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提高混凝土骨料碱活性反应试验结果准确性的探讨
发布时间：2018-11-09 08:46被阅览数：次来源：未知
摘要：结合多年的试验工作实践，对碱骨料反应类型、试验方法及影响试验结果准确性的因素进行评价和探讨，提出碱骨料反应试验的关键点，以及设计应考虑的工程措施。关键词碱骨料反应膨胀率水泥含碱量碱骨料反应是混凝土原材料中碱（Na2O或K2O）与骨料中的活性成分发生反应，反应生成物吸水膨胀开裂的现象。碱骨料反应导致混凝土失去设计性能，发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的“癌症”。在铁路勘察设计中，骨料的选择直接影响混凝土设计、工程质量和造价。因此，做到有效控制和预防尤为必要。
1、混凝土骨料碱活性反应类型
1.1碱硅反应
碱硅反应是骨料的活性硅成分和水泥中碱之间的反应。二氧化硅的活性形式是蛋白石（无定形）、玉髓（隐晶纤维）和鳞石英（结晶）。这些活性材料存在于蛋白石或玉髓、燧石、硅质石灰石、流纹石、安山凝灰岩与千纹岩中。由于形成了碱硅凝胶，骨料界面发生蚀变。这种胶体是“无限膨胀型”的，在吸水后有增加体积的趋向。此胶体受到周围水泥净浆的约束，产生内压，最后导致水泥浆的膨胀、开裂和破坏（突然爆裂）。通常认为，只有在水泥中的总碱量较高，同时骨料中又含有活性二氧化硅的情况下，才会发生上述有害反应。碱骨料反应通常进行得很慢，所引起的破坏往往经过若干年后才会显现。水分存在是碱骨料反应的必要条件，混凝土的渗透性对碱骨料反应有很大的影响。在干湿交替的情况下，反应得到加速，提高温度也将使反应加速。
1.2碱碳酸盐反应
另一种类型的有害骨料反应是某些白云质石灰岩骨料和水泥中碱的反应。在潮湿条件下发生的混凝土膨胀同碱硅反应情况相似。这类反应的岩石仅限于细粒状的泥质白云灰岩，其组成在方解石和白云石之间。差热分析（DTA）和测长结果表明，白云石的反应速率和白云质岩石的膨胀速率均是溶液pH值的增函数；pH值越高，反应越快，膨胀也越大。当溶液pH值低于12时，反应速率几乎趋于零；相应地，岩石也几乎不发生膨胀。
1.3 硫酸盐骨料侵蚀
当骨料中含有硫酸盐时，会与硬化水泥浆发生反应，使混凝土产生侵蚀。受硫酸盐侵蚀的混凝土表面呈稍白特征色，损坏通常先从棱角开始，随后进一步开裂与剥落，致使混凝土呈脆而松散的状态。一般情况下，侵蚀速度随硫酸根离子浓度提高而加快，但在硫酸根离子浓度达到一定值时（约为0.5%～1%），侵蚀随浓度提高而加快的速度减缓。其次，除硫酸盐浓度之外，混凝土侵蚀的速度还取决于水泥反应中失去硫酸盐可获得的补充速度，当混凝土一侧处于含硫酸盐水的压力之下时，侵蚀速度将最大。相反，当混凝土被完全埋置，则侵蚀情况将缓和得多。
2、混凝土骨料碱活性反应试验
2.1检测方法
检测骨料碱活性反应的方法有岩相法、化学法、砂浆长度法、快速法和岩石柱法等。
（1）岩相法
岩相法的基本理论是基于光学矿物学。具体操作是把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定矿物成分及其含量，以及矿物结晶程度和结构。如不含有活性的岩石或矿物，可判为非活性；如鉴定含有碱活性成分，则必须用其他试验方法进一步论证。该方法的试验要点是准确判断蛋白石（无定形）、玉髓（隐晶纤维）、和鳞石英（结晶）和细粒状泥质白云灰岩的分颗粒子形态。该方法只能定性而不能定量地评估含碱活性的骨料在混凝土中引起破坏的程度。
（2）化学法
化学法是反映骨料与碱发生化学反应的能力。由于其反应时间短（24 h），对评价高活性的骨料是合适的。但应注意某些矿物（如碳酸盐等）的干扰，可能使试验结果产生较大的偏差，特别是对缓慢反应的岩石或者活性微弱的骨料，往往会作出非碱性的错误结论。
（3）砂浆长度法
砂浆长度法是碱活性鉴定的经典方法，试验周期为6个月。这种方法对活性较高、反应较快的骨料检验是适用的，可以判断骨料的碱活性。但对于反应缓慢的活性骨料或活性较低的骨料，往往不能在指定时间内做出准确判断。
（4）快速法
