福建地区建筑骨料碱-硅活性状况及抑制方法研究

林仙斌 吴金灶 朱 仲

(中国水利水电第十六工程局有限公司 福建福州 350000)

1 概述

碱骨料反应是考察混水泥凝土耐久性的重要指标之一。自1940年美国首次发现碱骨料反应以来，已在世界各国许多混凝土工程陆续发生了碱骨料反应破坏。由于我国生产的水泥碱含量一般不高，加上20世纪50年代至80年代期间大都生产和使用混合水泥，其中掺加了比例较高的活性混合材，可有效消化和缓解骨料碱-硅活性；另外，碱骨料反应都是滞后几年乃至几十年后发生，故20世纪以前我国土建工程较少发生因骨料碱活性对混凝土工程破坏的案例，致使人们对碱骨料反应危害工程的认识不足[1]。进入21世纪以来，随着水泥中掺合料用量的减少，加上使用碱含量较高的混凝土外加剂，因此发生因碱骨料反应破坏混凝土工程的事件时有发生。我国华北、西南地区骨料碱活性较高，故发生因碱骨料反应破坏的混凝土工程概率也较高。福建地区以前没有发生混凝土工程因碱骨料反应而破坏的相关报道，而近几年相继发现许多工程使用的粗细集料有较高的碱活性，如水口坝下工程采用的卵石和碎石都有较高的碱-硅活性，永泰抽蓄工程和周宁抽蓄工程采用的粗集料也有存在碱-硅活性。对此，应引起工程的参建各方高度重视。

2 碱骨料反应机理及类型

2.1 碱骨料反应机理

碱骨料反应是由混凝土中的水泥、外加剂、掺合料和水中的碱(Na2O及K2O)与骨料中的活性二氧化硅、硅酸盐或碳酸盐作用，在混凝土浇筑后的若干年(有的多达几十年)逐渐反应，生成带多个结晶水的化合物后膨胀，致使混凝土体积不安定，使混凝土失去相应的设计功能。由于活性骨料经搅拌后呈均匀分布，发生碱骨料反应后，内部各部分均产生膨胀应力，此类病害无法修补，须整体拆除，故称碱骨料反应为混凝土的癌症。

2.2 碱骨料反应类型

碱骨料反应，简称AAR，按骨料存在活性组分区分，又分为碱-硅酸反应(ASR)和碱碳酸反应(ACR)。

碱-硅酸反应(ASR)是指混凝土中的碱组分与骨料中的某些活性硅组分之间发生的化学反应，其结果导致骨料被侵蚀，生成具有膨胀性产物并导致混凝土结构破坏。其作用可用下式表示。

Na+(k+)+SiO2+OH-→Na(K)-Si-H凝胶

Na(K)-Si-H能吸水膨胀而使混凝土开裂破坏。一般活性SiO2是指无定形SiO2、隐晶质、微晶质和玻璃质SiO2，其分布较广，在沉积岩、火成岩和变质岩中均有发现。从20世纪90年代起，我国陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙、河南等地区发现因ASR所引起的混凝土破坏案例。

碱-碳酸反应(ACR)是指混凝土中的碱与骨料中的活性碳酸盐作用引起混凝土地图状开裂。ACR的膨胀机理与ASR完全不同，其作用见以下公式:

CaMg(CO3)2+2NaOH→Mg(OH)2+CaCO3+

Na2CO3

CaMg(CO3)2+2KOH→Mg(OH)2+CaCO3+

K2CO3

其中生成物Mg(OH)2吸水膨胀使混凝土开裂破坏。

一般来说，碳酸盐岩石中，石灰岩和白云岩是非活性的，只有粘土质的白云石灰岩才可能发生ACR，若骨料的化学成分中含有MgO，则应注意是否存在碳酸盐活性。因ACR而使混凝土开裂破坏的例子在我国较少，在河北地区曾有这方面破坏的相关报道。

由于骨料中存在活性硅及硅酸盐的范围较广，而活性碳酸酸盐骨料分布范围较窄，且两者与碱作用机理完全不同，加上骨料若存在ASR尚有相应的抑制措施，而骨料若存在ACR则无切实可行的抑制措施，只能更换合格的骨料。因此本文着重介绍骨料碱-硅反应及相应的抑制措施。

3 碱-硅反应发生条件

发生ASR需具备3个条件，即活性骨料、碱和水。

硅质骨料皆可能有活性(卵石和碎石)，在使用前先进行碱骨料反应试验，根据试验结果判断骨料是否具有活性，并采取相应的应对措施。

碱的来源是混凝土中原材料所含的碱含量。主要是由水泥、掺合料、骨料、外加剂、水及环境带来的碱所组成。骨料中的碱是否参与混凝土碱含量计算，学术界意见不一，但对百年的混凝土工程而言，骨料中碱析出是肯定的，而掺合料中的碱也会部分释放出来。

