王军民 北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司

 

    北京地区从出台《预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定（试行）》到制定《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》至今已经12年多时间，本文简要介绍了该技术规程的一些主要变化内容，总结了这几年在执行规程过程中存在的一些问题，提出了需要解决的几个主要问题，为今后规程的改版和进一步提高混凝土结构耐久性提供一些参考。

 

自从1940年Thomas E.STANTON发现了碱集料反应破坏以来，世界各国学者相继开展大量有关碱集料反应的研究工作，许多国家和地区制定了碱集料反应的检测方法和预防措施。北京市的有关科技人员在这方面也做了大量调查、研究工作，特别是针对七八十年代修建的几座立交桥造受破坏的调查研究。从大量调查研究结果来看，立交桥混凝土的破坏主要是几方面的原因：（1）开裂；（2）渗漏；（3）碳化；（4）钢筋锈蚀；（5）冻融和盐冻；（6）碱集料反应。大部分混凝土破坏都是多个因素综合作用的结果。特别是近几年融雪剂大面积使用，盐冻对混凝土的破坏显得更突出。

北京市于1999年10月第一次试行《预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定》。该规定在全国来讲也属首次。该规定的出台立即引起了设计、施工、业主、监理、监督都相关部门的重视，并认真付诸实行，对提高北京地区混凝土工程的安全性和寿命，起到不可忽视的重要作用。同时，该规定的出台也引起国内有关省市的关注，随后，天津、新疆等地相继派人来京技术交流，出台有关预防碱集料反应的规定。

经过5年的试行，针对北京地区的具体情况和出现的问题，科研人员又进行了相当数量的试验和调研，在具备更充分的科学数据基础上于2005年制订了《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》。本规程与99年的规定在内容上主要有如下变化：（1）制订了北京地区标准《快速砂浆棒法》，为判断集料碱硅酸反应活性的检测方法，取消了原规定中6个月的砂浆长度棒法；（2）根据北京地区及周边集料特性，将碱活性分成四类：非碱活性、低碱活性、碱活性和高碱活性；（3）矿物掺合料的抑制效应，规定了掺合料的最低掺量和复合掺合料的最低取代量计算方法。

总结这几年《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》实施情况和本人工作体会，认为目前北京地区在关于混凝土碱集料反应方面还存在以下几方面主要问题。

     碱集料反应的分类到目前主要是三类：碱硅酸反应、碱硅酸盐反应、碱碳酸盐反应，其中碱硅酸盐反应实际上是一种慢膨胀型碱硅酸反应。简单的定义如下：碱硅酸反应是指混凝土中的碱与集料中含活性二氧化硅类矿物之间的一种化学反应，反应生成物碱硅凝胶吸水膨胀可导致混凝土结构损坏；碱碳酸盐反应：混凝土集料中，某些泥质白云质微晶灰岩或泥质白云岩，遇碱发生去白云化反应，反应生成物为水镁石、碳酸钙和碳酸碱，其中水镁石在有限空间内晶格重新排列可导致混凝土结构损坏。

     1940年Thomas E.STANTON发现的碱集料反应就是碱硅酸反应，是迄今对工程损坏最多、分布最广、研究最多的一种碱集料反应类型。北京及周边地区目前还没有发现有碱碳酸盐反应活性的岩石，所以在规程中的碱集料反应是指碱硅酸反应。

在GB/T14684、GB/T14685标准中集料碱活性检测方法分为三类：碱--硅酸反应、快速碱--硅酸反应和碱—碳酸盐反应。JGJ52-2006标准中集料碱活性检测方法也分为三类：快速法、砂浆长度棒法和岩石柱法。两个标准中碱--硅酸反应和砂浆长度棒法内容一样可以简称砂浆长度棒法，快速碱--硅酸反应和快速法内容一样可以简称快速法，砂浆长度棒法和快速法都适用于碱硅酸反应检测；碱—碳酸盐反应和岩石柱法一样可简称岩石柱法，适用于检测碳酸盐岩石的碱活性。

根据砂浆长度棒法的膨胀率结果可分成两类：当砂浆6个月膨胀率小于0.10%或3个月的膨胀率小于0.05%（只有在缺少6个月膨胀率时才有效）时，判为无潜在危害；否则应判为有潜在危害。在1999年10月北京市试行《预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定》中采用本方法对集料碱活性进行分类，但在实际执行过程中，由于试验周期太长，无法满足工程的要求，后来基本上无法执行。

