浅论水泥混凝土碱骨料反应

浅论水泥混凝土碱骨料反应

摘要：碱骨料反应是影响混凝土耐久性的重要因素，本文从碱骨料反应的定义、机理、检验方法、特征分析向大家介绍这种反应的现象和预防措施。

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

Abstract: the alkali aggregate reaction is the important factors affect the durability of concrete, this paper, from the alkali aggregate reaction the definition, mechanism, and method of inspection, analysis of characteristics to introduce the reaction of the phenomenon and the preventive measures.

Keywords: cement concrete alkali aggregate reaction reaction mechanism inspection methods control measures

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

一、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。但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。其危害越来越引起人们的重视。不仅引起国外混凝土界的重视，而且在我们国家越来越多的人也开始关注混凝土的碱骨料反应。在我国北方的一些地方也曾发生过的碱骨料反应的工程，造成的经济损失令人难以估计。

二、碱骨料反应的分类和反应机理：

碱骨料反应就是指水泥混凝土中的碱与水泥混凝土中的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，又叫碱骨料。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、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（亦成碱-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到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、火山玻璃及结构有欠缺的石英以及微晶、隐晶石英等。而这些活性矿物由于广泛地存在于多种岩石中，因而世界各地发生的碱骨料反应绝大多数都属于碱硅酸反应。

2、碱—硅酸盐的反应

这类碱骨料反应是指混凝土中的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10埃增到12埃，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：（1）能形成膨胀的岩石是粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；（2）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。（3）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也是非常少的。

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、白云石中含有的黏土和方解石比较多，白云石颗粒细小，被黏土和方解石颗粒包围，碱通过黏土渗入白云石颗粒中，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+2NaOHMg（OH）2+ CaCO3 + Na2CO3

白云石水泥碱氢氧镁石 方解石可溶性碳酸盐

4、其他碱骨料反应：

除了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也都属于碱骨料反应。

三、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接收碱量低于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。

碱骨料反应症状：从外观上看（1）在缺少钢筋约束的部位表现为网状、地图状的开裂；（2）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（3）从裂缝处可以看到凝胶状溢出物；在潮湿的部位更为明显。

四、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，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、快速砂浆棒法、岩石柱法以及混凝土棱柱法等。每种方法都有其适用范围和针对性。

1、岩相法：

岩相法是基于光性矿物学，就是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，对矿物做出判断。如鉴定不含有碱活性的岩石或矿物，可以判为非活性；如鉴定为含有建活性的矿物成分则必须用其他试验方法来进一步验证。岩相法是最基本的方法，用它能够判定骨料中是否含有碱活性矿物。但是，只能定性判定而不能定量地评估含有碱活性的骨料在混凝土中引起的破坏程度的大小。

2、化学法：

化学法仅仅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，对评价高活性的骨料是适用的；但是，应看到由于某些矿物（如碳酸盐等）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、砂浆棒法：

砂浆棒法一直是作为骨料碱活性鉴定的经典方法。其使用的水泥含碱量远大于0.8％，一般在1.2%左右；骨料是洗净、烘干经过处理的骨料，其级配如下表所示。

水泥与骨料的质量比为1：2.25；一组试件为3条。用水量按测定砂浆流动读为105～120mm来控制；试件尺寸为25mm×25 mm×285 mm。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，若半年龄期的膨胀率超过0.10％。则为有害的活性骨料；小于0.10％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，可以判定骨料的碱活性。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。另外，试验时间在半年之内，往往会误导，有必要延长观测时间，但作为参考、作为一种试验方法，砂浆长度法还是有用的。

4、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×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1N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。

5、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75mm×75 mm×275 mm～75mm×75 mm×405 mm，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。

五、碱骨料反应测试方法的评定

1、岩相法是所有方法中都必须使用到的，由它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。是砂浆棒法和混凝土棱柱法的基础；

2、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。

3、对于碱活性较高的骨料，砂浆棒法和快速砂浆棒法都有较好的相关性，试验的结果也趋于一致；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，并导致误判的发生，一些人认为此时应以砂浆棒法的膨胀率作为最终判断的依据。

4、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标和行标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25mm×25 mm×285 mm改为40mm×40 mm×285 mm，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75mm×75 mm为宜。

5、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。

六、碱骨料反应破坏与其他质量事故的区别

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年至3年，慢则40年至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，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，时间久了变成

深色；但在裂缝处仍有凝胶的痕迹。与干缩裂缝有明显的差别。

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，但还没有把钢筋保护层胀开，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，敲击却没有空鼓声。在碱骨料反应裂缝出现后，氧气和谁会沿裂缝直接接触钢筋使锈蚀加快。但没发展到接触面上时，仍没有空鼓声。混凝土接触到盐碱地或含有硫酸盐的水时，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。瘦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。

七、预防控制碱骨料反应的措施

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，世界上在目前都是以预防为主，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，采用低碱水泥受水泥资源的限制，不可能普遍使用低碱水泥。

2、使用金属锂化物可以有效抑制碱骨料反应：

金属锂化物虽然可以有效抑制碱骨料反应，但价格昂贵也不可能在工程中普遍使用。

3、有选择的使用骨料：

先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。，进行混凝土配制，使工程不发生碱骨料反应破坏。

4、控制混凝土的碱含量：

混凝土强度等级的提高使单方水泥的用量增大、外加剂的使用越来越普及、砂源的不足大量使用海砂等等为单方混凝土碱含量的增加提供了碱的来源。中国工程标准化协会批准的《混凝土碱含量限值标准》CECS53中规定：干燥环境中一般工程结构、重要工程结构不限制；特殊工程结构3.0kg/m3；潮湿环境，一般工程结构3.5kg/m3，重要工程结构2.1kg/m3；含碱环境，，一般工程结构3.0kg/m3，重要和特殊工程结构用非活性骨料。目前，主要是掺入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。

5、隔绝水和湿空气：

隔绝水和湿空气也能起到缓和碱骨料反应对混凝土工程破坏的作用。

八、结束语

以上所述，介绍了混凝土碱骨料反应的定义、分类以及反应的机理 、混凝土骨料碱活性的检验判定方法以及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，以及预防的措施。为更好地提高混凝土的耐久性，延长混凝土的使用寿命，应加大这方面的研究，以便更好地预防混凝土碱骨料反应的发生。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。