摘 要:介紹了堿集料反應(yīng)的種類、機理以及預(yù)防堿集料反應(yīng)的六條措施,同時分析了水泥中的堿、混合材中的堿以及拌合水和外加劑中堿的存在形式,指出降低水泥中的可溶堿、增加固溶
熟料中的堿是抑制堿集料反應(yīng)的有效途徑。
關(guān)鍵詞:堿集料反應(yīng),可溶堿,固溶堿
所謂堿集料反應(yīng)(英文簡稱AAR) 就是水泥(或混凝土) 中的堿與某些骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起膨脹開裂,甚至破壞。含有堿活性礦物的集(骨) 料稱為堿活性集(骨) 料,亦稱為堿集(骨) 料。
自1940 年被美國的斯坦頓( T. E. stanton) 首次證實,因為堿集料反應(yīng)引起混凝土工程破壞以來,AAR 已越來越受到各國建筑工程師、材料工程師和政府有關(guān)部門的重視。
眾所周知,混凝土是由固相、液相和氣相組成的。固相主要由水泥及摻合料水化后的水化產(chǎn)物和集料組成;液相就是存在于極細孔隙中的含有多種離子的水溶液,即所謂的孔溶液;氣相則是分布于混凝土中的大小不等的氣孔?;炷林械膲A,一部分存在于固相中,一部分存在于液相中,即孔溶液中。由于堿的存在環(huán)境不同,因此其對堿集料反應(yīng)的影響也就不同。封孝信等[1]將水泥中的堿含量分為三種:總堿量、可溶性堿量及有害堿。P. J .Nixon 等人[2]的研究證明,孔溶液的堿度降低與抑制堿集料反應(yīng)引起的膨脹有較好的關(guān)系。因此,若能將孔溶液中的堿度降低到一定程度,則可抑制堿集料反應(yīng)的發(fā)生。
1 堿骨料反應(yīng)的分類和機理
1. 1 堿硅酸反應(yīng)
水泥中的堿與骨料中的活性SiO2 成分反應(yīng)產(chǎn)生堿硅酸鹽凝膠或稱堿硅凝膠,堿硅凝膠固相體積大于反應(yīng)前的體積,而且有強烈的吸水性,吸水后膨脹引起混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力,而且堿硅凝膠吸水后進一步促進堿骨料反應(yīng)的發(fā)展,使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大,導(dǎo)致混凝土開裂,發(fā)展嚴重的會使混凝土結(jié)構(gòu)崩潰。
1. 2 堿碳酸鹽反應(yīng)
一般的碳酸巖———石灰石和白云石是非活性的,只有象加拿大金斯敦這種泥質(zhì)、石灰質(zhì)的白云石,才發(fā)生堿碳酸鹽反應(yīng)。
堿碳酸鹽反應(yīng)的機理與堿硅酸反應(yīng)完全不同,在泥質(zhì)、石灰白云石中含粘土和方解石較多,堿與這種碳酸鈣鎂反應(yīng)時,將其中的白云石[MgCO3 ]轉(zhuǎn)化為鎂石[Mg(OH)2] ,水鎂石晶體排列的壓力和粘土吸水膨脹,引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土開裂。
1. 3 堿硅酸鹽反應(yīng)
這類反應(yīng)主要指水泥(或混凝土) 中堿與某些層狀硅酸鹽集料反應(yīng)并導(dǎo)致砂漿或混凝土產(chǎn)生異常膨脹,這一類反應(yīng)亦可歸為堿硅酸反應(yīng)。
1. 4 其他堿集料反應(yīng)
1) 高硅質(zhì)砂礫石集料在砂漿或混凝土中引起地圖形開裂;
2)含粘土多的水成巖(雜砂巖、泥質(zhì)板巖、千枚巖、泥質(zhì)巖石等) 由于堿硅酸反應(yīng)(粘土是層狀晶格硅酸鹽) ,引起粘土礦物“剝落”。
2 不同形式的堿對堿集料反應(yīng)的影響
2. 1 水泥中的堿
水泥中的堿是混凝土堿的最大來源。水泥中的堿主要由生產(chǎn)水泥的原料粘土和燃料煤引入。堿在水泥中以可溶和不可溶的形式存在,可溶部分很大程度上以Na2SO4 存在,也可能以一連續(xù)系列鉀—鈉復(fù)鹽存在,組成從NK4S5 至NK5S6 變化。也曾找到KC2S3 化合物。有的熟料含K2CO3 和Na2CO3 。不溶堿主要以KC23S12 ,NC23S12 或兩者的固溶體存在于C2S 中,及以NC8A3,KC8A3 或兩者的固溶體存在于C3A 中及以鋁共存于C4AF 組分中。研究表明[4]:在熟料礦物中,固溶于C2S 中的堿參與堿集料反應(yīng)的程度要比固溶于C3A 中的堿輕得多。當水泥加水后,硫酸鹽及碳酸鹽形式的堿很快溶入水中,而固溶在熟料中的堿則隨著礦物水化的進行而慢慢地溶入水中,同時溶入水中的堿又有部分被水化產(chǎn)物C—S—H所吸收。C—S—H結(jié)合的堿越多,對堿集料反應(yīng)而言系統(tǒng)越穩(wěn)定。