混凝土碱骨料反应及其在料区中的应用

□孔军涛（河南省水利勘测有限公司）

1.概述

混凝土碱—骨料反应的破坏速度、程度不尽相同，有些可快在1～2年内就使建筑物开裂；有些则延迟到20～60年后才发生，不易引起人们的重视。我国近年来在兴建大型及特大型建筑物时，出于安全、维护及国外一些同类建筑物因混凝土工程事故造成的经济损失和影响程度上的长远考虑，才日益引起人们的高度重视；例如长江三峡大坝、南水北调工程等。

在基础建设领域，人们对基础材料－石料的需求也越来越多，寻找合适的料源目前已成为一个很现实同时又很紧迫的实际问题。

2.混凝土碱骨料反应的分类、鉴别及其适用判别方法

2.1 混凝土碱骨料反应的分类

混凝土碱骨料反应在总体上分为三类：碱—硅反应、碱—碳酸盐反应、碱—硅酸盐反应，下面分述如下:

碱－硅反应包括碱—蛋白石反应、碱—燧石反应、碱—火山熔岩反应、碱—石英岩反应和碱—砂岩反应。其中蛋白石、燧石属高活性岩石。砂中蛋白石颗粒含量在1%～15%之间，砂中燧石含量在1～50%范围，与高碱水泥反应，均能引起膨胀反应。酸性火山熔岩都是碱活性岩石，基性火山熔岩可能部分是碱活性岩石。当石英岩中的变形石英的波状消光角>15°，它可能是碱活性的。

碱－碳酸盐反应包括碱—硅质碳酸盐反应和碱—白云质碳酸盐反应。碳酸盐岩石形成如硅质灰岩时，它可能是碱活性岩石。在碱—白云质碳酸盐反应中，粘土—硅质基质是碱活性的活泼组分。碱—粘土质白云石灰岩反应的膨胀机理可能仍然是碱—硅反应在粘土质白云石灰岩中的一种表现方式。

碱—硅酸盐反应是一个综合的碱性膨胀反应。

2.2 混凝土碱骨料反应的分类鉴别及其适用判别方法

含碱活性岩石危害性的研究方法应先采用岩相法；若有碱活性成分时，应进一步采用化学法、砂浆长度法或岩石柱法鉴定。

化学法：它是首先判断骨料是否具有碱活性的一种化学方法，但不作为最后结论，还需进行砂浆长度法试验。

砂浆长度法：适用于碱—硅酸和碱—硅酸盐反应，不适用于碱—碳酸盐反应。

岩石柱法：适用于碳酸盐碱活性反应。

3.混凝土碱骨料反应的机理

3.1 碱—骨料反应是混凝土中孔洞溶液与骨料颗粒之间从界面开始的反应，反应产物进而从孔洞溶液中吸收水分产生膨胀应力。因此反应过程与孔结构（孔隙率及孔分布）、孔洞溶液的组成、运动及其中离子的扩散有密切的关系。

3.2 自然界存在的结晶SiO2变体主要有石英、磷石英和方石英，高温下都将溶化成玻璃态熔体。影响它们活性的主要因素，来自以下3个方面：一晶格在应力下应变的程度。晶格内应力的增加产生了晶格的位错，内能增加。二颗粒的开放性微孔道的数量即内比表面积的大小。内比表面积愈大，表面畸变层所占的比例就愈大，与碱反应的速率就愈高。三一定数量杂质金属离子在晶格中的出现，导致晶体表面“无定形”层（或准确地说是晶格受扰乱的层次）的出现，也增加了石英晶体的活性。另外机械粉碎的能量也增加了表面“无定形”化的程度。

无定形SiO2具有与碱反应的很高的潜能。反应的速率随着结构的差异和比表面积的差异各有不同。例如蛋白石、石英玻璃、火山玻璃、不同的燧石、玉髓等。

3.3 混凝土中碱—SiO2骨料的化学反应过程可以从反应机理角度上分为以下几个阶段。这些阶段往往是互相重叠和在空间上分布的不均衡。

3.3.1 碱从水泥或其它来源中释放形成一定pH值孔洞溶液的阶段。

3.3.2 SiO2矿物表面Si－OH基团与碱的中和反应。

3.3.3 SiO2矿物Si－O键的破坏及SiO2溶出。

3.3.4 溶解状态下的SiO2单体分子或离子，在OH－离子催化下，重新聚合成一定大小的SiO2溶胶粒子，形成胶体溶液。

3.3.5 在钙或其它金属阳离子作用下，溶胶粒子凝聚（聚沉）成为一定结构的凝胶。孔洞溶液中的Ca2+离子浓度尽管比较低（0.6～2.2mm），但是显然已经超过上述形成碱—硅溶胶所需要的临界浓度，因为在pH值比较高的情况下(>9.5)Ca2+离子的临界浓度降至1mm以下。

4.在现实水利工程料区中的应用

根据上述理论，我们在南水北调中线工程黄河南段料场共选了8个石料场。该8个料场有6个为灰岩料场，1个为白云岩料场，1个为石英砂岩料场。根据室内试验可知，其中5个灰岩料场，1个白云岩料场均为非活性岩石，其中1个灰岩料场中仅一组具碱硅活性（因其岩块中含大量的泥质条带，及少量铁质侵然，颜色杂较多浅黄色，现场在野外判别其应具碱活性，仅是为了和其它几组进行试验对比），其余几组均为非活性岩石，石英砂岩料场具碱硅活性。碱活性试验成果汇总见表1:

