关键词：水泥混凝土；碱骨料反应；反应机理；检验方法；控制措施

　　引言

　　混凝土的耐久性是目前混凝土界越来越多的讨论话题。混凝土的碳化、钢筋锈蚀，氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀、冰冻破坏、碱骨料反应以及人为因素等等都能给混凝土造成破坏。其中碱骨料反应所造成的破坏最为严重，是影响混凝土耐久性的一个重要方面。曾有过混凝土碱骨料反应严重的工程(见图1)，造成的经济损失难以估计。关于碱骨料反应的文章也越来越多地见诸混凝土的相关杂志中，仁者见仁，各有侧重。为更好地了解碱骨料反应，作者依据自己的工作经验作以下阐述。

　　1 碱骨料反应的分类和反应机理

　　碱骨料反应指水泥混凝土中碱与水泥混凝土中某些活性骨料发生化学反应，引起混凝土膨胀开裂甚至破坏；含有碱活性的矿物骨料称为碱活性骨料，又称为碱骨料。碱骨料反应根据其反应的机理不同大致可分为以下几种类型。

　　1.1 碱硅酸反应

　　水泥中的碱与骨料中的活性SiO₂成分反应生成碱的硅酸盐凝胶(碱-硅凝胶)，吸水膨胀，引起混凝土膨胀开裂，主要反应如下：

　　Na₂O+H₂O——2NaOH

　　K₂O+H₂O——2KOH

　　2NaOH+SiO₂——Na₂O*SiO₂+H₂O

　　这种反应使混凝土体积膨胀3~4倍，引起混凝土内部膨胀应力，使混凝土开裂。骨料中能与碱发生反应的氧化硅矿物有：蛋白石、玉髓、玛瑙、磷石英、方石英、火山玻璃、结构有欠缺的石英，以及微晶、隐晶石英等。由于这些活性矿物存在于多种岩石中，因而碱骨料反应绝大多数都属于碱硅酸反应。

　　1.2 碱-硅酸盐的反应

　　此类碱骨料反应是指水泥内的碱与某些层状硅酸盐集料相互作用，体积膨胀使层间距由10A增到12A，集料体积发生异常膨胀，导致混凝土开裂。由于岩石结构的因素，膨胀发展十分缓慢，一般难以发现，然而正是这种难以发现的膨胀导致了混凝土的开裂。研究证明：a)能形成膨胀的岩石是粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；b)碱硅酸盐反应膨胀的过程要比碱-硅酸的反应的过程缓慢的多；c)在碱硅酸盐反应的骨料中，能形成反应环的颗粒是非常少的，同时膨胀反应过程中所形成碱硅胶的量非常少。

　　1.3 碱-碳酸盐的反应

　　碱碳酸盐反应的机理不同于碱硅酸和碱-硅酸盐两种反应，其机理是：混凝土中水泥的碱与泥质石灰石、白云石之间发生反应。由于石灰石、白云石的黏土和方解石含量较高，白云石颗粒细小，被黏土和方解石颗粒包围，碱通过黏土渗人白云石颗粒中，与其中的MgCO₃反应生成Mg(OH)₂晶体，晶体排列的压力和黏土吸水膨胀力，使混凝土发生开裂破坏。这种原地化学反应造成混凝土的开裂主要以网状裂纹为主。其化学反应为：

　　CaCO₃*MgCO₃+2NaOH——Mg(OH)₂+CaCO₃+Na₂CO₃

　　1.4 其他碱骨料反应

　　除上述三种碱骨料反应外，还有高硅质砂砾石骨料在砂浆或混凝土中引起地图状的开裂；含粘土较多的水成岩由于碱硅酸反应引起粘土矿物剥落等都属于碱骨料反应。

　　2 水泥混凝土碱骨料反应条件和症状

　　上述混凝土碱骨料反应机理各不相同。发生碱骨料反应的条件都是三个：首先，混凝土的原材料中水泥、混合材、外加剂和水的含碱量较高；其次，骨料中有相当数量的活性成分；最后是充足的水分或潮湿的空气，即潮湿环境。

