建筑材料學報范文堿硅酸反應的抑制機理

　　本篇文章是由《建筑材料學報》發表的一篇建筑材料論文，(雙月刊)創刊于1998年，由國家教育部主管，同濟大學主辦。收錄本刊的數據庫有：中文核心期刊要目總覽(2008年版)、美國《工程索引》(Ei Compendex)、美國《化學文摘》(CA)、中國科學引文數據庫、中國核心期刊(遴選)數據庫、中國學術期刊綜合評價數據庫、中國期刊全文數據庫、中國學術期刊文摘(中、英文版)等，并被國家科技部、中國科學文獻計量評價研究中心等認定為“中國科技論文統計源期刊(中國科技核心期刊)”;在《中國學術期刊評價研究報告》(2009-2010)中，被評為“RCCSE中國核心學術期刊”。

　　【摘要】堿-碳酸鹽反應則是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應，體積膨脹，使混凝土開裂。

　　【關鍵詞】現狀,研究,機理,抑制,硅酸,反應,堿

　　據研究，我空軍機場在70年代中期以后，陸續發現道面水泥混凝土因非荷載作用的混凝土自身損壞，根據調查，發現這些機場道面板出現損壞的密度和輕重程度有很大差別。個別機場，有三分之一的道面板出現這類損壞，其中嚴重的為板塊大面積出現較寬的裂縫，有的表層砂漿剝落、混凝土酥松，急需進行修補。例如，某軍用機場在1967年進行了擴建，對原瀝青混凝土道面蓋被1500m，交付使用后僅3年，發現數塊混凝土道面板局部出現微細裂縫，并向兩邊擴展。到1992年統計道面已被嚴重腐蝕575塊，占道面板總數的8.73 % ,嚴重影響了機場跑道的使用性能。其堿-集料反應的外觀特征是:最初在道面表層出現黃色的水跡，繼而在水跡范圍內產生裂縫，裂縫逐漸擴展;在雨后晴天或早晨從裂縫中析出白霜物質;對較寬的裂縫，沿裂縫常有黑褐色的滲出物印跡，并微微突起1-2mm。裂縫形狀有樹枝狀的、地圖狀的或其他形狀的，嚴重的表層砂漿剝落。這是多因素共同作用的結果。從地理位置上看，這些機場均位于長江以北的我國三北地區。到目前為止，堿集料反應仍然不同程度的危害機場水泥道面。因此，研究如何抑制堿硅酸反應是十分必要也是不可松懈的。

　　2、正文

　　2.1 相關概念

　　1.石灰：是由石灰石、白云石等原料，經900-1100℃煅燒而成的以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。石灰是硅酸鹽制品的主要原料之一，常與硅質材料(粉煤灰、火山灰、礦渣等)搭配使用。其內部的膠凝物質主要是水化硅酸鈣。

　　2.粉煤灰：是從煤燃燒后的煙氣中收鋪下來的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：

　　等。粉煤灰是一種似火山灰質混合材料，在混凝土中摻加粉煤灰代替部分水泥或細骨料，不僅能降低成本而且能提高混凝土的和易性，提高不透水性、氣性抗硫酸鹽性能和耐化學侵蝕性能，降低水化熱，改善混凝土的耐高溫性，減輕顆粒分離和析水現象，減少混凝土的收縮和開裂。

　　3.礦渣：經提煉后的礦石殘余物為礦渣。礦渣經磨細后，是水泥的活性混合材料。

　　4.火山灰：火山灰是指由火山噴發出直徑小于1-2mm的礦物質粒子。在常溫有水的情況下可與石灰反應生成具有水硬性膠凝能力的水化物。因此磨細后可用作水泥的混合材料及混凝土的摻合料。

　　2.2.國外堿硅酸研究現狀

　　目前，國外在研究GRC(玻璃纖維增強型混凝土)領域處于領先地位，主要是采用抗堿玻璃纖維增強普通硅酸鹽水泥，以減少堿硅酸反應給機場水泥道面混凝土造成的影響。在美國、日本、德國等堿硅酸反應嚴重的地區，一般采用低堿水泥作為預防堿硅酸反應的重要措施。

