摘要：論述了混凝土堿-集料反應(yīng)的分類及機(jī)理，提出了預(yù)防和抑制混凝土堿-集料反應(yīng)的有效措施。
　　關(guān)鍵詞：混凝土；堿-集料反應(yīng)；預(yù)防措施
　　1.引言
　　堿-集料反應(yīng)（Alkali-AggregateReaction，簡(jiǎn)稱AAR）是指混凝土中的堿（K+、Na+）或由外界環(huán)境滲入混凝土中的堿金屬離子與集料（砂、石）中的某些有害成分（堿活性礦物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成遇水具有膨脹性質(zhì)的凝膠，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成混凝土開裂破壞。1940年Stanton[1]在美國(guó)首次證實(shí)混凝土堿-集料反應(yīng)對(duì)加利福尼亞洲布納德利路面混凝土的破壞后，在世界各地相繼出現(xiàn)各種工程破壞的事例，包括大壩、橋梁、公路、機(jī)場(chǎng)、港口及工業(yè)民用建筑[1]。英國(guó)自1975年發(fā)現(xiàn)首例AAR的建筑物破壞事例后，迄今的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明在英國(guó)的6000座鋼筋混凝土橋梁中，有165座已確信受AAR的破壞；在法國(guó)北部調(diào)查了1970年后建成的860座橋，結(jié)果表明受AAR破壞者為123座，占14%；澳大利亞、西班牙、瑞士、加拿大等國(guó)都有AAR引起的混凝土建筑物破壞的事例；我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)在北京、天津、山東、陜西、內(nèi)蒙古、河南等地的立交橋或機(jī)場(chǎng)或鐵路軌枕中發(fā)現(xiàn)因堿-集料反應(yīng)所引起的破壞實(shí)例[1-2]。
　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堿-集料反應(yīng)研究已持續(xù)60多年，并不斷出現(xiàn)新問(wèn)題和研究方向。由于活性集料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布，一旦發(fā)生所造成的混凝土開裂破壞是整體性的，混凝土各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，這種膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生，開裂往往又會(huì)加劇混凝土鋼筋銹蝕、凍融破壞、碳化和侵蝕等多種破壞，彼此的疊加和相互促進(jìn)，導(dǎo)致混凝土耐久性迅速下降，嚴(yán)重的可使混凝土疏松崩解，喪失使用功能。一旦發(fā)生，嚴(yán)重的只有拆除，無(wú)法補(bǔ)救，因此被喻為混凝土的癌癥。堿-集料反應(yīng)是影響混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期耐久性的重要因素之一[2]。因此，充分認(rèn)識(shí)堿-集料反應(yīng)的作用機(jī)理以及預(yù)防措施有重要意義。
　　2.AAR反應(yīng)機(jī)理分析
　　堿-集料反應(yīng)發(fā)生必須具備三個(gè)條件：堿，活性集料和水，堿主要來(lái)源于水泥。國(guó)際上已發(fā)現(xiàn)的堿-集料反應(yīng)按有害礦物種類的不同有三類[2-3]，即堿-硅酸反應(yīng)（Alkali-SilicateReaction，簡(jiǎn)稱ASR）、堿-碳酸鹽反應(yīng)（Alkail-CarbonateReaction，簡(jiǎn)稱ACR）、堿-硅酸鹽反應(yīng)（Alkali-SilicateReaction，簡(jiǎn)稱L-ASR）。其中堿-硅酸反應(yīng)最普遍，因此本文提到的AAR反應(yīng)主要是指ASR。
　　2.1堿-硅酸反應(yīng)（Alkali-SklicaReaction，ASR）