根据国标、行标快速法的膨胀率结果可分成三类：当14天膨胀率小于0.10%时，可判定为无潜在危害；当14天膨胀率大于0.20%时，可判定为有潜在危害；当14天膨胀率在0.10%~0.20%之间时，不能直接判定，要按照砂浆长度棒法的结果判定。从实际检测的结果来看，14天膨胀率介于0.10%~0.20%之间的比例很高，没法直接判定。

DBJ01-95-2005《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》中集料碱活性检测方法只有一种，即适用于北京地区混凝土工程用集料的碱硅酸反应活性检测的快速砂浆棒法，该方法首次统一了检测用水泥为基准水泥。根据检测结果集料的碱活性分为四类：14天膨胀率小于0.04%为非碱活性集料；膨胀率在0.04%~0.10%之间的为低碱活性集料；膨胀率在0.10%~0.20%之间的为碱活性集料；膨胀率大于0.20%的为高碱活性集料。由于标准砂被公认为非活性集料，而其14天快速砂浆棒法的膨胀率在0.02%~0.04%之间，所以在小于0.10%以下分成两类，小于0.04%为非碱活性，介于0.04~0.10%为低碱活性，而国标将小于0.10%以下的全叫非碱活性。我们认为这样的分类更科学、安全。

由上可见，不同的标准所采用的方法和判定也不同。北京市制订的检测方法首先统一了对结果有显著影响的水泥，统计了北京市三家权威检测所提供的近些年供应北京地区的砂石集料碱活性的检测结果，完善了国标存在的盲区。

碱含量（或碱量）是指材料中K₂O、Na₂O的总称，以等当量Na₂O计可表示为Na₂O_eq=Na₂O+0.658×K₂O。混凝土碱含量是指在胶凝材料水化过程中，水泥、矿物掺合料、骨料、外加剂和拌合水游离出的碱量。一般国际公认为，水泥、外加剂、骨料、水中的碱含量100%可游离出来，矿物掺合料随种类的不同可游离出的碱量也不一样，即使是同一种掺合料,由于矿物组成、结构等不同，实际可游离出的碱量也不同。一般公认的比例如下：水泥：100%；粉煤灰：15%（1/6）；矿渣：50%；硅灰：50%；沸石粉：100%

水泥的碱含量实际是纯水泥熟料、石膏、混合材等组分中的碱构成，实际水泥水化游离出的碱量要低于水泥碱含量，但目前实际使用的就是水泥碱含量（100%）。这样计算的碱量偏高。

    目前，公认的比较可信的骨料碱活性检测方法是砂浆棒法，而影响检测结果的主要因素有：骨料的来源、粒径、级配、水泥的体积稳定性、水泥碱含量、试件尺寸、养护介质浓度、养护温度等等。各国学者对这些因素进行过细致的研究，也提出了不同的检测方法。

当大家将这些影响因素约定俗称后，基本上认为检测的结果可以很好的反映骨料的碱活性。经过多年的试验研究，本人认为，还有一个因素对结果影响显著，取样的方式，或者叫样品的代表性（匀质性）。从化学成分角度非常容易理解，骨料中活性矿物组成的高低直接影响骨料活性的高低，骨料成分由于分布非常不均匀，直接导致同一料场不同部位的检测结果有显著差异（对于有活性的骨料而言）。如何能正确反映骨料所代表料源或堆场骨料的碱活性就显得非常重要。在料场取样的方法就决定了检测结果的代表性。

另外，在快速砂浆棒法中，水泥的碱含量对结果有何影响，还需要进一步详细研究。

发生碱集料反应的三个必备条件是：水、碱、活性集料，所以预防措施主要也是围绕这三方面。我们国家除了大型水利工程（大坝、核电站）、特大立交桥混凝土碱含量指标小于3kg/m³，其它工程一般控制3kg/m³。国外有控制1.8、2.0、2.5、3.5kg/m³等，主要依据集料的性质和工程性质决定碱含量的限值。

在北京市出台的《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》（DBJ01-95-2005）中，首先按混凝土结构工程所处环境分为三类。本规程规定，I类工程可不采取预防碱集料反应措施，但混凝土结构外露部分需采取有效防水措施。II类工程，不得采用高碱活性集料配制混凝土，当采用低碱活性集料配制混凝土时，混凝土碱含量控制在3kg/m³以内，或混凝土碱含量控制在5kg/m³以内，同时采取掺加矿物掺合料抑制措施；当用碱活性集料配制混凝土时，混凝土碱含量应控制在3kg/m³以内，并应同时采取掺加矿物掺合料抑制措施。III类工程除采取II类工程的措施外，还要采取混凝土隔离措施，防止环境中盐碱渗入混凝土结构，否则必须使用非碱活性集料或用低碱活性集料，并控制混凝土碱含量在3 kg/m³以内，同时采取掺加矿物掺合料抑制措施。此处讲到的矿物掺合料抑制措施是指粉煤灰或沸石粉需取代水泥20%以上，或高炉矿渣粉取代水泥50%以上，或硅灰取代水泥10%以上。课题小组做过大量试验，掺合料必须在一定掺量以上才具有抑制效果，掺量低时，反而加剧膨胀。由于掺合料的组分不同，需要的最低掺加量也不相同。