　　从一定意义上讲，用一定活性的骨料配制的混凝土，碱骨料反应造成的膨胀随水泥的碱含量增加而增大；在水泥碱含量低于0.6%的时候，可以认为不发生碱骨料反应；但是由于骨料反应的活性不同，在水泥碱含量低于0.4%的时候也有可能发生碱骨料反应且膨胀量很大的情况。目前世界上大多数国家已经认定碱量低于0.6%的水泥为低碱水泥；事实表明：对于一定含碱量的水泥，活性骨料的颗粒越小，其膨胀量越大。但是，当活性二氧化硅含量超过一定范围后，情况就相反了。试验证明，混凝土掺和料、外加剂、水以及水泥中的碱都能导致水泥混凝土的碱骨料反应。

　　外观上看碱骨料反应症状：a)在缺少钢筋约束的部位，表现为网状、地图状的开裂；b)在受钢筋约束的部位，多表现为沿着主筋方向开裂，即顺筋开裂；c)裂缝处可见凝胶状溢出物。在潮湿的部位碱骨料反应更为明显。

　　3 碱骨料反应的测试方法

　　骨料的碱活性是混凝土发生碱骨料反应的必要条件。骨料碱活性的测试方法，铁道部、建设部、交通部以及水工混凝土的规范都有所规定，但是大同小异。检测骨料碱活性的方法主要有：岩相法、化学法、砂浆长度法、砂浆棒法、岩石柱法以及混凝土棱柱法等。每种方法适用范围和针对性不同。

　　3.1 岩相法

　　岩相法基于光性矿物学，将矿物骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下分析、鉴定矿物的成分和含量，以及矿物的结晶程度和结构。如果在显微镜分辨有一定的困难，还可借助扫描电镜、X-衍射分析、差热分析以及红外光谱分析等手段。如鉴定不含有碱活性的岩石或矿物，可以判为非活性；如鉴定含有活性的矿物成分，则必须用其他试验方法来进一步验证。岩相法是判定骨料中是否含有碱活性矿物最基本的方法。但是含有碱活性的骨料在混凝土中引起的破坏，只能定性判定破坏程度，而不能定量地评估破坏程度大小。

　　3.2 化学法

　　化学法是鉴定骨料与碱发生化学反应的能力，由于反应迅速，所需时间短，适用于评价高活性的骨料；但是由于某些矿物(碳酸盐等)的干扰，试验的结果会有很大的偏差，特别是对缓慢反应的骨料或活性微弱的骨料，往往会得到非碱活性的错误结论。

　　3.3 砂浆长度法

　　砂浆长度法是骨料碱活性鉴定的经典方法，美国于1951年制定其试验标准。使用水泥含碱量大于0.8%，—般在1.2%左右；骨料是洗净、烘干经过处理的骨料，其级配如表1所示。

　　

　　水泥与骨料的质量比为1：2.25；—组试件为3条。用水量按测定砂浆流动度为105mm~120mm控制；试件尺寸为25mmx25mmx285mm。试件在38℃±2℃与相对湿度大于95%的条件下养护，砂浆发生碱骨料反应膨胀。半年龄期的膨胀率超过0.10%的为有害活性骨料，小于0.10%的为非活性骨料。

　　砂浆长度法是传统的鉴定方法，对于活性较高、反应较快的骨料的检验，该方法是适用的。但对于反应慢的活性骨料或活性较低的骨料，则往往不能在指定的时间内作出准确的判断。试验时间在半年之内，往往会产生有误导的结果，因此有必要延长观测时间，但作为参考，砂浆长度法还是一种有效的试验方法。

　　3.4 砂浆棒法

　　3.4.1 小砂浆棒快速法

　　1983年，南京化工学院教授唐明述提出了小砂浆棒快速法，在国际上称为“中国快速蒸压法”或“中国法”。试样的粒径为0.63mm~0.16mm，与通过外加碱，使碱含量达到1.5%的硅酸盐水泥混合，水灰比为0.3；试件尺寸为10mmx10mmx40mm。成型1d后脱模，测量基准长度。然后在100℃下蒸养4h，再浸泡在150℃、浓度10%的KOH溶液中压蒸6h，测其最终长度。试验的结果的评定在3个配合比中，用膨胀值最大的一组来评定碱活性，如膨胀率大于等于0.1%为活性骨料，小于0.1%为非活性骨料。

