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關(guān)于混凝土安全堿含量問題

文檔作者：張承志周仲平王愛勤文檔來源： 1．河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 2．甘肅省建材國有資產(chǎn)經(jīng)營有限公司 3．北京嘉華高強混凝土有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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2004年第5期
10月
混凝土與水泥制品
CHINA CO CRE IE AND CEMENT PRODUCTS
2004 No5
October
關(guān)于混凝土安全堿含量問題
張承志 ，周仲平 ，王愛勤
(1．河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，開封475001；2．甘肅省建材國有資產(chǎn)經(jīng)營有限公司，蘭州730000；
3．北京嘉華高強混凝土有限公司，100103)
摘要：控制混凝土堿含量是防止堿集料反應(yīng)的一個重要措施，但它也是制約混凝土原材料選擇和配合比設(shè)計的重要因素及
在實際工程中難以決策的一個重要問題。只有科學(xué)地控制混凝土的堿含量，才能既保證混凝土建筑物的安全性，又有效地利用資
源。本文分析了國內(nèi)外在混凝土工程中控制堿含量的現(xiàn)狀及發(fā)展趨向，在總結(jié)大量研究成果及一些試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了對控
制混凝土堿含量的一些看法。
關(guān)鍵詞：混凝土堿含量；堿集料反應(yīng)；安全性
Abstract：Controlling the alkali content in concrete is an important measure for preventing alkali—aggregate reaction．However，it also
becomes an important factor in restraining the selection of raw materials and the design of concrete proportion，an d so becomes an impo rtant
problem being difficult to make a strategic decision．Only the alkali content of concrete is controled scientifically，it is possible that both the safety
of concrete buildingsis ensuredand naturalresourceis utilized efectively．Inthe paper，the current situationandtrend of controllingthe alkali
content in concrete projects is analyzed．Besed on a large quantity of research results，some ideas in controlling the alkali content of concrete are
put forward．
Key words：Alkali content of concrete；Alkali—aggregate reaction；Safety
中圖分類號："1"0528 文獻標識碼：A 文章編號：1O03 —4637(2OO4)05—03—04
0 引言
隨著人們對堿集料反應(yīng)問題認識的提高，混凝土
中的堿含量日益受到人們的重視。這對避免堿集料反
應(yīng)給我們的建設(shè)事業(yè)帶來不應(yīng)有的慘重損失起到了
十分重要的作用。
誠然，控制混凝土堿含量是要付出代價的。低堿
水泥的生產(chǎn)對原材料有較高的要求。一些堿含量較高
的礦山資源將不得不受到限制 水泥生產(chǎn)過程中排出
的窯灰也不得不被限制使用。這一方面帶來了資源的
浪費，另一方面由于窯灰的排放造成了新的環(huán)境污
染。因而，不符合我國可持續(xù)發(fā)展的國策。
但是，從長遠利益考慮，對于一些重要工程和一
些大型工程，堿集料反應(yīng)不可不防。否則將會給子孫
后代留下嚴重的后患。這同樣也是不符合可持續(xù)發(fā)展
國策的。如何既最大限度地利用資源，又不留下后
患?這就需要依靠科學(xué)技術(shù)，在對堿集料反應(yīng)問題更
深刻認識的基礎(chǔ)上科學(xué)地把握混凝土的堿含量。然
而，對于這一問題，在一些工程技術(shù)人員的認識上存
在著一些誤區(qū)。為此，本文將對這一問題進行一些分
析。
1 我國目前的研究與對控制混凝土安全堿含量認識
的現(xiàn)狀
1993年，我國就提出了《混凝土堿含量限值標準》
CECS53：93。這一標準規(guī)定：“在集料具有堿一硅反應(yīng)活
性時，依據(jù)混凝土所處的環(huán)境條件對不同的工程結(jié)構(gòu)
分別采取表1中的堿含量限值或措施”。
表1 混凝土堿含量的限值
混凝土最大堿含~／(kg／rr?)