經(jīng)實驗研究證明[4],Na+,K+ 在C—S—H中的存在量與其Ca/Si比有關(guān),降低C—S—H中的Ca/Si比,可增加其對Na+,K+的容納量。F. P. Glasser 認為,Ca/Si比高時,C—S—H凝膠帶正電,排斥Na+,K+,使其保留在孔溶液中;Ca/ Si低時,C—S—H帶負電,吸引Na+,K+。H·State 認為C—S—H凝膠的層狀機構(gòu)中,存在Si—OH基團,Na+,K+可通過中和Si—OH基團而被結(jié)合在C—S—H相的層間。Ca/Si比小時,Si—OH基團量多,可結(jié)合更多的Na+,K+。經(jīng)實驗表明[4]:當將Al3+,SO42- 兩種離子分別固溶在C—S—H中,C—S—H的固堿能力將加強。尤其是在C—S—H固溶一定量的Al3+后,C—S—H 固堿能力提高并且比較穩(wěn)定,通過長期的作用可形成沸石性水化產(chǎn)物,有利于防止堿集料反應(yīng)的發(fā)生。
由上述可見,水泥中的堿并不是全部用于堿集料反應(yīng),而是溶入水中未被水化產(chǎn)物吸收的那部分堿(即有害堿) 才參與反應(yīng)。因此降低水泥中的可溶堿,增加固溶熟料中的堿是減少堿集料反應(yīng)的有效途徑。同時如何降低水化產(chǎn)物C—S—H的Ca/Si是目前研究者們共同關(guān)注的問題。
2. 2 混合材或摻合料中的堿
生產(chǎn)水泥時或混凝土攪拌時摻入一定量的混合材,可抑制AAR 的發(fā)生。目前,常用的混合材或摻合料是礦渣、粉煤灰、硅灰、沸石等?;旌喜幕驌胶狭现械膲A同樣可分為總堿量、可溶性堿量及有害堿量三種。
馮乃謙等人曾將沸石加入NaOH溶液中,發(fā)現(xiàn)堿溶液中的Na+濃度明顯降低。其機理是沸石具有很強的離子交換能力,Na+進入沸石中,而Ca2+則被交換出來。此外,沸石中含有部分玻璃體,具有火山灰活性,可與Ca(OH)2反應(yīng)生成C—S—H凝膠,吸收一定量的堿。
研究表明[4],存在于混合材中的堿對堿集料反應(yīng)的作用最小。楊家智等人認為,不論高堿或低堿水泥,若摻入在活性、數(shù)量及細度上都有足夠限度的混合材,則其中的堿與骨料就不會產(chǎn)生破壞性膨脹。張雅杰等研究表明,粉煤灰摻量為20 %時,可明顯抑制堿集料反應(yīng)。唐寶國等認為低摻量時高鈣粉煤灰對堿集料反應(yīng)有一定的抑制作用,當摻量小于10 %時,低鈣粉煤灰不僅不能抑制反而增大了堿集料反應(yīng)的膨脹值。
由上述可見,雖然混合材中含有一定的可溶性的有害堿,但加入適量的混合材后能夠抑制堿集料反應(yīng)的發(fā)生。
2. 3 拌合水及化學(xué)外加劑中的堿
拌合水中的堿全部是水溶性的,均能參與堿集料反應(yīng),對堿集料反應(yīng)的作用最大,即拌合水中的堿全部為有害堿。
外加劑如減水劑、引氣劑、早強劑、防凍劑等的使用是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的一個重要動力,但同時帶來某些外加劑引入堿的問題。由于外加劑引入的堿全部是可溶性的,對堿集料反應(yīng)的作用也最大。因此,為防止堿集料反應(yīng),對外加劑中的堿應(yīng)格外注意。
3 結(jié)語
目前,我國發(fā)生混凝土堿集料反應(yīng)的情況雖不十分廣泛和突出,但由于堿集料反應(yīng)造成的破壞性巨大,因此當務(wù)之急是加快研究混凝土堿集料反應(yīng)的機理,在此基礎(chǔ)上探索防止和抑制混凝土堿集料反應(yīng)的有效措施。同時在水泥生產(chǎn)中減少水泥中的可溶堿量,增加固溶于熟料中的堿量是抑制堿集料反應(yīng)的有效措施?;旌喜幕驌胶狭峡山档退嗷蚧炷林械目扇艿挠泻A,從而抑制堿—集料反應(yīng)的發(fā)生?;瘜W(xué)外加劑中的堿都是可溶堿,可引入大量的有害堿,在應(yīng)用中應(yīng)特別注意。
參考文獻:
[1 ]封孝信,馮乃謙. 水泥及混凝土中的有害堿與無害堿[J ] . 混凝土,2000 (10) :326.
[2 ]P. J . Nixon ,el al. The effect of a pfa with a high total alkali content on pore solution composition and alkali silica reaction ,Magazine of Co ncrete Research ,1986(3) :30235.
[3 ]莫祥銀,李 鋼,王 俠,等. LiOH 抑制堿集料反應(yīng)長期有效性及機理的研究[J ] . 硅酸鹽學(xué)報,2003 ,31 (2) :1182121.
[4 ]楊立榮. 不同存在形式的堿對混凝土堿硅反應(yīng)的影響[D] . 碩士學(xué)位論文,