发生碱骨料反应的条件之一是有水介质的存在，相关研究表明，当混凝土中的相对湿度<75%时，碱骨料反应停止。而水工混凝土或水运混凝土长期处在潮湿状态，故碱骨料反应更加危险。

4 骨料碱-硅活性试验方法及判断

4.1 骨料碱-硅活性试验方法

依据DL/T5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》(其它行业也大同小异)规定，检验骨料碱硅活性试验方法有岩相法、砂浆棒长度法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法和中国压蒸法，检验骨料碱-碳酸盐活性试验方法有碳酸盐骨料活性检验。而检验碱骨料反应抑制措施试验方法有砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法。当岩相法试验结果与快速砂浆棒法(或砂浆棒长度法)试验结果矛盾时，以快速砂浆棒法为准，当快速砂浆棒法试验结果与混凝土棱柱体试验结果矛盾时，以混凝土棱柱体试验为准。但混凝土棱柱体试验时间需要1年以上，对工程施工进度有一定的影响[2]。

4.2 碱骨料试验结果判断

(1)岩相法：根据岩相判断(本文不做介绍)。

(2)砂浆棒长度法(养护温度38℃±2℃)

当试件半年膨胀率不低于0.10%，或3个月膨胀率不低于0.05%，即评定为具有潜在危险性的活性骨料；反之，则评定为非活性骨料。

(3)碳酸盐骨料的碱活性试验

当试件84d膨胀率在0.10%以上时，该岩样应判为具有潜在碱活性危害，不应作为混凝土骨料。

(4)砂浆棒快速法(养护温度80℃±2℃)

①若试件14d的膨胀率小于0.10%，则骨料为非活性骨料；

②若试件14d的膨胀率大于0.20%，则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料；

③若试件14d的膨胀率为0.10%～0.20%，对这种骨料应结合现场使用历史、岩相分析、试验观测试件延至28d后的测试结果，或采用混凝土棱柱体法试验结果等进行综合评定。

(5)混凝土棱柱体法(养护温度20℃±3℃)

当混凝土试件1年的膨胀率大于或等于0.04%，则判定为具有潜在危害性反应的活性骨料；膨胀率小于0.04%,则判断为非活性骨料。当砂浆棒快速法与混凝土棱柱体法试验检测结果不一致时，以混凝土棱柱体法试验检测结果为准，但试验时间较长。

5 骨料碱-硅活性抑制措施及粉煤灰抑制碱-硅活性机理

5.1 骨料碱活性的判断及种类

若骨料存在碱-硅活性，宜更换骨料料源，采用非活性骨料；若无法更换料源，则应采取相应的抑制措施；当采取抑制措施后，28d的膨胀率小于0.10%，则抑制措施满足要求；若28d的膨胀率大于或等于0.10%，则抑制措施不满足要求，需更换抑制措施；若骨料存在碱-碳酸盐活性，则必须更换料源，具有碱-碳酸活性的骨料不得用于配制混凝土。

5.2 使用碱-硅活性骨料时可考虑采用以下措施加以抑制

5.2.1控制混凝土的总碱量不超过3.0kg/m3

(1)采用低碱水泥，水泥碱含量≤0.6%；

(2)采用F类Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰时，粉煤灰碱含量≤2.5%；若采用粒化高炉矿渣粉，其碱含量≤1.0%；掺用硅灰时，其碱含量≤1.5%；

(3)采用低碱含量的外加剂，由外加剂带入的碱<1.0kg/m3;

(4)采用碱含量不大于1500mg/m3的拌和用水。

在计算混凝土碱含量时，水泥、外加剂和水的碱含量可用实测值计算；粉煤灰的碱含量可用1/5的实测值计算(水工规范规定采用1/5的实测值计算，而建筑规范规定采用1/6的实测值计算)；硅灰和粒化高炉矿渣的碱含量采用1/2的实测值计算。

5.2.2采用矿物混合材

(1)考虑采用活性较好的粉煤灰，粉煤灰掺量应≥25%以上(有些规范要求≥20%)，若快速砂浆棒膨胀率>0.20%，则需活性较好粉煤灰加以抑制，且粉煤灰掺量应≥30%[3]；