快速法包括小砂浆棒法和砂浆棒快速法。小砂浆棒法是我国南京化工学院唐明述教授在1983年提出的，试验周期为3天。小砂浆棒法的特点一是工作量小，操作简便，试验周期短，能够很快对骨料的活性作出判断；二是用碱量超常规的增大，又采用高温高压的非常态反应路线，与实际混凝土工程的关系尚缺乏论证。如果用快速法评定骨料是非活性的，那骨料绝对是安全的，不会产生碱骨料反应。小棒法虽不会漏判，却有可能错判。另外这种方法只能测定单一岩石，对天然砾砂石料场中多种骨料的混合料，由于试件太小，测定起来就比较困难。砂浆棒快速法已经选入GB/T14684—2001《建筑
用砂》，GB/T14685—2001《建筑用卵石、碎石》，试验周期为14天。试件的评定标准为：砂浆膨胀率小于0.1%，骨料无害；膨胀率大于0.2%，具有潜在有害碱活性；膨胀率在0.1%～0.2%之间为可疑骨料，需进行其他辅助试验。砂浆长度法、小砂浆棒法和砂浆棒快速试验要点是：测量基准长度和龄期长度时要迅速，保持其水浴温度；同时测量要沿试件的同一方向、同一平面和同样的接触点，以消除系统误差。试验人员的操作熟练性、温度控制、测长平面与轴线的垂直度、测点的一致性直接影响试验结果。
（5）岩石柱法
将碳酸盐骨料制成9 mm×35 mm的圆柱体，进行膨胀试验，试验周期为84天。膨胀率大于0.1%，则骨料具有危害活性，不宜作为混凝土骨料，必要时应从混凝土试验结果做出最后评定。岩石柱法的试验要点是圆柱体测长平面要互相平行且与试件中心轴线垂直。实际操作要求非常严格，否则系统误差大，试验结果离散性大。建议将测长千分尺改成接触点式万分之一传感器等更精密的设备。 2.2 试验数据的准确性分析
首先，应用岩相法定性鉴定活性成分的类型。化学法由于受干扰和方法的局限性，只能对活性较高的骨料作出正确的判断。砂浆长度法、小砂浆棒法和砂浆棒快速法具有较好的相关性，试验结果也趋于一致，但对于某些活性不大或缓慢反应的骨料会得出不一致的结果；这种情况下，应以砂浆长度法作为最终判断依据。岩石柱法仅适用于碱碳酸盐骨料。进行试验数据的分析时，应综合考虑，不能仅依靠一种试验方法数据单独下结论，应采取如下措施增加数据的准确性：
①采取多个平行试验的方法，消除人为误差。
②采用精密的测长传感器，消除仪器设备的系统误差。
③试验温度的控制是影响试验结果的重要因素。
④不同方法的相互验证是保证试验数据准确可靠的保证。
3、预防混凝土骨料碱活性反应的工程措施
骨料碱活性反应是混凝土工程一个重要控制环节，在勘察阶段就应分析研究骨料的实用性，设计阶段应做好工程措施。
3.1提高混凝土密实性
无论是碱硅反应、碱碳酸盐反应，还是硫酸盐侵蚀，水在其中起到至关重要的作用；混凝土越密实，抗渗能力越强，环境介质也越难侵入。因此，必须保证足够的水泥用量或适当降低水灰比。实际生产中，在保证最小水泥用量的前提下，更倾向于控制水灰比，以控制混凝土的密实性。同时，在混凝土中掺入适量的引气剂，使混凝土内部的透水孔道隔断，从而使其抗渗性和抗硫酸盐侵蚀的性能加强。
3.2 改变水泥熟料的矿物组成
首先是降低水泥熟料的含碱量，这样可以有效抑制碱硅反应和碱碳酸盐反应的发生。其次，要降低C3 A、C3S的含量，相应增加水泥熟料中C4AF、C2S的含量；C3A含量降低可以减少钙矾石的生成数量，从而提高其抗硫酸盐能力；虽然C4AF水化时能生成水化硫铁酸钙和硫铝酸钙的固溶体，但其分布比较均匀，膨胀性远比钙矾石为小，而且水化铁酸钙还能在游离的水化铝酸钙周围形成保护性薄膜。C3S水化时要析出较多C（aOH）2，而C（aOH）2的存在又是造成硫酸盐侵蚀的一大主要原因。因而要适当减低水泥熟料中C3 S的含量，相应提高C2S含量。
3.3 掺加混合材料
用碱活性集料微粉充当混合材取代部分水泥，可有效地抑制碱硅酸反应膨胀，且其抑制效果随加入量的增加而提高，随碱含量提高而减少。当Na2O%3.0%时，大约50%以上的微粉即可将砂浆的膨胀抑制在0.1%以下；当2.0%<Na2O<3.0%时，约35%～40%的微粉亦可达到同样的效果；而当Na2O大于2.0%时，更少的微粉即可达到同样的要求。微粉对膨胀的抑制作用在长期的养护过程中也相当稳定。在混凝土拌和物中掺加粒化高炉矿渣或硅粉后，熟料水化时析出的Ca（OH）2能与矿渣中的活性氧化硅或氧化铝结合，生成低碱度的水化产物，使水化硫铝酸钙在CaO浓度较低的液相中结晶，膨胀变缓，从而有效提高其抗硫酸盐侵蚀能力。