　　堿-硅酸反應(yīng)（ASR）一般指混凝土中的堿（K+、Na+）與集料中的活性SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿的硅酸鹽凝膠，膠體吸水后膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土的開裂。ASR首先是化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物是活性SiO2和混凝土孔溶液中的Na+、K+、OH-等，反應(yīng)產(chǎn)物是堿硅酸凝膠。堿主要來(lái)源于水泥和外加劑，也有學(xué)者認(rèn)為骨料，特別是長(zhǎng)石含量大的骨料，也可以向混凝土中釋放大量的堿，而活性SiO2則主要來(lái)源于混凝土所用集料。用簡(jiǎn)單的化學(xué)方程式表示為：
　　Na+（K+）+SiO2+OH-→Na（K）-Si-H
　　此類反應(yīng)混凝土中的堿（K、Na）溶于孔隙中與硅質(zhì)集料中活性SiO2反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠，其吸水后產(chǎn)生很大的體積膨脹，體積約增大可達(dá)3倍以上，從而導(dǎo)致混凝土開裂。中集料中的活性SiO2指無(wú)定形SiO2和隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)及玻璃質(zhì)的SiO2，如玉髓、蛋白石、非常細(xì)小的微晶石英，隱晶質(zhì)和微晶質(zhì)二氧化硅及受應(yīng)力變型的二氧化硅等。衡量骨料SiO2活性指數(shù)的參數(shù)為K，即：
　　K=[X(CaO)+X(A12O3)]/[X(SiO2)+X(Na2O)]
　　式中：K為活性指數(shù)；X(CaO)、X(A12O3)、X(SiO2)、X(Na2O)分別為CaO、A12O3、SiO2、Na2O的摩爾分?jǐn)?shù)。
　　K指數(shù)越小活性越大，堿活性的膨脹率也越大，當(dāng)K小于0.2時(shí)，為活性骨料，K大于0.3時(shí)為非活性骨料。
　　2.2堿-碳酸鹽反應(yīng)（Alkali-CarbonateReaction，ACR）
　　堿碳酸鹽反應(yīng)（ACR）是AAR的一個(gè)重要類型，它是指混凝土中的堿金屬離子（K+，Na+）或由外界環(huán)境滲入混凝土中的堿金屬離子與石灰石質(zhì)白云石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致混凝土開裂。具有ACR活性的集料主要指泥質(zhì)白云石質(zhì)石灰石，其中一般粘土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-20%，白云石和石灰石含量大致相等。Gillott[4]等研究認(rèn)為白云石的菱形晶體粒徑在50μm以下，且均勻散布于基質(zhì)之中，基質(zhì)由微晶方解石和粘土構(gòu)成，緊密包裹白云石微晶。這類白云石含粘土和方解石較多，白云石顆粒小被粘土和方解石顆粒包圍。堿金屬離子能通過(guò)包裹在細(xì)小白云石微晶外的粘土滲入到白云石顆粒表面，使其產(chǎn)生反白云石化反應(yīng)，但反應(yīng)產(chǎn)物不能通過(guò)粘土向外擴(kuò)散，從而使集料膨脹，引起整體體積膨脹，造造成混凝土膨脹開裂破壞。唐明述[4]等對(duì)堿碳酸鹽反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出膨脹是由局部化學(xué)反應(yīng)和結(jié)晶壓引起的理論。ACR的膨脹機(jī)理與ASR完全不同，ACR反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿并反復(fù)與白云石反應(yīng)，方程式為：
　　CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+Na3CO3
　　去白云化反應(yīng)使菱形白云石晶體遭受破壞，從而使粘土暴露造成能夠吸水而膨脹的條件。即去白云石化是膨脹的前提條件，而干粘土吸水是膨脹的本質(zhì)原因。
　　2.3堿-硅酸鹽反應(yīng)（Alkali-SiliCatiteReaction，L-ASR）
