混凝土碱-硅酸反应的抑制措施

2020-09-23李波涛

建材世界 2020年4期

吴航，李波涛

(贵州省公路工程集团有限公司，贵阳 550001)

由于骨料是混凝土的主要组成，分布在混凝土结构各个部位，一旦发生碱骨料反应，将难以被抑制、补救，其中碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction，简称ASR)是碱骨料反应中最为常见的一类，目前国内外均有较多研究成果针对不同场合下的砂浆、混凝土碱骨料反应的抑制方法进行了探讨，此外，在各管理部门的重视和研究人员的探索下，各种有效碱骨料反应抑制措施被纳入混凝土生产过程中，近几年更是发展出掺入各种新型矿物掺合料的技术路线，该文在总结、归纳较新的碱骨料抑制措施的基础上，提出预防和控制混凝土碱-硅酸反应的一些建议。

1 控制措施

控制ASR的措施可分为物理方法和化学方法，物理方法包括选择非活性骨料、低碱水泥，降低混凝土渗透性；化学方法是利用矿物掺合料、化学外加剂来抑制反应程度。

1.1 控制碱含量来源

水泥是混凝土中碱的主要来源，严格控制水泥碱含量及水泥用量是美国、日本、英国等各国规范均采取的常规措施，将0.6%水泥碱含量作为预防碱骨料反应的安全界限已获得普遍认可(通常将碱含量低于0.6%的水泥称为低碱水泥)。然而，目前混凝土中使用矿物掺合料、化学外加剂的现象较常见，控制单方混凝土中各种原材料总碱量比单纯控制水泥碱含量百分比更加合理。

美国联邦高速公路管理局曾广泛研究不同水泥用量下，混凝土棱柱体碱含量对膨胀行为的影响，如图1(a)[1]图1(b)[2]，两图的棱柱体试件均储存在38 ℃、相对湿度大于90%的环境中。图1(a)表明将总碱含量控制在3 kg/m3当量Na2O可有效限制膨胀；图1(b)使用活性硅质灰岩，水泥用量为275 ～ 450 kg/m3(碱当量为0.67% ～ 1.40%)，从图中可看到混凝土膨胀率与混凝土碱当量密切相关，如果碱当量小于3 kg/m3，多数混凝土试件1年膨胀性可低于0.1%。有一些工程可较轻易地将新拌混凝土碱含量控制在3 kg/m3以下，但其中某些混凝土构件依旧发生碱骨料膨胀，因为混凝土中骨料或者外部环境可能会补充碱物质。因此，在对混凝土碱含量进行限值时，应当考虑骨料类型、混凝土服役环境和设计使用年限等因素。日本、加拿大均对碱骨料反应和混凝土碱含量、骨料种类的关系进行广泛研究[3]，从其结果来看，含不同骨料的混凝土安全碱含量差异较大，混凝土碱含量限值与骨料特性息息相关。国际材料与结构研究试验联合会(RILEM)于2016年在一份建议书上[4]按低活性、中等活性到高活性骨料规定混凝土安全碱含量依次为无要求、3.0～3.5 kg/m3和2.5～3.0 kg/m3，可见国际上根据骨料性能差异来控制混凝土碱含量已成为趋势。

我国规范《混凝土碱含量限值标准》(下称CECS 53:93)规定潮湿环境下的重要工程和含碱环境下一般工程结构混凝土碱含量上限值为3 kg/m3，若所选用的掺合料能够通过火山灰效应有效抑制混凝土碱骨料反应时，混凝土中碱含量不受表1中限值的限制。混凝土中各组分的碱物质含量可参照相关规范进行测试，然后按照CECS 53:93中给出的公式进行计算即可。

表1 防止碱-硅酸反应破坏的混凝土碱含量限值或措施

关于表1中混凝土碱含量限值的规定，目前国内存在一些不同的看法，总体可总结为：1)只要碱骨料反应中总碱量、活性骨料和水不同时具备，就应当允许不采取预防措施，但其发现国内存在只侧重是否有活性骨料，一旦使用活性骨料，尽管总碱含量不超标，也要求间隔一定周期检测骨料碱活性并采取抑制技术的现象。对于一般规模工程，这过于保守的要求将制约施工的进展和抬高工程的经济成本[5]；2)快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法均要求将水泥碱含量调整到0.9%和1.25%，再根据规定龄期测量膨胀行为以作判定，然而不同工程所用水泥可能是低碱水泥也可能是高碱水泥，若依旧采用统一试验评判标准，结果或将有失偏颇。CECS53:93和《高强混凝土结构技术规程》 CECS104:99限制混凝土碱含量的前提是确定骨料具有碱活性，当使用非活性骨料时可不限制混凝土碱含量，不应因为重视碱骨料反应就在不需要限制混凝土碱含量的工程中盲目使用低碱水泥等原料[6]。张承志等[7]认为混凝土碱含量的限值可能导致一些资源的利用受到约束，比如大流态混凝土需要较多的水泥和减水剂，这两种物质的用量一旦上升很容易导致拌合物碱含量超标，如此一来便需要掺入掺合料，而较高的掺合料可能会引发浆体工作性或力学性能的下降，为了满足混凝土性能要求，工程技术人员随意放宽甚至不控制混凝土碱含量。所以混凝土安全碱含量限值的问题几乎一直是困扰着重大混凝土工程的难题。董艳[8]通过研究有效碱硅比对混凝土碱骨料反应的影响，认为有效碱硅比与碱骨料反应膨胀性能相关最密切，是较有效碱含量更科学合理的控制指标，但测试过程涉及碱硅比变换、碱含量变换、活性二氧化硅百分比变换等，是否适用于工程现场试验仍需进一步验证。