(2)可考虑掺用粒化高炉矿渣，掺量不宜低于50%；

(3)可考虑掺用偏高岭土、硅藻土、沸石粉等，掺量根据试验确定；

(4)若采用上述3种方法都无法抑制碱-硅反应活性时，可考虑再掺加不宜小于5%的硅灰加以抑制。当14d快速砂浆棒法膨胀率<0.03%或28d快速砂浆棒法膨胀率<0.1%时，可判断抑制骨料碱-硅反应措施有效[4]。

5.2.3掺用锂盐、钙盐等化学外加剂

5.2.4在满足强度前提下多掺用混凝土引气剂，因为引气剂产生的细密小气泡能消除碱骨料反应产生的膨胀力。

5.2.5减少混凝土用水量，降低混凝土湿度

(1)使用混凝土高效减水剂；

(2)提高混凝土抗渗等级和密实度，减少自由水的通道；

(3)提高混凝土的设计龄期，这是由于高掺矿物后会使混凝土的早期强度降低；

(4)在结构物表面采用防碱涂层等隔离措施，如在混凝土结构物表面涂刷聚脲等。

(5)施工时应加强对混凝土裂缝的控制，出现裂缝时应及时修补，防止水分渗入。

5.3 粉煤灰类活性材料抑制碱-硅活性机理

(1)粉煤灰溶出碱含量相对较少，部分替代水泥后将会稀释混凝土中的碱含量。

(2)粉煤灰通过填充效应以及二次水化作用等能够显著改善混凝土内部孔结构分布形态，提高混凝土密实性及抗渗性，从而降低空隙溶液中离子的迁移速度率，降低碱含量离子与活性骨料接触概率，延缓碱骨料反应发生[5]。

(3)粉煤灰通过火山灰反应生成大量水化硅酸钙凝胶，这类凝胶具有较低的钙硅比以及较强的碱吸附能力，因而能够有效降低孔隙溶液中碱金属离子浓度，抑制碱骨料反应发生。

6 福建地区建筑骨料碱-硅活性状况、抑制措施及效果

6.1 福建地区建筑骨料碱-硅活性状况

福建地区建筑骨料碱-硅活性状况如表1所示。

6.2 骨料碱-硅活性抑制效果

抑制骨料碱-硅活性的措施和材料很多，考虑到抑制材料的货源供应以及对水泥混凝土和易性的影响，一般采用品质较优的粉煤灰来抑制建筑骨料的碱-硅活性。不同品种的粉煤灰抑制骨料碱-硅活性效果如表2所示。

表1 福建地区建筑骨料碱-硅活性状况

注：快速法碱活性判断以试件14d的膨胀率为准。

表2 不同品种的粉煤灰抑制骨料碱-硅活性效果

续表2

注：快速法碱活性抑制效果以试件28d的膨胀率为准。

从表1和表2得知：

(1)福建的闽江流域、永泰、周宁等地建筑骨料均存在较严重的碱-硅活性，若不采取相应的抑制措施，若干年后势必会造成工程质量事故，故应引起我们高度重视。

(2)采用的粉煤灰品种及品质不同，其抑制碱-硅活性的效果也各不相同。活性高的粉煤灰，其抑制碱-硅活性的效果明显优于活性低的粉煤灰。因此用于抑制碱-硅活性的粉煤灰掺量也较低。因此，在选择抑制骨料碱-硅活性的粉煤灰品质时，应通过试验确定。

(3)在碱-硅活性剂抑制试验时，试验结果与采用的水泥品质关系较大。永泰抽水蓄能电站工程采用金牛三明P.O42.5水泥时，福建华能F类Ⅱ级粉煤灰掺量为20%时，方可抑制人工砂碱-硅活性，28d砂浆膨胀率为0.04%，小于0.10%；而采用金牛福州P.O42.5水泥时，福建华能F类Ⅱ级粉煤灰掺量为10%时，即可抑制人工砂碱-硅活性，28d砂浆膨胀率为0.08，小于0.10%。

(4)金牛福州P.O42.5水泥抑制碱-硅活性效果优于金牛三明P.O42.5水泥，与该水泥中粉煤灰及矿渣组分较高有关。

7 结语

碱骨料反应是混凝土耐久性的重要指标之一，为了抑制碱骨料反应，尤其是抑制骨料碱-硅活性反应，应采取一系列措施，如采用低碱水泥；掺加一定比例的矿物混合材；掺用化学外加剂及引气剂；减少混凝土用水量，减小混凝土湿度等措施。由于骨料碱-硅反应破坏性极强，且多为工程施工几年乃至几十年后发生，具有较大的隐蔽性。福建地区部分地方建筑骨料存在严重的碱-硅活性，需采取适当的措施加以抑制方可使用，故应引起工程技术人员的高度重视。