水泥中碱含量对骨料活性反应的影响

水泥中碱含量对骨料活性反应的影响

刘春明1  袁成江2

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验监测院 陕西西安 710100

摘要：随着工程建设的不断发展，对混凝土耐久性的要求日益提高。因此，深入研究水泥中碱含量对骨料活性反应的影响，探索有效的控制措施，对于提高混凝土工程的整体质量具有重要意义。本文旨在通过系统分析水泥中碱含量的来源、影响因素以及碱骨料反应的机理与类型，揭示水泥中碱含量与骨料活性反应之间的内在联系，并提出相应的控制措施和建议，为混凝土工程的设计与施工提供科学依据和技术支持。

关键词：水泥；碱含量；骨料活性反应；碱骨料反应（AAR）

引言

水泥基材料作为现代工程建设中不可或缺的建筑材料，其性能稳定性与耐久性直接关系到工程结构的安全与使用寿命。然而，在实际应用过程中，水泥中的碱含量往往成为影响混凝土性能的一个重要因素。特别是当水泥与某些活性骨料相遇时，过高的碱含量可能引发碱骨料反应（AAR），导致混凝土膨胀、开裂，进而严重影响混凝土的力学性能和耐久性。

一、水泥中碱含量的来源与影响因素

1. 碱含量的来源

水泥中碱含量的主要来源是多方面的，这些来源不仅决定了水泥中碱的总量，还影响了碱的存在形态及其对水泥性能和碱骨料反应的影响程度。

1.1原材料中的天然碱分：水泥生产的主要原材料包括石灰石、粘土等。这些原材料本身含有一定量的天然碱分，如碳酸钠（Na₂CO₃）、氧化钾（K₂O）和氧化钠（Na₂O）等。这些碱分在水泥熟料煅烧过程中可能部分挥发，但仍有相当部分残留在熟料中，成为水泥中碱含量的重要组成部分。

1.2生产过程中加入的化学助剂：在水泥生产过程中，为了改善生料的易烧性、提高熟料的产量和质量，常需加入一些化学助剂，如矿化剂、助磨剂等。这些助剂中往往含有较高的碱分，尤其是以钠或钾的化合物形式存在。因此，它们的加入会显著增加水泥中的碱含量。

不同来源的碱对水泥性能及碱骨料反应的影响有所不同。天然碱分由于与原材料紧密结合，其影响相对较为稳定；而化学助剂中的碱分则可能因种类和加入量的不同而对水泥性能产生较大波动。此外，不同来源的碱在水泥中的存在形态和分布也不同，这进一步影响了它们对碱骨料反应的贡献程度。

2. 影响碱含量的因素

水泥中碱含量的高低受多种因素影响，这些因素不仅直接决定了碱的总量，还间接影响了碱骨料反应的发生和发展。

2.1生产工艺：生产工艺是影响水泥中碱含量的关键因素之一。不同的生产工艺（如立窑、回转窑等）在温度控制、气氛调节、物料停留时间等方面存在差异，这些差异会导致碱分挥发和残留程度的不同。例如，回转窑由于温度高、气氛控制精确，通常能更有效地减少碱分的残留。

2.2原材料质量：原材料的质量也是影响水泥中碱含量的重要因素。原材料中的碱分含量、矿物组成、颗粒大小等都会影响其在水泥中的分布和残留程度。因此，选择低碱分的原材料是降低水泥中碱含量的有效途径之一。

2.3掺合料种类及掺量：在水泥生产中，常需掺入一定量的掺合料（如矿渣、粉煤灰等）以改善水泥性能或降低成本。这些掺合料中的碱分含量也会影响水泥中的总碱量。此外，掺合料的种类和掺量还会影响水泥的碱骨料反应敏感性，因为不同掺合料对碱的吸附和固化能力不同。

二、碱骨料反应机理与类型

1. 反应机理

1.1碱骨料反应（AAR）是混凝土中水泥浆体中的高碱性环境（主要由水泥水化产生的氢氧化钙等碱性物质形成）与骨料中某些活性矿物成分之间发生的一种化学反应。这一复杂过程主要包括以下几个关键步骤：

1.2离子交换：首先，水泥水化产生的氢氧根离子（OH⁻）通过孔隙水与骨料表面的活性矿物（如硅质或碳酸盐矿物）接触，并发生离子交换。在这个过程中，氢氧根离子置换出矿物中的钙离子（Ca²⁺）或其他阳离子，形成可溶性的碱金属硅酸盐或碳酸盐。