根据混凝土碱活性理论及野外现场，并结合室内试验可知，在河南地区，一般情况下，寒武系的纯净的白云岩，奥陶系纯净的致密灰岩（泥粉晶灰岩）、寒武系的鲕状灰岩、灰岩等不具碱活性。二叠系、寒武系、震旦系的石英砂岩均有碱活性。

表1 碱活性试验成果汇总表

郏县谒主沟的岩石为纯的白云质灰岩或白云岩，岩相法试验结果为不具碱活性，密县白寨为纯的灰岩，岩相法试验结果为三组不具碱活性，三组岩石柱法试验结果膨胀率均<0.1%，为不具碱活性。新吕沟为较纯的灰岩，岩石柱法试验结果膨胀率均<0.1%，为不具碱活性。其它不再叙述。现仅对出现膨胀率均<0.1%的加以说明：

4.1 吕沟编号LG-7,其存在碱碳酸、碱硅活性，是因其含有大量的粘土条带，在野外即判断为具碱活性，仅取一组，以便验证；后来岩相法试验结果：“矿物成分：方解石55%～60%，石英、长石20%～25%，白云石10%～15%和粘土质3%～4%。岩石由鲕粒10%～15%、胶结物85%～90%组成。鲕粒：为圆形同心状鲕，粒径0.07～0.14mm，成分为方解石；胶结物：胶结鲕粒，成分为方解石，为粉细晶状，粒径0.01～0.07mm；此外岩石中含石英、粘土质和少量长石，具白云石化作用，石英，颗粒大小不一，其中2%～3%颗粒粒径0.03～0.06mm，属微晶石英，粘土质，鳞片状，分布于方解石、白云石颗粒间、白云石化作用，主要分布于胶结物中，白云石，自形菱形晶，粒径0.03～0.15mm，”，砂浆棒快速法膨胀率>0.1%，达到0.166%，验证了“碱—粘土质白云石灰岩反应的膨胀机理可能仍然是碱—硅反应在粘土质白云石灰岩中的一种表现方式。”

4.2 浅井为震旦纪紫红色砂岩，取样6组，砂浆棒快速法膨胀率均>0.1%，最大达到0.344%，验证了“前寒武纪砂岩都是碱活性的”。

5.结论

5.1 混凝土碱骨料反应的8个类别，可以看出，碱活性本质上仍是碱—硅反应，只是表现不同而已；例如吕沟编号LG-7,其存在碱碳酸、碱硅活性，砂浆棒快速法膨胀率>0.1%，达到0.166%，验证了“碱—粘土质白云石灰岩反应的膨胀机理可能仍然是碱—硅反应在粘土质白云石灰岩中的一种表现方式。”

5.2 防止和抑制碱—骨料反应的有效途径只有两条，其它各种化学的、物理的措施，都不一定有效，而且代价太昂贵。这两条有效途径是：

5.2.1 防止碱—骨料反应

5.2.1.1 水泥的含碱量应<0.60%Na2O当量，特别重大工程要提出安全含碱量的论证报告。由于反应时间有限，安全含碱量只能是<0.6%或低碱水泥0.5%Na2O当量。

5.2.1.2 混凝土含碱量：除水泥含碱量在水泥生产厂严格控制外，混凝土的含碱量应计算骨料中的活性碱、抑制材料中的活性碱、水质中的碱、外加剂中的碱。混凝土的总碱量控制为：

A、对于一般活性的岩石骨料和一般混凝土工程，混凝土含碱量≤3.0Kg(Na2O当量计)/m3。

B、对于高活性的岩石骨料和重要工程，混凝土含碱量≤2.0Kg(Na2O当量计)/m3。

控制水泥和混凝土安全含碱量是防止碱—骨料反应最有效途径。

5.2.2 抑制碱—骨料反应

防止碱—骨料反应是主位，抑制碱—骨料反应是从属的。在水泥含碱量<1.2%Na2O当量条件下，抑制材料掺量(占水泥重)为：

高炉水悴矿渣≥40%。

粉煤灰≥30%。

偏高岭石≥20%。

偏蒙脱石≥20%。

硅藻土（或硅灰）≥20%。

低热微膨胀水泥

5.3 根据混凝土碱骨料反应的8个类别，在为工程建筑寻找混凝土骨料时，才能快捷、安全、有效地寻找到合适的料源。工程经验验证前寒武纪和寒武纪硬砂岩、砂岩都是碱活性的。

5.4 最后说明，在选取料场的过程中取样要具有代表性，不要选那些分布极少又明显具有碱活性的岩石。例如表1中列举的吕沟石料场，本来这个料场没问题，但是如果都取像编号LG-7那样的岩石，那么结果就把一个没问题的料场给浪费了。因为随着经济的发展，石材的需求越来越多，要想找到没碱活性的料场越来越少了。

[1]中华人民共和国.SL251-2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T5151-2001水工混凝土砂石骨料试验规程[S].北京：中国电力出版社，2002.

[3]刘铮，韩苏芬，唐明述.碱－碳酸盐反应机理[J].硅酸盐学报，1987，15（4）：30－35.

[4]刘崇熙，文梓芸.混凝土碱—骨料反应[M].广州：华南理工大学出版社，1995.