　　小砂浆棒快速法的特点是工作量小，操作简便，试验周期短，能够快速地对骨料的活性作出判断，可以用于筛选骨料。如果骨料喊含量大，使用此方法评定效率较高。但是这种方法只能对单一的岩石测定，由于试件太小，对天然的石料场中含有多种活性的骨料很难做出判断。

　　3.4.2 砂浆棒快速法

　　南非建筑研究所在1986年首先提出砂浆棒快速法，被称为“南非法”。该方法的具体要求是：水泥与骨料的质量比为1：2.25，水灰比为0.47；试件尺寸为25mmx25mmx280mm。该法级配如表2所示。

　　

　　成型养护24h脱模，试件放入装有自来水的养护筒中，并将养护筒放人80℃的恒温水浴箱中。24h后，在20℃恒温室中测量砂浆棒的基准长度，然后将试件放人装有浓度为1mol/L的NaOH溶液的养护筒中，养护筒放入80℃的恒温水浴箱中，测量3d、7d、10d、14d的砂浆膨胀率，并随时注意观察有无裂纹和凝胶状物质出现。若砂浆膨胀率小于0.10%，则骨料无害；砂浆膨胀率大于0.20%，则具有潜在有害碱活性；砂浆膨胀率介于0.1%和0.2%之间，为可疑骨料，需借助辅助试验检测评估。砂浆棒快速法可以评定单一骨料、混合骨料的碱活性。

　　3.5 岩石柱法

　　岩石柱法是检验碳酸盐岩石骨料的碱活性的方法。这种方法是将碳酸盐骨料制成直径为9mm，高35mm的圆柱体，在蒸馏水中浸泡后在20℃恒温室中测量初始长度，然后浸泡在1mol/L的NaOH溶液中，定期测量试件的膨胀率，若84d的膨胀率大于0.1%则具有危害活性，不宜作为混凝土的骨料；必要时要依据混凝土棱柱法的试验结果做出判定。

　　3.6 混凝土棱柱体试验法

　　混凝土棱柱法规定所用硅酸盐水泥水泥的含碱

　　量为1.0%±0.2%，并通过外加NaOH的方法，使水泥当量含碱量达到1.25%。混凝土中的水泥用量为420kg/m3，水灰比0.42~0.45；试件尺寸为75mmx75mmx275mm~75mmx75mmx405mm，在38℃，相对湿度100%的条件下储存，以试件一年龄期的膨胀率作为判断骨料碱活性的依据，当试件一年龄期的膨胀率等于或超过0.40%时，则骨料判定为潜在有害活性。膨胀率小于0.04%，则判定为非活性骨料。该方法适用于碱硅酸反应和碱-碳酸盐反应的骨料。

　　4 碱骨料反应测试方法的评定

　　岩相法可判定骨料中是否含有活性成分，并能准确地判定各种活性成分的种类和含量，是所有测试方法中都必须使用到的，是砂浆棒法和混凝土棱柱法的基础。

　　化学法的试验结果只能对骨料的活性程度作为补充的依据，但由于各种因素的干扰和方法的局限性，这种方法只能对活性较高的骨料做出正确的判断。

　　对于碱活性高的骨料，砂浆棒长度法和快速砂浆棒法的试验结果都有较好的相关性，也趋于一致；但对于某些活性不大的或反应缓慢的骨料，两种方法会得出不一致的结果，并可能导致误判的发生。应以砂浆棒法的膨胀率作为最终判断的依据，如表3所示。

　　

　　小砂浆棒快速法和砂浆棒快速法有一定的相关性，试验的结果如表4所示。

　　

　　混凝土棱柱法比砂浆长度法更接近实际情况，通过一些粗骨料的碱活性的试验，试验结果与其他试验方法的评定结果是一致的。

　　无论采用砂浆棒法还是混凝土棱柱法，试件的尺寸对骨料的最终膨胀值的影响是很大的。特别是对于缓慢反应型的骨料，这一影响将有可能给最终的判定带来偏差。鉴于目前我国的现行的国家标准和行业标准大都采用常规的砂浆棒法来判定骨料的碱活性，建议将常规的砂浆棒法采用的尺寸由25mmx25mmx285mm改为40mmx40mmx285mm，以减少由试件截面尺寸过小导致结果偏差；由于混凝土棱柱法与实际混凝土相近，采用的混凝土棱柱体截面尺寸以75mmx75mm为宜。