環(huán)境條件— —
一般工程結(jié)構(gòu) 重要工程結(jié)構(gòu) 特殊工程結(jié)構(gòu)
在CECS104：99《高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)
定：“為防止破壞性堿集料反應(yīng)，當結(jié)構(gòu)處于潮濕環(huán)境
且集料有堿活性時，每立方米混凝土拌合物(包括外加
劑)的含堿總量(Na20+0．658K20)不宜大于3kg，超過
時應(yīng)采取抑制措施”。
這些規(guī)定表明，我國早就認識到控制混凝土堿含
量的重要意義。這些標準的出臺，無疑對預(yù)防堿集料反
應(yīng)的發(fā)生起到了積極的作用。但是，由于種種原因，特
別是由于人們對堿集料反應(yīng)缺乏足夠的知識，對這些
規(guī)定缺乏清楚的認識，使之產(chǎn)生一些負面影響。這種負
面影響主要表現(xiàn)在兩個方面：(1)按照這兩個文件，在
通常情況下，混凝土的堿含量需控制在3．0kg／m3(以當
量Na20計)以下。因此，一些工程技術(shù)人員把3．Okg／m3
的堿含量看成是堿集料反應(yīng)的安全線，認為只要混凝
3
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2004年第5期 混凝土與水泥制品 總第139期
土的堿含量低于3．0kg／ 就絕對安全了。事實上，一
些工程對控制混凝土的堿含量低于3．0kg／ 是很容
易做到的，但這些工程并不一定不發(fā)生堿集料反應(yīng)：
例如，大壩混凝土。大壩混凝土的膠凝材料用量大約
為160kg／~ l】】，一般不超過200kg／m3，按膠凝材料堿含
量為1％計算，同時考慮摻0．8％的超塑化劑，并按堿
含量為20％計算，則混凝土的堿含量也只有2．32 ／
。盡管如此，仍然發(fā)現(xiàn)了大壩因堿集料反應(yīng)破壞的實
例。(2)混凝土堿含量的限制將可能引起對原材料的
限制或?qū)炷僚浜媳鹊南拗?，使得一些資源的利用
受到限制。例如大流動度高強混凝土。這種混凝土的
膠凝材料用量一般都在450kg／m3以上，甚至超過
500kg／m3，而且都摻有相當數(shù)量的超塑化劑。如果膠凝
材料堿含量按0．6％ ，超塑化劑堿含量按10％且摻量
按0．7％考慮的話，即便膠凝材料用量為450kg／m3，混
凝土的堿含量也超過了3．0kg／m3，因而不得不采用低
堿水泥。當然，也可能通過摻入混合材的方法來抑制
堿集料反應(yīng)，但混合材必須有足夠的摻量，而較高的
混合材摻量有可能導(dǎo)致混凝土性能的降低。為了滿足
混凝土性能的要求，一些工程技術(shù)人員則隨意放寬了
混凝土的堿含量限值，甚至根本不控制混凝土的堿含
量。
由于這些問題的存在，人們自然會提出3．0kg／
堿含量是否一定安全?如果不安全，混凝土堿含量應(yīng)
控制在什么水平才是安全的?混凝土堿含量必須要控
制在3．0kg／~ 以下嗎?可以放寬否?這些問題一直困
擾著工程界，幾乎成為每一個重大混凝土工程都要反
復(fù)討論而又難以決策的老問題。
2 國際上的一些研究動態(tài)
盡管目前在堿集料反應(yīng)膨脹取決于單位體積混
凝土內(nèi)的堿含量而不是取決于水泥中的堿含量這一
點已取得了一致的認識，但對于混凝土安全堿含量問
題，國際上仍是有爭議的。英國認為混凝土的堿含量
控制在3．0kg／m3以下是安全的。新西蘭提出混凝土的
堿含量低于3．5kg／m3是安全的。南非則認為混凝土的
堿含量必須低于2．1kg／m3才是無害的。甚至有資料談
到混凝土的堿含量要超過5．0kg／m3才是有害的。從這
些資料可以看出兩個問題：(1)如果使用活性集料，混
凝土的堿含量必須有所控制。對于這一點，認識基本
上是統(tǒng)一的。(2)上述的混凝土堿含量控制指標是各
國在用本國集料進行研究的基礎(chǔ)上提出來的。控制指
標的差別反映了各國集料的差別。