　　Sims和Nixon通過大量實驗發現，在堿集料破壞事例中，有眾多ASR與ACR同時引起破壞的現象。經研究，在堿碳酸鹽反應中含有微晶石英，因此，堿硅酸反應也起作用。

　　研究表明，氯鹽能促進ASR反應。一般認為是NaCl與氫氧化鈉作用形成 。但研究顯示，NaCl對ASR的促進作用比等摩爾濃度的NaOH更高。Shayan研究認為，NaCl和水泥反應增大了OH-的濃度，且生成的Friedel氏鹽填充在ASR引發的裂紋中，從而增大膨脹;但Kawamura等發現這一反應僅導致少量的OH-濃度增加，Arya也認為硬化水泥中大部分已與硫酸鹽反應，進一步與NaCl反應OH-形成必然很少，形成的Friedel氏鹽也很有限。

　　2.3.國內堿硅酸研究現狀

　　國內研究成果表明：軍用機場道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，三北地區生產的這類水泥含堿量一般較高;軍用機場道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m 3 以上，且經常處在地面的潮濕環境中，因而發生堿集料反應的可能性較大，采取預防措施尤為必要。中國工程院、南京工業大學等經過多年的研究，取得了一系列成果，如礦物混合材、自制高效鋰鹽抑制劑、纖維材料等堿集料反應的抑制作用，探明了各種材料的抑制機理，提出了低Ca/Si比的C-S-H凝膠控制堿集料反應的抑制理論，Li-S-H凝膠控制堿集料反應的抑制理論，及纖維通過形成三維網絡結構而抑制膨脹的抑制理論。并且提出了偏高嶺土、鋰鹽抑制劑、聚丙烯纖維等復合抑制材料加入到新拌混凝土中，可以有效抑制堿集料反應，大大延長道面混凝土的壽命。

　　南京工業大學在該領域做了卓有成效的研究工作，并建立了國家活性集料檢測中心。由中國建筑材料研究院牽頭的國家“九五”科技攻關項目《重點工程混凝土耐久性研究與工程應用》中針對混凝土堿集料反應危害列有專門子課題進行研究，并取得成果如“混凝土堿集料反應安全性專家系統”等。

　　2007年天津市頒布修訂后的強制性標準《預防混凝土堿集料反應技術規程》。

　　嚴章榮采用砂漿棒法和砂漿柱法進行抑制對比試驗，首先通過在低活性、中活性和高活性三種系列骨料中分別摻入DZ-4及粉煤灰、摻入礦渣等量代替水泥成型試件后放在80℃ lmol/L的NaOH溶液中養護28天，測試試件養護齡期內的膨脹率，并結合青藏鐵路用小干溝砂對DZ-4和粉煤灰的抑制效能進行檢驗;其次采用砂漿棒法分別摻入DZ-4及粉煤灰、摻入礦渣等量代替硫鋁酸鹽水泥，對三種活性骨料及青藏鐵路用小干溝砂進行抑制效能試驗，通過硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥試驗結果對比，結合微觀分析方法，探索研究DZ-4和粉煤灰、礦渣抑制堿—硅酸反應的機理;最后進行了砂漿柱的抗壓強度和抗折強度的試驗，以分析兩種抑制措施對砂漿或混凝土強度的影響。通過抑制有效性試驗和強度試驗，得出兩種抑制措施的有效性和適用性，各種混合材只有在骨料一定活性范圍內才能有效地抑制堿—硅酸反應，DZ-4和粉煤灰對ASR的抑制是對化學反應過程的抑制和對產物結構的改善的綜合作用，礦渣的抑制作用主要為降低砂漿或混凝土中的堿含量，摻入混合材后混凝土的強度沒有降低，反而有一定程度的提高。

　　王傳波結合國內科研成果《青藏鐵路梁體混凝土摻合料抑制堿—骨料反應有效性實驗操作規程》，采用快速砂漿棒法對礦渣、粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥抑制堿—硅酸反應機理進行研究，結合掃描電鏡對樣品進行微觀分析，以觀察不同試件反應產物的變化。經分析得出主要結論:砂漿棒法中宜采用降溫至20℃檢測;礦渣和粉煤灰抑制堿—硅酸反應的機理是因為消耗了大量的，同時反應生成了低n(Ca)/n(Si)比的水化硅酸鈣凝膠，“固定”了大量的堿，降低了與活性

