２０１４年第４期 西南公路ＸＩＮＡＮＧＯＮＧＬＵ 碱一集料反应分析及检测方法 梁 颖 （吉林省交通规划设计院吉林长春 １３００２１） 【摘要】分析了混凝土碱一集料反应破坏的机理和分类及碱的来源，提出了混凝土发生碱集料反应所 必须具备的三个必要条件，介绍了常用骨料碱活性检测方法的原理，归纳了几种预防措施。 【关键词】碱一集料反应机理；检测方法；预防措施 【中图分类号】ＴＵ５２８．０４１ 【文献标识码】Ａ （主要以ＫＯＨ、ＮａＯＨ形式存在）与集料中所含活 ０ 引 言 性ＳｉＯ，矿物反应，生成碱硅凝胶。碱硅凝胶固相体 在提倡高效节能的今天，不仅要充分合理并安 积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水 全的利用已有工程设施，更要科学地建设出安全、 后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸 适用又耐久的工程项目。所以，加强混凝土结构耐 水后进一步促进碱骨料反应的发展，使混凝土内部 久性的研究，延长使用寿命，降低巨额的维修和重 膨胀应力增大，导致混凝土开裂，发展严重的会使 建费用，是摆在我们面前的一个很重要的任务。影 混凝土结构崩溃。 响混凝土耐久性的因素有很多，例如碱一集料反 （２）碱一碳酸岩反应。 应、混凝土碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀等。其中碱 碱一碳酸岩反应（Ａｌｋａｌｉ．Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ， 一集料反应（Ａｌｋａｌｉ－Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ，简称ＡＡＲ） 简称ＡＣＲ），反应膨胀的骨料是碳酸盐岩，尽管碱 是影响混凝土耐久性的重要因素之一。 一碳酸盐反应表现为混凝土结构内外产生开裂，但集 １ 混凝土碱一集料反应的机理和分类 料表面不产生凝胶体。 １９６５年，Ｇｉｌｌｏｔｔ等在加拿大一大坝发现碱与骨 碱一集料反应是混凝土中的水泥、外加剂、掺 料中的层状硅酸盐发生反应导致混凝土开裂，认为 合料或拌合水中的可溶碱，与集料中的活性成分之 这种碱一集料反应不同于碱一硅酸反应，由此提出了 间发生的化学反应。反应生成物吸水膨胀，使混凝 一类新的碱一骨料反应：碱一硅酸盐反应。但是，很 土结构内部产生应力，导致混凝土结构开裂或变形 多人反对将这种碱一骨料反应划分为新的一类。有 等损坏，导致强度降低。 专家研究表明，页蜡石、蛇纹石、伊利石、绿泥 碱一集料反应按照反应机理和集料中含有的反 石、滑石、白云母、黑云母、铁锂云母、高岭石、 应性成分分类。 微晶高岭石、蛭石等层状结构的硅酸盐矿物都不具 （１）碱一硅酸反应。 有碱活性，个别能产生膨胀反应的层状硅酸盐中均 碱一硅酸反应（Ａｌｋ￣ｉ．Ｓｉｌｉｃａ Ｒｅａｃｔｉｏｎ，简称 含有微晶石英或玉髓其膨胀反应的实质是碱一硅酸 ＡＳＲ）是在工程中破坏最多、分布最广、研究最多 反应。由此看来是否应该把碱一硅酸盐反应单独划 的一种碱集料反应。此种反应是水泥混凝土中的碱 分成一类，有待更加深入的研究。 【收稿日期】２０１４—０９—０５ 【作者简介】梁颖（１９８２一），女，吉林长春人，大学本科，工程师，主要从事道桥设计与研究工作。 １４９ 西南公路 ２ 混凝土碱一集料反应中碱的来源 混凝土中的碱主要来源于自身的组成材料：水 泥、外加剂、掺合料、骨料及拌合水等。在环境中 的碱也是碱的来源之一。 （１）水泥中的碱。 水泥是混凝土中碱的最主要来源，普通水泥中 的碱主要由石灰石、粘土、煤等原材料带人因各地 原材料不同水泥的碱含量也有所不同。水泥中的碱 一部分以硫酸盐及碳酸盐的形式存在一部分则固溶 在熟料矿物中。其含量一般在范围０．６％ １．２％内波 动，低于碱含量０．６％的水泥属于低碱水泥。随着水 泥碱含量的增加或水泥用量的增加，碱一集料反应 的膨胀也随之增大。 （２）骨料中的碱。 骨料中碱的溶出也是碱的来源之一。上个世纪 曾有学者提出一些骨料中析出的碱会促进ＡＡＲ，并 且近些年有人发现骨料中析出的碱可达０．１～１２．７ ｋｇ／ｍ Ｎａ２Ｏｅｐ，平均可达２．２ ｋｇ／ｍ。ＮａｚＯｅｐ，这个数 值不容忽视。骨料碱的析出是必然的，特别在建设 百年工程时更应该加强重视。虽然碱的析出是事 实，但对于ＡＡＲ来说，这种碱能否与其他材料中的 碱同样有效，还有待深入研究。 （３）掺合料中的碱。 掺合料通常使用粉煤灰和矿渣等材料。在一定 程度上抑制了ＡＡＲ的发展，但也有试验证明，当在 有些条件下掺加少量的掺合料会促进ＡＡＲ的发展， 例如当用高碱粉煤灰而且掺量太少时，后期反而会 促进ＡＡＲ。原因是掺合料含有一定量的碱，掺人混 凝土后，部分碱会释放，即有效碱，从而加速 ＡＡＲ的发展。 （４）外加剂中的碱。 外加剂是现代混凝土中不可缺少的组成部分。 但常用的外加剂中会含有碱金属离子（Ｎａ＋、 等），这些离子与活性骨料作用，能直接或间接地 促进ＡＡＲ的发展。 （５）环境中的碱。 除以上混凝土自身的固有碱，环境中的碱也能 通过渗入混凝土中来补充混凝土自身对碱的消耗， 进而促进ＡＡＲ的发展。 ，５Ｏ ３ 碱一集料反应的发生的三个必要 条件 发生碱一集料反应的三个必要条件：混凝土中 含有过量的碱；骨料中含有碱活性矿物；混凝土处 于潮湿环境。三个条件缺一不可。 （１）混凝土中的碱。 混凝土中的碱来源于水泥、外加剂、掺合料、 骨料、拌合水、周围环境（海雾中的附着物渗人近 海混凝土结构物，冬季融雪剂中的碱通过排水管和 毛细孔渗入桥梁或路面等）。水泥中的碱主要是由 生产水泥的原料引入的。钠、钾含量折合成Ｎａ２０／］￣ 于０．６％的水泥称为低碱水泥，国际公认，使用低碱 水泥一般不会发生碱一集料反应。但是，很多水泥 的碱含量都超过了这个标准，尤其是在北方生产的 水泥很多都是高碱水泥，碱含量在ｌ％左右。如果为 了改善混凝土性能再加入外加剂（钠盐减水剂、早 强剂、防冻剂等），碱含量更高。所以我国颁布的 国家标准ＧＢ５００１０．２０１０《混凝土结构设计规范》规 定最大碱含量为３ｋｇ／ｍ３，但环境为正常环境稳定的 室内和使用非碱活性集料时对碱含量不限制。 （２）骨料的碱活性。 具有碱一硅酸反应的骨料分布广泛，其活性成 分为ＳｉＯ，，而具有碱一碳酸盐反应的骨料类型较 少，主要是石灰石质白云石。掌握碱活性骨料的 分布情况，建立分布图，并据此采用预防措施， 对保证大型工程的耐久性具有非常重要的意义。 中国建筑材料科学研究院和国家建材局地质所在 国家“九五”重点科技攻关项目资助下建立了我 国第一个区域性碱活性骨料分布图一京津唐地区 活性骨料分布图。 关于活性骨料，经世界各国许多学者四十余年 的研究归纳，常见的碱活性岩石如表１所示。 （３）潮湿环境。 碱一集料反应发生的一个必然条件就是潮湿的 环境。只有在空气相对湿度大于８０％或直接接触水 的环境中，ＡＡＲ破坏才会产生；否则，即使骨料具 有碱活性且混凝土中含有足够的碱，ＡＡＲ会很缓 慢，不能产生破坏性的膨胀和开裂。可是，一旦具 梁颖：碱一集料反应分析及检测方法 表１常见的碱活性岩石 岩石类别 岩石名称 碱活性矿物 流纹岩 安山岩 酸性一中性火山玻璃、隐晶一微晶 火 松脂岩 石英、鳞石英、方石英 成 岩 珍珠岩 花岗岩 应变石英、微晶石英 花岗闪长岩 火山熔岩 火山角砾岩 火山玻璃 凝灰岩 石英砂岩 微晶石英、应变石英、微晶石英、 沉 应变石英、喷出岩及火碎屑岩屑 积 硬砂岩 岩 硅藻土 蛋白石玉髓、微晶石英蛋白石、 碧玉 玉髓、微晶石英 燧石 碳酸盐岩 细粒泥质灰质白云岩或白云灰岩、 硅质灰岩或硅质白云岩 板岩 玉髓、微晶石英 千枚岩 变 质 片岩 石 微晶石英、应变石英 片麻岩 石英岩 应变石英 备了高湿度或与水直接接触的条件，不论时间迟 早，连续或不连续，反应产物就会吸水膨胀，使混 凝土内部产生膨胀压力，当压力达到一定程度时， 混凝土工程就会遭受损害。由此看来，有效隔绝水 的侵人是防治ＡＡＲ的一个有效措施。 ４ 常用骨料碱活性检测方法的原理 目前骨料碱活性的鉴定方法有很多：对骨料的 微观结构进行评价的岩相法，对骨料的化学成分进 行鉴定的化学法，以测长为基础的砂浆棒法还有混 凝土棱柱体法、压蒸法等。在ＧＢ／Ｔ １４６８５．２０１ １《建 设用卵石、碎石》及ＧＢ／Ｔ １４６８４．２０１１《建设用砂》 中对骨料碱活性检测要求用岩相法和砂浆棒法。 （１）岩相法。 岩相法是通过肉眼和显微镜观察，鉴定所用骨 料的种类和成分，从而确定碱活性的种类。该方法 检测速度快，可直接观测到骨料的活性成分，其检 测结果是选择其他判定方法重要依据。 （２）化学法。 化学法的检测方法是取一定量规定粒径范围的 骨料与一定浓度的ＮａＯＨ溶液反应，在规定条件下 测定溶出的ＳｉＯ，浓度Ｓｃ（ｍｍｏｌ／Ｌ）和溶液碱度的 降低值Ｒｃ（ｍｍｏｌ／Ｌ），据此判断骨料是否具有碱 活性。化学法的缺点是受碳酸盐、石膏、粘土矿 物、铝酸盐等非ＳｉＯ，物质的干扰较大，尤其是不能 用于鉴定变形石英和微晶石英导致的慢性膨胀骨料 的活性。因此该方法误差较大，检测结果不可靠， 容易出现错判漏判等情况，故在规范中没有提出。 （３）砂浆棒法。 砂浆棒法是检测骨料碱活性的经典方法，本方 法适用于检验硅质骨料与混凝土中的碱发生潜在碱一 硅酸反应的危害性，不适用于碳酸盐类（ＡＣＲ）骨 料。其方法如下：取规定级配的骨料与高碱水泥配 制砂浆棒，养护２４．４－２ｈ后脱模，立即测量试件长 度，此长度为试件基准长度。将测完基准长度的试 件置于养护筒的试件上，加下放水，但试件不能与 水接触，加盖后放人４０土２ ｏＣ的养护室内。分别在 测量基准长度后的１４ｄ、１个月、２个月、３个月、６ 个月测量试件长度，如有必要还可适当延长。通过 长度变化计算膨胀率，当６个月龄期的膨胀率小于 ０．１０％时，判定为无潜在碱一硅酸反应，否则，判定 为有潜在碱一硅酸反应。由于该方法的持续时间较 长，所以在规范中提出了快速检验方法。将试件置 于一定浓度的ＮａＯＨ溶液中，使溶液保持在８０±２℃ 的条件下，测试时间缩短至３ｄ、７ｄ、１４ｄ。通过判 断１４ｄ膨胀率来判定有无潜在碱一硅酸反应危害。 （４）混凝土棱柱体法。 混凝土棱柱体法同砂浆棒法类似，但试件尺寸、 骨料尺寸及级配、水灰比等不同。该方法首先是针对 硅酸盐骨料活性提出的，后发现也适用于硅质骨料。 该方法的优点是试件与实际混凝土较接近，对检测碳 酸盐反应骨料也适用，但该方法检测周期长，检测结 果受水泥细度、水灰比、级配、养护条件的影响较 大，后经改进，检测结果的可靠性大大增加。 ５ 预防碱集料反应对策 碱集料反应被称为水泥混凝土的癌症，所以已出 现碱一集料反应破坏的工程，几乎不可能被修复。因 此，防止ＡＲＲ的产生主要从预防着手。预防ＡＲＲ产 生主要从以下三个方面着手： ， ， 西南公路 （１）尽量降低水泥混凝土中碱的含量，控制 料反应的三个必要条件着手，并配合有效的检测方 总碱量，尤其作为碱主要来源的水泥，其碱含量必 法来避免使用产生碱集料反应的原材料，预防和检 须严格控制； 测是提高混凝土耐久性的关键措施。 （２）尽量使用非碱活性骨料； 参考文献 （３）尽量避免潮湿环境，有时由于环境或成 ［１】唐明述，邓敏．碱一集料反应研究的新进展田．建筑材料学报，２００３，（Ｏ１）． 本等原因，不得已使用产生碱集料反应的原材料， ［２】唐明述．碱硅酸反应与碱碳酸反应川．中国工程科学，２０００，（０１）． 通过早期干燥养护，最大限度的抑制ＡＲＲ的进行。 ［３】王嫒俐，姚燕．重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用【Ｍ］．北京：科学 出版社．２００７． ６结论 ［４］吕忆弄，卢都友，施警玲等．我国首例海工工程碱集料反应［Ｊ］．南京化工 大学学报（自然科学版），１９９８，（Ｏ１）． 综上所述，碱一集料反应的预防要从发生碱集 （上接第１４８页） 有广阔的应用前景和推广价值。 统，可为公路建设提供直观形象、较详实、较准确 参考文献 的工程地质信息查询结果，可以确保公路建设的合 【１］张海藩．软件工程导论【Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２． 理布局、协调发展、防止决策中的随意性，可为山 【２】Ｂｏｏｔｈ Ｇ，Ｒｕｎｂａｎｇｈ Ｊ，Ｉ．Ｔｈｅ Ｕｎｉｉｆｅｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｕｓｅｒ Ｇｕｉｄｅ［Ｍ］． 东省公路规划、勘察设计、运营管理提供技术支 Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ，２００１． ［３］Ｍｉｃｈａｅｌ Ｆ，Ｗｏｒｋｂｏｙｓ．Ａ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｔａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ 撑，促进高速公路信息系统建设，将对山东省高速 Ｌｔｄ．１９９５． 公路建设、规划管理的数字化进程产生深远与积极 ［４】ＭｉｃｈａｅｌＮ．Ｉ）￣ｍｌｃｒｓ，ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＮｃｗＹｏｒｋ： ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｉｎ￣． 的影响，山东省高速公路工程地质信息查询系统具 １５２
