著重大混凝土工程的難題。董艷[8]通過研究有效堿硅比對混凝土堿骨料反應的影響，認為有效堿硅比與堿骨料反應膨脹性能相關最密切，是較有效堿含量更科學合理的控制指標，但測試過程涉及堿硅比變換、堿含量變換、活性二氧化硅百分比變換等，是否適用于工程現場試驗仍需進一步驗證。

1.2 控制骨料的堿硅酸反應活性

使用非活性或低活性骨料是防止ASR最安全可靠的措施。《預防混凝土堿骨料反應技術規范》GB/T50733—2011規定混凝土工程宜采用非堿活性骨料，并且在勘察、選擇骨料母巖時，應當對巖石進行堿活性檢驗，接觸鹽漬土、海水或除冰鹽的重要結構混凝土不得采用堿活性骨料。然而，通過使用非活性骨料來抑制堿骨料反應必須采取嚴格的測試來確保骨料不存在堿活性，同時最好對建造物進行長時間的取樣檢測，一般工程難以滿足這些要求。同時我國硅質活性骨料分布廣泛，非活性骨料越來越稀缺，選擇非活性或者低活性骨料面臨較大經濟困難，同時也制約著普通骨料的使用。有研究[9]認為如果混凝土堿含量限值滿足了要求，則應該允許使用活性骨料?！督ㄖ寐咽⑺槭稧B/T 14685規定經堿骨料反應試驗后，由卵石、碎石制備的試件無裂縫、酥裂、膠體外溢等現象，在規定的試驗齡期內膨脹率應小于0.10%。當混凝土堿含量低于3 kg/m3時，一般可不做骨料堿活性檢驗。近幾年有相當多研究表明在含活性骨料混凝土中，摻入磨細的活性骨料后能展現出優異的ASR抑制效果。楊飛[10]將典型堿活性骨料——燧石磨細至701.2 m2/kg后代替30%水泥摻入混凝土中，發現ASR能被顯著抑制。經分析，發現燧石粉發生了劇烈的火山灰作用，充當了類似粉煤灰和硅灰的角色。于本田等[11]運用快速砂漿棒法和灰色關聯分析研究了活性骨料含量的影響，發現若活性骨料含量不超過總骨料重量的20%時，混凝土內基本不產生堿骨料反應。隨著行業的發展，使用高比例活性骨料是大勢所趨，在此前提下，有必要從水泥漿體密實性、硬化后漿體堿儲備和內部孔結構等方面另辟蹊徑。

1.3 改善環境濕度

張常軍[12]認為阻斷水是降低堿骨料反應膨脹風險最簡單易行的方法，比如制備低滲透性混凝土和表面防水處理。通過使用減水劑、降低水灰比或者做表面防水保護，避免混凝土早期開裂，提高混凝土抗滲能力，改善混凝土所處外部環境，隔絕水和潮濕空氣進入混凝土內部同樣是抑制ASR反應的重要手段?？偠灾?，既應注意長年與水接觸的混凝土ASR問題，也要防止室內或環境相對干燥環境建筑的ASR風險。

1.4 摻入礦物摻合料或者外加劑

當前常用的ASR抑制礦物摻合料總體上可分為兩類:其一為玻璃態或者無定形硅鋁酸或鋁酸鹽傳統摻合料，如粉煤灰、礦渣微粉和硅灰等；其二為具有較強吸附和交換堿金屬離子能力的礦物，如沸石、膨潤土和蛭石等。國內外關于單摻粉煤灰、硅灰或者礦渣微粉的研究已經比較充分[10]。除了粉煤灰、硅灰等常規礦物摻合料，也可采用鋰鹽、鈣鹽、鋇鹽、玻璃粉和碳水化合物等抑制ASR，但是這些化學外加劑有的使用成本較高，如鋰鹽，有的抑制機理尚未完全被掌握，如鋇鹽和碳水化合物。因此，有研究人員嘗試探索來源相對廣泛或價格較低的ASR抑制材料，例如沸石、偏高嶺土、廢舊橡膠輪胎粉等。

沸石作為一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，其基本結構由硅氧四面體和鋁氧四面體按一定方式形成基本骨架。由于鋁是三價金屬離子，鋁氧四面體中有一個氧原子的負電荷未被中和，故鉀、鈉、鈣離子等陽離子可被吸附、結合到沸石結構中，因此將沸石摻入混凝土能吸附混凝土中的堿金屬離子，抑制ASR[13，14]。李福海等[14]利用高活性偏高嶺土和粉煤灰抑制ASR，發現高活性偏高嶺土粒徑主要分布在0～5 μm，能夠更充分填充水泥石空隙，與Ca(OH)2的反應活性更高，生成更加致密的膠凝材料，故具備少量高效的ASR抑制效果。Gruber K A[15]等人認為，偏高嶺土加入硅酸鹽水泥水化進程中后，能與水化產物Ca(OH)2生成黏附性更強的硅酸鈣水合產物，能夠吸附堿金屬離子、增強界面過渡區和降低水泥基體的滲透性。廢舊輪胎橡膠粉是一種具有彈性的固體粉末顆粒材料，在水泥砂漿中能充當應力集中中心，憑其小粒徑與彈性緩解水泥基體受到的拉應力，同時橡膠粉疏水，能引入一定量空氣，使得水泥漿體存在能容納ASR生成的凝膠，降低砂漿內部的膨脹壓。

總體而言，往混凝土摻入礦物摻合料時漿體所發生的堿-硅酸反應抑制原理大致可分為：物理替代效應(使用低堿摻合料替代高堿水泥)、火山灰效應(消耗混凝土內部堿含量)、二次反應物對堿物質的固化效應(通過靜電吸附作用固化堿離子或氫氧根)、對水化產物進行改性(改變鈣硅比或堿硅比以降低膨脹程度)和細化孔結構(通過填充作用和火山灰效應令孔結構更加復雜、密實，降低硬化漿體內水分或離子的傳輸能力)。隨著水泥基材料學科的發展，新的礦物摻合料技術不斷涌現，當應用于抑制混凝土堿硅酸反應時，其反應機理仍在探索階段，亟需更多試驗工作在微觀形貌、水化動力學等方面進行闡述，進而研發低成本、高效率的堿硅酸反應抑制方案，攻克混凝土“癌癥”這一難題。

2 結 論

a.混凝土有效堿含量限值的確定值得進一步探討，不同工程背景下混凝土原材料有效堿含量的計算建議細化。隨著行業發展，使用高比例活性骨料是大勢所趨，在此前提下，有必要從水泥漿體密實性、硬化后漿體堿儲備和內部孔結構等方面另辟蹊徑，根據骨料性能差異來控制混凝土堿含量。

b.隔絕外界水分和潮濕空氣進入混凝土內部能夠在一定程度上抑制堿-硅酸反應，同時應注意混凝土內部相對濕度帶來的堿-硅酸反應風險。

c.采用粉煤灰、礦粉和硅灰來抑制堿-硅酸反應的技術手段較為成熟，鋰鹽、沸石、廢舊輪胎橡膠粉、玻璃粉等是較新的抑制措施，深入對其機理、適用場合和經濟性等方面做大量理論、試驗研究，對科學、有效預防和控制堿-骨料膨脹危害具有重要的參考意義和指導價值。