2003年4月，國際材料與結(jié)構(gòu)研究試驗聯(lián)合會
(RILEM)提出了“減少混凝土中堿反應(yīng)的國際標準草
案”l2】。在這一草案中，對于不同活性的集料提出了不
4
同的堿含量限制指標。對于低活性集料(相應(yīng)于非活性
集料)，沒有對混凝土堿含量的限度提出要求；對于中
等活性集料(堿臨界值大于5．0kg／m3當量Na 0)，混凝
土堿含量的限度為3．0kg／m3或3．5kg／m3 Na20 ；對于
高活性集料，混凝土堿含量的限度應(yīng)低于2．5kg／m3
Na2 。混凝土堿含量限度的控制原則是比試驗室測定
的集料堿臨界值少2．0kg／m3 Na2 。從這一控制原則
來看，國際上已經(jīng)認識到集料的差異，改變了用一個指
標簡單的控制混凝土堿含量的做法，而是把混凝土堿
含量的限度與集料的性能結(jié)合起來。這是一個十分重
要的發(fā)展趨勢。
3 一些重要的研究結(jié)果
3．1關(guān)于混凝土堿含量限值的試驗結(jié)果
2(】世紀90年代初，日本水泥協(xié)會混凝土專門委員
會曾經(jīng)對堿集料反應(yīng)膨脹與混凝土堿含量的關(guān)系進行
了大量的研究0 。試驗采用了六種集料配成混凝土，每
組混凝土試塊堿含量不同，放在室外暴露養(yǎng)護。試件膨
脹與不膨脹分界點的堿含量值列于表2。從表中可以
看出，最小限值為4．2kg／m3，最大限值為8．5kg／~，差
別達4．3kg／m3，翻了一番。
表2 室外暴露混凝土中總堿量的限值
(13本水泥協(xié)會混凝土專門委員會研究結(jié)果) kg／nl
表3給出Rogers對加拿大慢膨脹活性集料的研究
結(jié)果0 ?；炷了蒙叭珵榉腔钚陨?。研究結(jié)果表明，
混凝土的堿含量對堿集料反應(yīng)膨脹有相當顯著的影
響。如果以膨脹率為0．04％作為界線的話，從這些試
驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的集料，混凝土堿含量的限
值也是有很大差異的。對于羅克工程和圭爾夫的集料，
即便堿含量超過9kg／ ，混凝土棱柱體的膨脹率仍然
小于0．04％ 。也就是說，這些集料的混凝土堿含量限
值大于9kg／m3。圭爾夫集料的混凝土堿含量限值可以
超過12．4kg／m3。普爾一里奇和雷恩博采石場的集料在
堿含量為9kg／m3左右時?；炷晾庵w的膨脹率大約
0．04％ 。這些集料的混凝土堿含量限值大約為9kg／
m3。而對于亞當斯一邁恩、斯普林希爾、斯普雷茲及博
斯維爾的集料。當堿含量為5kg／m3左右時，混凝土棱
柱體的膨脹率遠超過了0．04％。這些集料的混凝土堿
含量限值應(yīng)低于5kg／m3，甚至可能低于3．0kg／m3。
從這些結(jié)果看。不同集料的混凝土堿含量限值是
不同的。而且差別非常大。由此看來，混凝土堿含量的
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張承志，周仲平，王愛勤 關(guān)于混凝土安全堿含量問題
表3 Rogers對加拿大慢膨脹活性集料的研究結(jié)果
限值是集料特性的反映。并非是有一個確定的混凝土
堿含量限值，而是對于不同的集料應(yīng)該有不同的混凝
土堿含量限值。RILEM最近的提案正出于這一考慮。
3．2 關(guān)于混凝土膨脹率與配合比關(guān)系的試驗結(jié)果
RILEM 的提案中混凝土堿含量限度是以集料的
堿臨界值為依據(jù)的，而集料的堿臨界值則是依據(jù)CSA
A23．2—14A方法的試驗結(jié)果。在這一方法中，混凝土
中的水泥用量固定為420kg／~。然而，作者在研究水工
大體積混凝土的堿集料反應(yīng)問題時發(fā)現(xiàn)，混凝土的膨
脹率與混凝土的水泥用量也有密切的關(guān)系。表4給出
了試驗結(jié)果。試驗時，混凝土的堿含量固定為6kg／~，
水灰比為0．6。試驗結(jié)果表明，在堿含量相同的條件
