混凝土碱骨料反应问题

混凝土碱骨料反应问题

由于我国过去的水泥含碱量一般不高，加以自50年代起30余年来一直生产高混合材水泥。例如在七十代曾大量生产使用的矿渣400号水泥，其中矿渣含量高达(60-70)%、有这么多的活性混合材、即使某厂水泥熟料含碱量稍高。砂石中有相当数量的活性成分、由于活性混合材可以起到消化缓解碱的作用、因而在八十年代以前我国一般土建工程尚未见碱骨料反应对工程损害的报告、以致许多设计、施工工程技术人员对碱骨料反应问题还比较生疏，有必要作一些基本情况的介绍。

一、什么是水泥商品混凝土的碱骨料反应

碱骨料反应是商品混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱

(Na

2O或K

2

O)与骨料中的活性成分反应，在商品混凝土浇筑成型后若干午(数年

至二、三十年)逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使商品混凝土产生内部应力，膨胀开裂、导致商品混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦发生碱骨料反应、商品混凝土内各部分均产生膨胀应力，将商品混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为商品混凝土的癌症。

二、碱骨料反应的分类和机理

1．碱硅酸反应

1940年美国加利尼亚州公路局的斯坦敦，首先发现碱骨料反应问题，引起全世界商品混凝土工程界的重视，这种反应就是碱硅酸反应。碱硅酸反应是水

泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶，碱硅凝胶固体体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起商品混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展、使商品混凝土内部膨胀应力增大，导致商品混凝土开裂。发展严重的会使商品混凝土结构崩溃。能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及结晶有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等，而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中。因而迄今为止世界各国发生的碱骨科反应绝大多数为碱硅酸反应。

2．碱碳酸盐反应

1955年加拿大金斯敦城人行路面发生大面积开裂，怀疑是碱骨料反应，用美国ASTM标准的砂浆棒法和化学法试验，属于非活性骨料。后经研究，斯文森于1957年提出一种与碱硅酸反应不同的碱骨料反应——碱碳酸盐反应。一般的碳酸岩、石灰石和白云石是非活性的，只有象加拿大金斯敦这种泥质石灰质白云石，才发生碱碳酸盐反应。碱碳酸盐反应的机理与碱碳酸反应完全不同，在泥质石灰质白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁的反应时，将

其中白云石(MgCO

3)转化为水镁石Mg(OH)

2

，水镁石晶体排列的压力和粘土吸水

膨胀，引起商品混凝土内部应力，导致商品混凝土开裂。碱碳酸盐反应在斯文森提出后。在美国的印地安纳、弗古尼亚、农华达等州和其它国家也发现有这种类型的反应，近几年在我国的山东省和山西省也发现有过这种类型的反应。3．碱硅酸盐反应

1965午基洛特加对加拿大的诺发·斯科提亚地方的商品混凝土膨胀开裂进行研究发现。(1)形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿

物；(2)膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；(3)能形成反应环的颗粒非常少；(4)与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。又进一步研究，发现诺发·斯科提亚地方的碱性膨胀岩石中。蛭石类矿物的基面间沉积物是可浸出的，在沉积物被浸出后吸水，使面间距由10A增大。到12A。致使体积膨胀，引起商品混凝土内部膨胀应力；因此认为这类碱骨料反应与传统的碱硅酸反应不同，并使名为碱硅酸盐反应。对此，国际学术界有争论。我国学者唐明述对此也进行了研究，他从全国各地收集了上百种矿物及岩石样品，从矿物和岩石学角度详细研究了其碱活性程度。研究表明，所有层状结构的碳酸盐矿物如叶蜡石、蛇纹岩、伊里石、绿泥石、云母、滑石、高岭石、蛭石等均不具碱活性，有少数发生碱膨胀的、经仔细研究，其中均含有玉髓、微晶石英等含活性氧化硅矿物、从而证明这仍属于碱硅酸反应，这一结论与基洛特起初发现的四个特点也并不矛盾。这个研究报告在第8庙国际碱骨料反应学术会议上发表后，得到许多知名学者的赞同。但由于这种反应膨胀进程缓慢，用常规检验碱硅酸反应的方法无法判断其活性。因此，在进行骨料活性和骨料反应膨胀检验时，还必须与一般碱硅酸反应类型有所区别。

三．碱骨料反应的发生原因（条件）和特征

商品混凝土工程发生碱骨料反应需要具有三个条件。首先是商品混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。早在1940年，斯坦孰用加利福尼亚州骨料作砂浆膨胀试验时，就发现水泥含碱量愈高，碱骨料反应的膨胀量愈大，在水泥含碱量低于0.6%时，就可以避免发生碱骨料反应。后

来在其他许多国家试验，由于骨料反应的活性不同，有时水泥含碱量低于0.4%氧化纳当量、也有发生碱骨料反应膨胀量大的情况；但水泥含碱量高于0.6%称为高碱水泥已为大多数国家接受。随着水泥工业出现含不同混合材的水泥以及商品混凝土愈来愈多地掺用各种外加剂，以及日本、英国使用海砂配商品混凝

土，发现商品混凝土各种原材料成分中的碱(Na

2O、K

2

O)，均可导致发生碱骨料

反应对工程的损害。有关活性骨料，经世界各国许多学者四十余年的研究归纳具有碱活性的骨料如表一所示。表中所列含有碱活性的岩石、除最下一行的碳酸岩外，基本上都是含活性二氧化硅的矿物。从表中所列活性成分看，一种是无定形(非晶体)二氧化硅，如蛋白石、火山玻璃；一种是结品不完整的二氧化硅、如玉髓、磷石英、微晶石英等，另—种是结晶完整，例如花岗岩为深成岩，其中石英结晶很完整，但由于地壳变动，受挤压力产生晶格扭曲变形，当其中应变石英含量大于30%时，就会发生碱活性。还有一种层状页硅酸盐、属于现在有争议的碱硅酸盐反应活性骨料。各国已发现碱活性矿物岩石(表一) 岩石活性组分

火成岩花岗岩

花岗阀长岩

紫苏花岗岩

应变石英含量>30%

浮石

流纹石

安山石

英安岩

粗面岩

酸至中性富二氧化硅

的火山玻璃体鳞石英