　　堿-硅酸鹽反應(yīng)（L-ASR）混凝土中的堿金屬離子（K+、Na+）和由外界環(huán)境滲入混凝土中的堿金屬離子與某些層狀硅酸鹽集料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿的硅酸鹽凝膠，膠體吸水后膨脹，使層狀硅酸鹽層間距離增大，從而引起混凝土的開裂。參與反應(yīng)的集料主要是硬砂巖、粘土質(zhì)巖、千枚巖等。堿-硅酸鹽反應(yīng)（L-ASR）其反應(yīng)特征是膨脹緩慢且不停頓進(jìn)行，反應(yīng)機(jī)理與ASR相類似，只是其反應(yīng)速度比較緩慢，引起混凝土緩慢膨脹，最終導(dǎo)致開裂。
　　3.AAR預(yù)防措施
　　堿集料反應(yīng)（AAR）必須具備三個(gè)條件：（1）混凝土中的堿達(dá)到一定含量；（2）使用集料含有活性SiO2及SiO2類物質(zhì)；（3）混凝土所處環(huán)境水份足夠。從這三個(gè)條件出發(fā)，混凝土工程中預(yù)防AAR破壞的方法有以下幾種[4]。
　　3.1.1使用非活性集料
　　使用非活性集料是AAR反應(yīng)最安全可靠的措施。但由于工程對(duì)集料的需求量大，而非活性集料的資源有限，且活性集料特別是硅質(zhì)活性集料分布廣泛。隨著資源的不斷消耗和受工程造價(jià)等因素影響，因此考慮到經(jīng)濟(jì)方面的原因，集料的選擇往往受到限制。同時(shí)目前評(píng)定集料堿活性方法尚無(wú)絕對(duì)可靠標(biāo)準(zhǔn)，尤其對(duì)慢膨脹集料潛在堿活性尚無(wú)絕對(duì)可靠評(píng)定方法。使用非活性集料這種預(yù)防方法對(duì)工程中實(shí)際操作中增加了很大的難度。因此，非活性集料的使用往往因工程條件，區(qū)域地質(zhì)條件的和經(jīng)濟(jì)方面等諸多因素而難以達(dá)到理想效果。
　　3.1.2控制混凝土總堿量
　　傳統(tǒng)上認(rèn)為水泥含堿量小于0.6%為低堿水泥，含堿量為0.6%-0.8%為中堿水泥，含堿量大于0.8%為高堿水泥。測(cè)定混凝土中堿含量主要是基于當(dāng)混凝土堿含量（以Na2Ocq—Na2O+0.658K2O計(jì)）低于一定值，通常認(rèn)為3kg/m3目前世界各國(guó)對(duì)于混凝土中總堿量的計(jì)算及規(guī)定各不相同。如美國(guó)、英國(guó)、日本、新西蘭等曾廣泛使用堿含量低于0.6%的水泥以降低混凝土中的堿含量，并在一定程度上緩解了AAR問(wèn)題。我國(guó)于1993年12月制定了《混凝土堿含量限值標(biāo)準(zhǔn)》（CECS53-93）分別按工程環(huán)境和工程結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土堿含量進(jìn)行控制，以達(dá)到避免發(fā)生堿-集料反應(yīng)危害。
　　3.1.3控制混凝土濕度
　　研究表明，如果環(huán)境相對(duì)濕度低于85%，由于外界不供給混凝土水分，混凝土就不會(huì)發(fā)生堿-集料反應(yīng)。如果具有堿-集料反應(yīng)因素的工程長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中，在發(fā)現(xiàn)AAR損害之后，即使進(jìn)行了很好的防水處理，也由于混凝土內(nèi)所含水分能使堿-集料反應(yīng)膨脹繼續(xù)發(fā)展，防水處理往往無(wú)濟(jì)于事。如混凝土所處為干濕循環(huán)、通電等環(huán)境，還可能導(dǎo)致混凝土中的堿遷移并在局部富集，從而加劇堿-集料反應(yīng)。所以控制環(huán)境濕度對(duì)堿集料反應(yīng)的影響是非常重要的。
　　4.結(jié)語(yǔ)
　　堿-集料反應(yīng)已成為嚴(yán)重影響混凝土工程耐久性危害之一。因此，為了有效地避免堿集料反應(yīng)的危害，是我們面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)際施工操作工程中，一方面要把好篩選集料關(guān)，另一方面要嚴(yán)控制混凝土的堿含量，既有效地預(yù)防堿集料反應(yīng)又最大限度地利用資源，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
　　參考文獻(xiàn)
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　　[4]唐明述,許仲梓,鄧敏,等.我國(guó)混凝土中的堿集料反應(yīng)[J].建筑材料學(xué)報(bào),1998,1(1):8-14