如何防止水泥中的碱－集料反应
时间：2021-01-09 04:00:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
对碱-集料反应(AAR)来说，不同形式的碱对其影响是不同的。深入了解碱的存在形式，对认识碱-集料反应，尤其对认识抑制碱-集料反应措施的机理会有很大帮助，从而也为提出更好的抑制措施提供理论依据。
一、混凝土中碱的存在形式与碱-集料反应的关系
混凝土是由固相、液相和气相组成的。固相主要由水泥及掺和料水化后的水化产物和集料组成；液相就是存在于极细孔隙中的含有多种离子的水溶液，即所谓的孔溶液；气相则是分布于混凝土中的大小不等的气孔。
二、水泥中的碱
水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的碱一部分以硫酸盐(K2SO4，Na2SO4，3K2SO4·Na2SO4，2CaS04·K2SO4)及碳酸盐(K2CO3，Na2CO3)的形式存在，一部分则固溶在熟料矿物中，如KC23S12，NC23·S12，KC8A3，NC8A3。
当水泥加水后，硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中，固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中，同时溶入水中的碱又有部分被水化产物所吸收。试验结果：38℃下，28天时，硅酸盐水泥中的碱有86～97％释放，45～85％是在前几个小时内释放的。
对高碱水泥与粉煤灰或煅烧页岩制成的混合水泥进行十四年的长期暴露研究。结果表明，硅酸盐水泥的硬化浆体中仅保留15％的碱，而混合水泥水化产物中保留了总碱的95％。他们还发现，浆体中浸出的碱量越低，混凝土破坏性膨胀的可能性越小。换言之，C—S—H结合的碱越多，对碱集料反应而言系统越稳定。
鉴于上述，可将水泥中的碱含量分为三种：总碱量、可溶性碱量及可利用碱。总碱量是指以各种形式存在的碱的总和。可溶性碱是将水泥加入水中搅拌一定时间后能溶解出的那部分碱。可利用碱是指将水泥按一定W/C比，水化到一定龄期时，存在于孔溶液中的那部分碱。之所以称之为可利用碱或有效碱，是因为只有这部分碱才参与碱-集料反应。有效碱的概念不易理解，易引起混淆。如果用“有害碱”代之，则更简单明了，即水泥中的有害碱就是能参与碱-集料反应的那部分碱。
因此，水泥中的碱并不是全部用于碱-集料反应，而是只有部分有害碱才参与反应。
三、混合材或掺和料中的碱
在水泥工业，掺入水泥中的矿物外加剂习惯上称为混合材，而在混凝土行业用于混凝土中的矿物外加剂则习惯上称为掺和料，也称为辅助性胶凝材料。目前，常用的混合材是矿渣、粉煤灰等，常用的掺和料除矿渣和粉煤灰外，还有硅灰、沸石等。混合材或掺和料中的碱同样可分为总碱量、可溶性碱量及有害碱量三种。
沸石已被证明是一种很好的抑制碱—集料反应的矿物掺和料。当将沸石加入到混凝土中时，有明显的抑制碱—集料反应的作用。
此外，沸石中含有部分玻璃体，具有火山灰活性，可与Ca(OH)2反应生成C—S—H凝胶，吸收一定量的碱。
由上述可见，水泥中的碱，尤其是掺有混合材的水泥，其中的碱并不全部参与碱-集料反应。因此，我们认为防止碱-集料反应，对水泥中的含碱量限制在0.6％以下的规定，不能一概而论。对于纯硅酸盐水泥，这个规定是适宜的，而对于掺有一定量混合材的水泥，还值得商榷。我们认为用有效碱或有害碱量更为适宜。
四、拌和水及化学外加剂中的碱
拌和水中的碱全部是水溶性的，均能参与碱—集料反应，即拌和水中的碱全部为有害碱。
外加剂的使用是现代混凝土技术发展的一个重要动力，但同时带来某些外加剂引入碱的问题。最常用的萘系高效减水剂中含Na2SO4量高达10％左右，如掺量为水泥用量的1％，则外加剂引入的Na2SO4约为水泥的0.1％，折合Na2O约为0.045％。
掺加Na2SO4早强剂引入的碱更不容忽视，如掺量以水泥用量的2％计，则引入的Na2O约为水泥的0.9％，即等于甚至大于水泥自身的含碱量。
五、可溶性碱及有害碱的测定方法
可溶性碱量的测定一般按ASTM C114进行，其过程可简述为：称25.0g水泥放入500ml锥形瓶中，在室温下摇动10分钟，然后在弱真空条件下用布氏漏斗过滤，将滤液转移到一个500ml的容量瓶中，加水至刻度。测定其浓度后，即可计算出水泥的可溶性碱量。
有害碱的测定方法，可分为两类：使用一种挤压装置，将孔隙中的溶液挤出来，称之为挤压法；将硬化浆体或混凝土磨细，再与水混合，将孔隙中的化学成分溶解出来，称之为溶出法。
挤压法采用一种挤压装置，将孔溶液在高压下挤压出来。挤压用的模具具有不同的形式，但大体相同。挤压法可以直接测得孔溶液中碱的浓度。但挤压法还有一些不足，如提取量过少，不便于分析，低W/C时则不能挤压出溶液。Chatterji对挤压法提出了疑问，他认为，提取的孔溶液不能反映真实情况，具有不确定性。此外，挤压法的操作要求很高，目前还难于推广。
溶出法常按改进的ASTM C311法进行，其过程可简述为：将10g水泥放入一个25ml
的塑料瓶中，加10ml水，加盖并用胶带密封好，摇动使其均匀，存放于38±2℃的环境中。第28天时，将瓶中之物用研钵磨细，转移到一个烧杯中，加水至200ml，在室温下搅拌l小时。然后用布氏漏斗过滤，将滤液转移到一个500ml的溶量瓶中，加水至刻度。测定其浓度后，即可计算出孔溶液中的碱。
六、建议
将“可利用碱”或“有效碱”称为“有害碱”更为直观，更易被接受。评定水泥中的碱含量时，对掺有混合材的水泥，对混凝土中的总碱量的限值，都可使用“有害碱”含量。建议制订我国的测定水泥中“有害碱”的标准方法。
（作者单位：七台河市沉陷区综合治理工程办公室）