1.2 控制骨料的碱硅酸反应活性

使用非活性或低活性骨料是防止ASR最安全可靠的措施。《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T50733—2011规定混凝土工程宜采用非碱活性骨料，并且在勘察、选择骨料母岩时，应当对岩石进行碱活性检验，接触盐渍土、海水或除冰盐的重要结构混凝土不得采用碱活性骨料。然而，通过使用非活性骨料来抑制碱骨料反应必须采取严格的测试来确保骨料不存在碱活性，同时最好对建造物进行长时间的取样检测，一般工程难以满足这些要求。同时我国硅质活性骨料分布广泛，非活性骨料越来越稀缺，选择非活性或者低活性骨料面临较大经济困难，同时也制约着普通骨料的使用。有研究[9]认为如果混凝土碱含量限值满足了要求，则应该允许使用活性骨料。《建筑用卵石、碎石》GB/T 14685规定经碱骨料反应试验后，由卵石、碎石制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期内膨胀率应小于0.10%。当混凝土碱含量低于3 kg/m3时，一般可不做骨料碱活性检验。近几年有相当多研究表明在含活性骨料混凝土中，掺入磨细的活性骨料后能展现出优异的ASR抑制效果。杨飞[10]将典型碱活性骨料——燧石磨细至701.2 m2/kg后代替30%水泥掺入混凝土中，发现ASR能被显著抑制。经分析，发现燧石粉发生了剧烈的火山灰作用，充当了类似粉煤灰和硅灰的角色。于本田等[11]运用快速砂浆棒法和灰色关联分析研究了活性骨料含量的影响，发现若活性骨料含量不超过总骨料重量的20%时，混凝土内基本不产生碱骨料反应。随着行业的发展，使用高比例活性骨料是大势所趋，在此前提下，有必要从水泥浆体密实性、硬化后浆体碱储备和内部孔结构等方面另辟蹊径。

1.3 改善环境湿度

张常军[12]认为阻断水是降低碱骨料反应膨胀风险最简单易行的方法，比如制备低渗透性混凝土和表面防水处理。通过使用减水剂、降低水灰比或者做表面防水保护，避免混凝土早期开裂，提高混凝土抗渗能力，改善混凝土所处外部环境，隔绝水和潮湿空气进入混凝土内部同样是抑制ASR反应的重要手段。总而言之，既应注意长年与水接触的混凝土ASR问题，也要防止室内或环境相对干燥环境建筑的ASR风险。

1.4 掺入矿物掺合料或者外加剂

当前常用的ASR抑制矿物掺合料总体上可分为两类:其一为玻璃态或者无定形硅铝酸或铝酸盐传统掺合料，如粉煤灰、矿渣微粉和硅灰等；其二为具有较强吸附和交换碱金属离子能力的矿物，如沸石、膨润土和蛭石等。国内外关于单掺粉煤灰、硅灰或者矿渣微粉的研究已经比较充分[10]。除了粉煤灰、硅灰等常规矿物掺合料，也可采用锂盐、钙盐、钡盐、玻璃粉和碳水化合物等抑制ASR，但是这些化学外加剂有的使用成本较高，如锂盐，有的抑制机理尚未完全被掌握，如钡盐和碳水化合物。因此，有研究人员尝试探索来源相对广泛或价格较低的ASR抑制材料，例如沸石、偏高岭土、废旧橡胶轮胎粉等。

沸石作为一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，其基本结构由硅氧四面体和铝氧四面体按一定方式形成基本骨架。由于铝是三价金属离子，铝氧四面体中有一个氧原子的负电荷未被中和，故钾、钠、钙离子等阳离子可被吸附、结合到沸石结构中，因此将沸石掺入混凝土能吸附混凝土中的碱金属离子，抑制ASR[13，14]。李福海等[14]利用高活性偏高岭土和粉煤灰抑制ASR，发现高活性偏高岭土粒径主要分布在0～5 μm，能够更充分填充水泥石空隙，与Ca(OH)2的反应活性更高，生成更加致密的胶凝材料，故具备少量高效的ASR抑制效果。Gruber K A[15]等人认为，偏高岭土加入硅酸盐水泥水化进程中后，能与水化产物Ca(OH)2生成黏附性更强的硅酸钙水合产物，能够吸附碱金属离子、增强界面过渡区和降低水泥基体的渗透性。废旧轮胎橡胶粉是一种具有弹性的固体粉末颗粒材料，在水泥砂浆中能充当应力集中中心，凭其小粒径与弹性缓解水泥基体受到的拉应力，同时橡胶粉疏水，能引入一定量空气，使得水泥浆体存在能容纳ASR生成的凝胶，降低砂浆内部的膨胀压。

总体而言，往混凝土掺入矿物掺合料时浆体所发生的碱-硅酸反应抑制原理大致可分为：物理替代效应(使用低碱掺合料替代高碱水泥)、火山灰效应(消耗混凝土内部碱含量)、二次反应物对碱物质的固化效应(通过静电吸附作用固化碱离子或氢氧根)、对水化产物进行改性(改变钙硅比或碱硅比以降低膨胀程度)和细化孔结构(通过填充作用和火山灰效应令孔结构更加复杂、密实，降低硬化浆体内水分或离子的传输能力)。随着水泥基材料学科的发展，新的矿物掺合料技术不断涌现，当应用于抑制混凝土碱硅酸反应时，其反应机理仍在探索阶段，亟需更多试验工作在微观形貌、水化动力学等方面进行阐述，进而研发低成本、高效率的碱硅酸反应抑制方案，攻克混凝土“癌症”这一难题。