   当前，工程有预防碱集料反应要求时，工程中设计技术文件要求混凝土碱含量不超过3kg/m³，集料采用非活性集料，很少能看到有其它更科学、合理、经济的预防措施。在施工开始前，监理一般会对混凝土碱含量进行确认，集料的碱活性要求就不太严格，很少进行原材料复验。对于预防碱集料反应既经济、又有效的在混凝土中掺加一定量的矿物掺合料抑制措施很少提及。

 

    北京市按现在每年5000万立方米混凝土用量，每年消耗砂石约8500万吨。目前，由于过度的开采砂石，已经对北京的大气、水体、土壤、植被、自然景观、公共设施等方面造成了严重的危害，对环境及社会发展的影响是不容忽视的。北京市政府1999年提出了第七阶段控制大气污染的整治措施，要求停止砂石开采，2001年底又发出通知，要求2003年底逐步关停北京市范围内的现有砂石场。现在北京市已经完全关闭了对天然砂石的开采，进而鼓励发展尾矿、人工砂和混凝土再生骨料的开发利用。为满足北京城市建设用砂石的需要，北京市更是大量使用周边地区河北涿州、三河、怀来、涞水、易县、滦平等地的砂石材料，这些外地砂石材料的碱活性目前还没有充分掌握。

    DBJ01-95-2005《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》中制定了适用于检测砂石碱硅酸反应活性的检测方法----快速砂浆棒法（试验周期16天），代替了原来管理规定中采用的砂浆长度棒法（6个月试验周期）。经过多年调查研究，北京地区迄今尚未发现碱碳酸盐反应活性集料，但随着北京地区料源的逐渐关闭，周边河北地区已成为北京砂石的主要生产地。一方面要加快对周边地区砂石的调研，另一方面要研究适用碱碳酸盐反应活性的快速检测方法及预防措施。

    宣贯对标准的执行作用非常大。1999年北京市出台《预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定》（试行），宣贯班办了十几期，而且每期学员人数都爆满，外省市也有学员参加，学员来自研究、设计、业主、施工、监理、监督检验等相关部门。尤其设计单位对该规定非常重视，派专人学习后又专门请标准编写人员到本单位宣讲。当时在北京市混凝土界刮起了一股“碱集料反应”旋风。原管理规定中集料的检测方法周期太长，不能满足实际工程的需要，对管理规定的执行造成了一定难度，修编小组在2005年版的预防规程中及时进行了修订。2005版的规程相比1999年的管理规定内容变化较大，但没有进行宣贯，造成对规程知道的人很少，大多数掌握的还是99年的内容。

1、北京市《预防混凝土结构工程碱集料反应规程》（2005年）是在1999年试行的《预防混凝土工程碱集料反应技术管理规定》的基础上，结合期间的一些研究结果和发现存在的一些问题制定的。该规程制定的快速砂浆棒法将原来6个月的试验周期缩短至16天，对集料碱活性的分类更加严格，对矿物掺合料预防抑制措施做了详细规定。

2、05版的规程较99年的管理规定内容变化较大，应进行宣贯，有利于很好的执行。

3、随着北京市砂石资源的不断变化，要及时进行北京周边产地调研，收集资料，掌握集料碱活性分布状况，对规程进行相应的调整。

4、在混凝土中掺加一定量的矿物掺合料是既经济、环保、节能降耗又非常有效的预防碱硅酸反应抑制措施，应大力推广此技术。

 

 

文献：

1、刘崇熙，文梓芸著     混凝土碱-骨料反应，华南理工大学出版社1995。

2、王媛俐，姚燕 主编   重点工程混凝土耐久性的研究于工程应用 中国建材工业出版社2000

3、国内外碱-集料反应试验方法和标准汇编   中国建筑材料科学研究院 1999   

4、预防混凝土结构工程碱集料反应规程     DBJ01-95-2005

5、FU Pei-xing Liu Yan Wang Jun-min ALKALI REACTIVITY OF AGGREGATES AND AAR-AFFECTED CONCRETE STRUCTURES IN BEIJING Proceedings of the 12^th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete .2004