下，混凝土的膨脹率隨水泥用量的減少而增加。換句
話說，當水泥用量少于420kg／ 時，混凝土的膨脹將
增大，相應(yīng)的混凝土堿含量限度將減小。
表4 固定堿含量時不同水泥用量的混凝土膨脹率 ％
這些試驗結(jié)果告訴我們，科學(xué)地控制混凝土堿含
量是一個非常復(fù)雜的問題，這就是在一些實際工程中
對于混凝土堿含量控制指標難以決策的問題之所在，
也是合理利用集料資源的關(guān)鍵之所在。
4 對于控制混凝土安全堿含量的一些看法
從國內(nèi)外研究動態(tài)和一些研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混
凝土堿含量不應(yīng)該是混凝土的特征表現(xiàn)，而是更接近
于集料的特征表現(xiàn)。更明確地說，并不是混凝土的堿含
量低于某一數(shù)值就安全了，而是對于某一集料，只要控
制混凝土的堿含量不超過某一數(shù)值就安全了。長期以
來，相當數(shù)量的工程師們，甚至包括一些研究者，把混
凝土的堿含量限值理解為混凝土的特征表現(xiàn)，希望能
給出一個能保證不發(fā)生堿集料反應(yīng)的混凝土堿含量限
值，在所有的工程中都嚴格地以這一限值來控制。事實
上，統(tǒng)一的混凝土堿含量限值是沒有的。對于某一特定
的集料有它特定的堿含量限值，暫且稱它為集料的特
征堿含量。從這一角度去理解，可以發(fā)現(xiàn)對于混凝土堿
含量問題的困惑和茫然，其原因就在于對混凝土堿含
量認識上的偏差。英國、新西蘭等一些國家，由于地域
較小，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對簡單，集料的特征堿含量值差別較
小。因此，可以在集料堿活性普查的基礎(chǔ)上給出混凝土
堿含量限值。中國幅員遼闊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，可以
說什么樣的集料都有。因此，不可能找到一個確定的混
凝土堿含量限值。
既然混凝土堿含量限值，或日特征堿含量，是集料
的特征表現(xiàn)，就應(yīng)該成為集料的評定內(nèi)容。然而，正如
Grattan—Bellew博士1989年在第八屆混凝土中的堿集
料反應(yīng)國際會議上歸納和評價集料堿活性評定方法時
指出的：“現(xiàn)有的這些方法只能鑒別集料中是否含有活
性組分，是否含有發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性，而不能斷
定在實際工程中會不會發(fā)生反應(yīng)以及反應(yīng)的破壞程度
如何”。由此看來，集料的堿活性與集料的可用性是兩
個完全不同的概念。集料的堿活性是指集料與堿反應(yīng)
的能力，而集料的可用性則是集料對環(huán)境條件的適應(yīng)
性。人們通常較多地注意集料堿活性的評定與研究，很
少注意到集料可用性的評定和研究。這不能不說是我
們研究工作的一個疏忽。只有對集料的可用性做出科
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學(xué)的評定，才算是掌握了集料的特性，才能既保證混
凝土建筑物的安全又充分地利用自然資源。
誠然，科學(xué)地評定集料的可用性并非是一件容易
的事，需要開展大量的研究工作。RILEM在“減少混凝
土中堿反應(yīng)的國際標準草案” 中提出用CSA A23．2—
14A混凝土棱柱體方法確定混凝土堿含量臨界值，且
不說這一方法需要較長的試驗周期，僅從表4的試驗
結(jié)果就可以看出這一方法具有一定的局限性。在這一
方法中水泥用量為420kg／m]，這與普通混凝土的情況
較接近。因此，用這一方法確定的混凝土堿含量臨界
值對于普通混凝土來說或許是適合的。但是，對于水
工大體積混凝土就不一定適合了。根據(jù)統(tǒng)計資料，我