　　采用不同的养护方式，试件的尺寸对混凝土膨胀值的影响不同：当采用湿气养护时，截面的尺寸越大，膨胀值也越大；当采用NaOH溶液养护时，截面的尺寸越小膨胀值越大。

　　5 碱骨料反应破坏与其他质量事故的区别

　　5.1 碱骨料反应裂缝与混凝土干缩裂缝

　　混凝土干缩裂缝多发生在混凝土浇筑后的一个月内，以后在干燥环境中裂缝有所发展；碱骨料反应裂缝则有反应积累时间，出现的时间比较滞后，快则2~3年，慢则40~50年。

　　干缩裂缝一般呈网状，有约束时，裂缝垂直于约束方向，而且裂缝量测的混凝土是干而平；碱骨料反应裂缝在无约束条件下也是呈网状，但由于是膨胀裂缝，在裂缝的两侧的混凝土却往往不平整，有一面拱起，在有钢筋约束时呈顺束开裂。

　　在同一混凝土部位，干缩裂缝在高温干燥处增大，而在潮湿处减小。碱骨料反应裂缝则在潮湿部位首先开裂，干燥部位有可能不开裂。最常见的碱硅酸反应，一般在裂缝处溢出无色透明的碱硅凝胶。

　　5.2 碱骨料反应裂缝与钢筋锈蚀裂缝、硫酸盐侵蚀裂缝

　　钢筋保护层碳化到钢筋的表面，使钢筋产生一层薄锈，但还没有发生钢筋保护层胀开，钢筋与混凝土的握裹力被铁锈替代，轻敲有空鼓的声音，称为层裂；混凝土碱骨料反应出现顺筋裂缝，即使裂缝很大，敲击也没有空鼓声。

　　混凝土接触到含有硫酸盐的水时，会导致硫酸盐侵蚀，使混凝土表面颜色变黄或变深色，裂缝多而细，钢筋锈蚀时，也会出现顺筋缝。受硫酸盐侵蚀的混凝土由外向内逐渐变酥，使混凝土失去强度层层剥落，与碱骨料反应的破坏明显不同。

　　6 预防控制碱骨料反应的措施

　　6.1 控制水泥的碱含量

　　由于混凝土发生碱骨料反应破坏是由与混凝土的碱与活性骨料反应所致，为避免碱骨料反应造成的经济损失，目前各国都是以预防为主，在配制混凝土时控制活性骨料的数量，减少水泥的碱含量，采用低碱水泥。但是受水泥资源的限制，不可能普遍使用低碱水泥。

　　6.2 金属锂化物对碱骨料反应的抑制

　　金属锂化物可以有效抑制碱骨料反应，但是金属锂化物造价高，不可能在工程中普遍使用。

　　6.3 选择性使用骨料

　　对工程当地的骨料进行调研，明确当地骨料的安全含碱量的最高限值。

　　6.4 控制混凝土的碱含量

　　混凝土强度等级的提髙使每立方米水泥的用量增大，外加剂的使用越来越普及，由于砂源的不足而大量使用海砂，各种原因增加了混凝土的碱含量。《混凝土碱含量限值标准》(CECS53:93)中规定了混凝土碱含量限值标准，如表5所示。

　　

　　目前，主要是掺人大掺量的活性掺合料降低水泥的用量，从而降低混凝土的碱含量，有效地缓解和抑制混凝土碱骨料反应的发生。试验资料表明：掺入5%~10%的硅灰或30%粉煤灰或50%以上的矿渣粉，可以有效抑制碱骨料反应。

　　6.5 隔绝水和湿空气

　　隔绝水和湿空气能缓和碱骨料反应，减缓外在因素对混凝土工程破坏的作用。

　　7 结语

　　综上所述，本文介绍了混凝土碱骨料反应的定义、分类、反应的机理、混凝土骨料碱活性的检验判定方法、各种检验方法的适用范围和特点、碱骨料反应造成的裂缝与其它工程裂缝的区别。在一定意义上，对混凝土碱骨料反应作了一个全面、简单的阐述。

　　混凝土耐久性是近年来混凝土界一直探讨的话题。碱骨料反应是影响混凝土耐久性的一个重要方面，因此，有必要进行碱骨料反应的研究，以更好地预防混凝土碱骨料反应的发生，提高混凝土的耐久性。

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