　　反應的程度;硫鋁酸鹽水泥因其水化產物中缺乏

　　而不易與活性骨料反應，可以與硅酸鹽水泥一起混合或在特殊地區單獨使用來預防堿—硅酸反應。

　　詹炳根采用不同濃度的NaCl和堿協同作用使混凝土產生堿硅酸反應(ASR)，用ESM動態觀察了凝膠的膨脹過程，用能譜儀測定了各種凝膠的組成，研究了凝膠組成與膨脹行為之間的關系。結果表明，氯鹽的存在，使孔溶液中鈣的濃度始終保持在較低的水平上，形成了膨脹性的低鈣凝膠。凝膠的膨脹在某一濕度下突然增長，含有NaCl的凝膠，其膨脹開始的濕度較低，后隨濕度的增加加劇了膨脹過程。

　　王荃從混凝土的界面過渡區的組成和變化探討了活性混合材抑制ASR的作用機理。選取沸石化珍珠巖作為骨料，摻入超細粉煤灰、硅灰和超細礦粉，同時外摻不同比例的KOH和NaCl成型混凝土試件。結果表明，超細粉煤灰和硅灰對界面區的結構和組成都有很好的改善，都使界面區的凝膠的Ca/Si明顯降低，其中摻入20%硅灰的試件的界面過渡區表現出來的各項性能最為優秀。而在潛在堿硅酸反應(ASR)的混凝土中摻入活化煤矸石，研究表明煤矸石對單一堿所引起的ASR以及因氯化與堿復合而引起的ASR損傷均有較好的抑制作用。

　　王曉燕等研究了幾種含鋁物質對堿硅酸反應的抑制作用,結合XRD、SEM/EDS分析其抑制機理。結果顯示，燒鋁礬土、對堿硅酸反應具有良好的抑制作用，摻加30%燒鋁礬土或20%能使堿硅酸膨脹反應下降到1%。

　　孔德玉、方誠等對堿激發膠凝材料(其主要材料為具有一定急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽煅燒天然礦物或工業廢渣。如：偏高嶺土、礦渣、粉煤灰、硅灰、鋼渣等)及混凝土進行了研究，包括新拌混凝土拌合物和易性、硬化混凝土強度和抗化學侵蝕、堿集料反應、對混凝土的耐久性問題及硬化混凝土變形性能等，研究指出堿激發膠凝材料具有良好的抗化學侵蝕性能，不存在堿集料反應隱患。但是堿激發膠凝材料耐久性和體積穩定性還受到很多因素影響，且相關因素對力學性能、耐久性、變形性的性能并不能兩全其美，如一定范圍內含鈣量增加及采用水玻璃激發劑可提高堿激發材料強度，但會導致耐久性和抗變形性能下降。

　　3、結論

　　大量實驗和研究證明: 目前，世界各國都在積極地尋找抑制堿硅酸反應的方法，既有外加劑法，如在混凝土中加鋰鹽抑制劑、聚丙烯纖維;也有混合材料法，采用低活性骨料，如摻入沸石珍珠巖等。這些對堿硅酸反應的抑制方法多種多樣，并且都取得了一定的效果。其主要原理是在混凝土內部形成穩定的凝膠，降低堿化物的總量，抑制堿與集料中活性的反應。就目前的抑制堿硅酸反應技術之一的堿激發膠凝材料而言，筆者認為，要想安全、可靠的使用堿激發膠凝材料，必須對原材料熱歷史和含鈣量，激發劑種類和用量，對堿激發工業廢渣膠凝材料結構和性能的影響規律、機理及定量表征等，進行系統而深入的研究。

　　參考文獻:

　　[1]姚燕,王玲等.中國高性能混凝土及混凝土耐久性的研究和應用.混凝土工程耐久性研究和應用.2006.

　　[2]孔德玉,張俊芝.堿激發膠凝材料及混凝土研究進展.硅酸鹽學報,2009.

　　[3]王玉江,王曉峰.含堿集料對堿硅酸反應的影響.硅酸鹽學報,2008.

　　[4]于洋,李國忠.硅灰及鋰鹽對堿集料反應抑制效果的研究.建筑材料學報,2008.