1.3矿物胶凝作用：随着离子交换的进行，被释放出的钙离子可能与水泥浆体中的其他成分结合，形成新的矿物相。同时，被置换出的碱金属离子（如钠离子Na⁺、钾离子K⁺）与硅质矿物中的二氧化硅（SiO₂）反应，生成具有膨胀性的碱硅酸盐凝胶。

1.4水化产物生成：在持续的高碱性环境下，碱硅酸盐凝胶进一步吸收水分并膨胀，导致混凝土内部产生内应力。随着反应的进行，这些内应力逐渐累积并超过混凝土的抗拉强度，最终导致混凝土膨胀、开裂。

2. 反应类型

碱骨料反应主要分为两种类型：碱硅酸反应（ASR, Alkali-Silica Reaction）和碱碳酸盐反应（ACR, Alkali-Carbonate Reaction）。

2.1碱硅酸反应（ASR）：这是最常见的碱骨料反应类型。它发生在含有活性二氧化硅的骨料（如某些硅质岩、砂岩、玻璃质材料等）与水泥浆体中的高碱性环境之间。ASR的特点是反应速度相对较慢，但一旦开始，其破坏作用往往是灾难性的，导致混凝土严重膨胀、开裂甚至剥落。

2.2碱碳酸盐反应（ACR）：与ASR相比，ACR较为少见且反应机理复杂。它通常发生在含有活性碳酸盐矿物的骨料（如某些白云岩、石灰岩等）中。ACR的发生条件较为特殊，需要较高的碱含量和特定的环境条件（如高湿度、高温）。ACR的特点是反应速度较快，但破坏作用相对温和，主要表现为混凝土表面的粉化和剥落。

不同类型碱骨料反应的发生条件和对混凝土性能的具体影响存在差异。ASR对混凝土的长期耐久性和安全性构成严重威胁，需要特别关注；而ACR虽然影响较小，但在特定条件下仍可能对混凝土性能产生不利影响。因此，在混凝土工程设计和施工过程中，应根据实际情况选择合适的骨料和控制措施，以减少碱骨料反应的风险。

三、水泥中碱含量对骨料活性反应的影响

1. 实验设计与方法

1.1原材料：选取了多种具有不同碱含量的水泥样品，以及多种具有不同活性等级的骨料（包括硅质骨料、碳酸盐骨料等）。确保所有原材料均符合相关标准，并经过严格筛选和预处理。

1.2仪器设备：实验采用了先进的混凝土搅拌机、养护箱、压力试验机、膨胀率测试仪等仪器设备，以确保实验过程的精确控制和测试结果的准确性。

1.3试验方法：采用控制变量法，将水泥中碱含量作为唯一变量，保持其他条件（如水灰比、骨料种类、养护条件等）一致。将不同碱含量的水泥与不同活性骨料按一定比例混合，制备成混凝土试件。然后，在规定的养护条件下进行养护，并定期测试试件的强度、膨胀率等性能指标。

1.4测试指标：主要测试指标包括混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量以及膨胀率等。这些指标能够全面反映混凝土的性能变化，特别是碱骨料反应对混凝土性能的影响。

2. 实验结果与分析

通过一系列实验，我们发现水泥中碱含量与活性骨料组合的不同会显著影响碱骨料反应的速率、程度和混凝土性能。高碱含量会加速反应进程，加深反应程度，导致混凝土力学性能下降和耐久性劣化。此外，碱含量、骨料活性和环境条件之间存在复杂的相互作用关系，需要在混凝土工程设计和施工中综合考虑，以降低碱骨料反应的风险。

结束语

综上所述，本文探讨了水泥中碱含量对骨料活性反应的影响。实验显示，碱含量增加会加速反应，影响混凝土力学性能和耐久性。为降低反应风险，提出降低碱含量、选用低活性骨料、掺加抑制剂及改善施工环境等措施。未来期待发现更多有效控制方法和材料，推动混凝土工程技术发展。

参考文献

[1]董冰.粉煤灰对碱骨料反应的抑制试验研究[J].中国水能及电气化,2018,(06):50-52.

[2]孙延飞,李双喜,陆瑶,等.骨料碱活性检验及抑制碱骨料反应的试验研究[J].粉煤灰综合利用,2020,34(03):72-74+84.

[3]刘兴国,李涛,王冰.燧石粉对混凝土性能影响及碱骨料反应的抑制作用研究[J].混凝土,2020,(10):85-89.