混凝土碱含量测试方法研究综述

黄 姣，刘清波

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

引 言

混凝土工程广泛应用于基建项目，使用量大，是一种非常重要的材料。碱骨料反应是混凝土常见破坏形式之一，造成混凝土的开裂及整体破坏。由于碱骨料反应限制了混凝土原材料的使用，造成了大量材料的浪费和材料运输成本的增加。目前研究普遍表明，碱骨料发生的三个条件为：潮湿的环境、骨料具有碱活性、混凝土中碱含量达到一定限值。即在碱含量低于某一数值时，即使使用了具有碱含量活性的骨料，混凝土碱反应膨胀率随着碱含量的增加没有明显变化，混凝土结构仍然是安全的；而超过这一数值时，混凝土碱反应膨胀率随着碱含量增加而急剧增大[1]。同样，对于不同活性程度的骨料，其碱含量的安全限值也不一样。因此，准确地测试混凝土中碱含量，妥善利用碱活性骨料配制低碱混凝土，将是件意义重大的事。

1 混凝土的碱含量

混凝土碱含量分为总碱含量、有效碱和无效碱。目前，研究学者普遍认为[2]，参与碱骨料反应的仅是能溶于混凝土孔隙溶液中的那一部分液相碱，称为有效碱，也称可溶性碱，是以离子形式存在的；而结合C-S-H凝胶等存在于固相中的碱不参与碱骨料反应，称为无效碱。有效碱和无效碱共同组成混凝土总碱含量，即各组分的酸溶碱总和。只有有效碱与具有碱活性的骨料反应生成碱硅酸凝胶体，碱硅酸凝胶体吸水后体积膨胀，造成混凝土的破坏。要确保混凝土碱含量在安全限值内，主要是测定混凝土中的可溶性碱。目前，国内外学者对此进行了大量研究，主要采用的方法有水浸法、高压挤压法等。

2 混凝土有效碱含量测试方法

2.1 水溶出法

水溶出法也称水浸法，大部分学者主要参照ASTM C114-2007《Standard Test Methods for Chemical Analysis of Hydraulic Cement》进行试验或改进，GB/T 50784-2013《混凝土结构现场检测技术标准》6.4.3 节同样对混凝土可溶性碱含量的检测进行了规定，先破碎混凝土，剔除石子，研磨至全部通过0.080 mm 的方孔筛，用磁铁吸出样品中的金属铁屑，将样品置于105℃恒温干燥箱中烘干至恒重，取25.0 g 样品放入500 m 的锥形瓶中，加入300 mL 蒸馏水，用振荡器振荡3 h 或80℃水浴锅中用磁力搅拌器搅拌2 h，然后在弱真空条件下用布氏漏斗过滤，将滤液转移至500 mL的容量瓶中，加水至刻度，摇匀。用火焰光度计进行测定，测得检流计的读数。与此同时用蒸馏水做空白样品，扣除空白样品的检流计读数后，从工作曲线上查得K2O、Na2O 的毫克数。计算混凝土中的可溶性碱量。

水溶出法受不同混凝土组分和反应进程的影响，试验结果也具有不确定性。如王景贤[3]采用此方法测得的可溶性碱与计算有效碱基本一致；而沈家万等人[4]的研究则表明，溶出法测得的水溶性碱含量与配合比计算碱含量之间无明显相关性，为配合比计算碱含量的49%～62%。

2.2 高压挤压法

测定混凝土孔隙溶液化学成分的一种合适方法是直接提取在高压下挤压样品得到的孔隙溶液[5～6]。这种方法也称为萃取孔溶液法，被大量用在水泥膏体、砂浆和混凝土研究中[7～8]。

挤压法采用的设备分为加压系统和收集系统两部分，试验时，将试样固定在加压室的空心圆筒内，推动液压活塞逐渐加压到大约300 MPa 以上，混凝土孔隙溶液经离心过滤后用锥形烧瓶收集[9]。收集的溶液采用火焰光度法或原子吸收光谱法测定Na+、K+的浓度，采用硫酸溶液滴定来测定OH-浓度。

高压挤压法获得的溶液被认为是混凝土孔隙溶液的直接体现，获得了大量学者的认可。但对于老化的混凝土样本或部分干燥的岩心，高压挤压法只能得到少量的液体，没有足够的溶液可以用来分析。而普遍采取的解决方法是通过再润湿的方法使孔隙水重新达到平衡[10]。然而，这个过程可能导致错误的结果。干燥后再润湿的混凝土试样，高压挤压法提取的孔隙溶液碱含量降低；重复润湿-挤压过程，混凝土试件的碱含量减少量从34%降至61%[11]。故此种试验方法仅适用于短龄期、高水胶比的混凝土。

此外，挤压法需要复杂的设备，操作要求高，须特别仔细以尽量减少环境的影响。而且这个试验只能反映在相当短时间内的情况，因为没有可靠的技术加快水泥浆体水化过程，难以反映长期情况，也一定程度上阻碍了此方法的大量推广。

2.3 泰勒碱分配理论模型测定法

这是一种依据泰勒提出的碱分配理论[12]间接测定混凝土孔隙溶液碱含量的方法，这种方法可以预测混凝土孔隙溶液碱含量的长期发展，具有很重要的工程实际意义。碱分配理论认为混凝土中的碱一部分溶解于孔隙溶液中，一部分结合于水化产物中，通过测定结合于水化产物中的碱，就可以计算出溶解于孔隙溶液中的那一部分碱含量。一些学者建立了相关模型CEMHYD3D 计算水泥水化程度、水化产物中的碱含量和孔隙溶液中碱含量之间的关系[13～15]。首先通过试验建立水泥水化程度随时间的关系模型、不同水化程度水泥释放的碱含量关系模型、各个水化产物不同水化程度所吸附的碱含量关系模型，两者相减即孔隙溶液中碱含量，通过这个模型即可预测任意时间孔隙溶液中的碱含量。

但此种方法仍有很大的局限性，虽然该方法使用的模型是通过大量试验数据建立的，但要真实地反映混凝土中胶凝材料的水化程度以及生成水化产物吸附的碱含量仍有一定限制，模型发展不成熟，仍需大量的试验数据进行完善支撑。

2.4 其他方法

有学者采用改进ASTMC311 方法进行研究，其方法为取10 g 水泥和水泥掺和料的混合物，溶于10 mL水中，封存在一个加盖的瓶中，放置在温度为38℃条件下养护，在其7 d、28 d、84 d、168 d 和364 d 龄期时取出研磨溶解，测定碱的浓度。但此种方法不能完全代表混凝土的可溶性碱含量，仅在进行机理性研究和对比试验时简单易行，且测定结果比实际孔溶液中的碱含量偏高[16]。

还有研究者在混凝土表面钻一个小洞（直径5 mm，深25 mm），放入约0.4 mL 的中性水，用微pH 值传感器检测极限pH 值，用测得的pH 值与萃取孔溶液法测得的pH 值进行比较来表征混凝土的可溶性碱，称为原位置溶出法[17]。此法依赖萃取孔溶液法测得的pH 值，且试验过程中容易受碳化的影响。

3 结 语

目前这些方法都没有得到广泛的应用，主要是都具有其局限性。而为了安全、经济和科学地预防现代混凝土中碱骨料活性反应的危害，应针对混凝土实际测定碱含量与其配合比计算碱含量的对应关系开展系统研究。