國常態(tài)大壩混凝土的膠凝材料用量為161kg／m]，僅為
CSA A23．2—14A方法中水泥用的的38．33％ 。從表4
的試驗結(jié)果可知，在相同集料、相同堿含量情況下，水
工大體積混凝土的膨脹率要比CSA A23．2—14A方法
測得的結(jié)果大得多。因此，對于同一種集料，水工大體
積混凝土應(yīng)該具有更低的臨界堿含量值。這表明以
CSA A23．2—14A方法測定的結(jié)果來控制水工大體積
混凝土的堿含量是不安全的。對于高強混凝土，膠凝
材料通常遠大于420kg／m~，甚至可能接近600kg／m3。顯
然，混凝土的實際膨脹率將低于用CSA A23．2—14A
方法測得的結(jié)果。因此，它的臨界堿含量也將可以高
于用CSA A23．2—14A方法測定的結(jié)果。
盡管臨界堿含量受混凝土的配合比等因素影響，
但并非是說混凝土的堿含量不可控制。這需要在大量
研究工作的基礎(chǔ)上，掌握規(guī)律，找出相應(yīng)的對策。例
如，對于水泥用量的影響，可采取兩種方法處理。一種
方法是各部門根據(jù)各自的特點制定相應(yīng)的試驗方法，
確定集料的臨界堿含量。例如：普通混凝土的集料臨
界堿含量試驗方法、高強混凝土的集料臨界堿含量試
驗方法、碾壓混凝土的集料臨界堿含量試驗方法等
等。另一種方法是采用固定的試驗方法，然后，對于一
些影響因素，用修正系數(shù)的方法進行修正。例如：對于
水泥用量的修正，作者曾進行了一些研究。研究結(jié)果
表明， 當集料的彈性模量為硬化水泥石彈性模量的2
倍時，每增加100kg水泥，混凝土膨脹率減小13．5％ 。
對于普通混凝土，可按每增加100kg水泥，凝土膨脹率
減小10％考慮。也就是說，對于普通混凝土，每增加
100kg水泥，混凝土膨脹率乘0．9的系數(shù)；每減少100kg
水泥，混凝土膨脹率除上0．9的系數(shù)。當然，這僅僅是
一個初步的結(jié)果。對此可以開展更全面的研究，在大
量研究工作的基礎(chǔ)上統(tǒng)計出一個更精確可靠的系
數(shù)。對于其它的影響因素，也可以采取類似的方法。
5 結(jié)束語
6
堿集料反應(yīng)給混凝土工程帶來的危害是眾所周知
的，控制混凝土堿含量是防止堿集料反應(yīng)的有效措施
之一。因此，為了有效地避免堿集料反應(yīng)的危害，混凝
土堿含量不能不有所控制。
但是，不科學(xué)地控制混凝土的堿含量，有可能造成
資源的浪費，或者給混凝土配合比設(shè)計帶來困難。因
此，在混凝土堿含量的控制上必須強調(diào)科學(xué)性。沒有根
據(jù)地“從嚴控制混凝土的堿含量”的做法是不可取的。
為了既有效地預(yù)防堿集料反應(yīng)又最大限度地利用
資源，深入地開展集料可用性的研究，并在此基礎(chǔ)上建
立集料安全使用的條件和方法是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略
所急需解決的一個重要問題。資源的枯竭、混凝土各種
病害的出現(xiàn)時時刻刻在提醒我們、警告我們：必須迅速
地解決這些問題，否則，將要付出沉重的代價!
參考文獻
[11王愛勤，張承志．水工混凝土的堿骨料反應(yīng)問題．水利學(xué)報．
2oo3(2)
[21 RILEM／TC，Draft International Specification to Minimise Damage from
Alkali Reaction in Concrete：Part 1 Alkali Silica Reaction．14th April，2003
【3】唐明述，韓蘇芬．混凝土堿含量過高將導(dǎo)致嚴重堿骨料反應(yīng)．
混凝土．1991(5)
收稿日期：2OO4—07—12
作者簡介：張承志(1957一)，男，工學(xué)博士，教授。
通訊地址：開封市明倫街85號
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