浅谈碱集料反应对混凝土的危害

　　摘 要：文章以具体事例介绍了混凝土碱集料破坏对工程 结构的影响，阐述了碱集料反应的分类和机理，说明了碱集料反应发生的原因和基本特征， 提出了预防碱集料反应对工程结构破坏应采取的具体措施。

　　关键词：碱集料反应；混凝土；危害

　　中图分类号：U416  文献标识码：A  文章编号：1007-6921（2009）09-0132-02

　　混凝土碱集料反应是指混凝土中的碱和环境中可能渗入的碱与混凝土集料（砂石）中的活性 矿物成分，在混凝土固化后缓慢发生化学反应产生胶凝物质因吸收水分后发生膨胀，最终导致混凝土从内向外延伸开裂和损毁的现象，它是破坏混凝土建筑的一个重要因素。

　　我国科学家10年前发现了碱集料反应对建筑物的破坏，究其原因，专家们分析：①含碱粘土 、砂石料在我国分布很广，北方地区尤其严重；②建筑施工中追求高强度和高性能混凝土，使单位混凝土的水泥用量增加，混凝土中来自水泥的碱含量超过了3kg/m3的限值，大量早 强剂、防冻剂的使用又大大促进了碱集料反应的发生发展；③国家没有关于防止碱集料反应的有关规定，建筑商只注意工程进度，并不对建筑物的使用寿命负责。还有 些人为了降低造价，明知水泥碱性过高会影响建筑物寿命，也不愿增加成本购买低碱水泥。例如：天津市内的八里台立交桥，也是天津最大的立交桥，使用的含活性硅成份的蓟县灰岩 做骨料。有许多潮湿部位的柱子、支撑梁发生网状开裂和顺筋开裂，有的桥台潮湿处混凝土胀裂，裂缝表面不平。天津市长江道立交桥柱子、支承梁和主粱梁端在潮湿处发生顺筋开裂 ,有些柱子表面发生网状裂缝。

　　1 碱骨料反应的分类和机理

　　1.1 碱硅酸反应

　　水泥中的碱与骨料中的活性SiO2成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶，碱硅凝胶固体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱集料反应的发展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土开 裂，发展严重的会使混凝土结构崩溃。

　　能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及结构有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等，而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中，如安山岩、流纹 岩等。迄今为止，世界各国发生的碱集料反应绝大多数为碱硅酸反应。

　　1.2 碱碳酸盐反应

　　碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应完全不同，在泥质石灰白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁反应时，将其中的白云石[MgCO₃]转化为镁石[Mg（OH）₂],水镁石晶 体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土内部应力，导致混凝土开裂。

　　1.3 碱硅酸盐反应

　　水泥（或混凝土）中碱与某些层状硅酸盐集料反应并导致砂浆或混凝土产生异常膨胀，这一 类反应亦可归为碱硅酸反应。

　　1.4 其他碱集料反应

　　①高硅质砂砾石集料在砂浆或混凝土中引起地形开裂；②含粘土多的水成岩（杂砂岩、泥质板岩、千枚岩、泥质岩石等）由于碱硅酸反应（粘土是层状晶格硅酸盐）引起粘土矿物“剥落 ”.

　　2 碱骨料反应的发生原因（条件）和特征

　　混凝土工程发生碱骨料反应需要具有3个条件。①混凝土的原材料如水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；②骨料中有相当数量的活性成分；③潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。

　　硅酸凝胶膨胀随水泥的碱含量增加而增大，在水泥含碱量低于0.6%时，就可以避免发生碱集料反应；一定碱量的水泥，则集料颗粒愈小而膨胀愈大。研究发现，在较低的活性氧化硅含 量范围内，对一定碱量，活性氧化硅含量越多，膨胀越大。但当活性氧化硅含量超过一定范围后，情形就相反了。混凝土各种原材料成分中的碱（Na2O、K2O）均可导致发生碱集料 反应对工程的损害。

　　活性骨料或碱活性矿物岩石有火成岩、花岗岩、石英含量>30%花岗闪长岩、 流纹石、安山石、玄武岩、蛋白石、变质岩 、片麻岩等。

　　活性成份一种是无定形（非晶体）二氧化硅，如蛋白石，火山玻璃；一种是结晶不完整的二 氧化硅，如玉髓、鳞石英、微晶石英等，另一种是结晶完整，例如花岗岩为深成岩，其中石 英结晶很完整，但由于地壳变动，受挤压力产生晶格扭曲变形，当其中石英含量>30%时，就 会发生碱活性反应。

　　愈是在潮湿多水的环境条件下，碱集料对工程的损害发展愈快，往往在同一个混凝土工程，混凝土配制材料具备碱集料反应的条件，在潮湿多水部位首先发生碱集料损害，在其他部位 则发展缓慢。

　　受硅酸凝胶膨胀开裂的工程从外观上看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可以看到从裂缝处溢出白色或透明胶体的痕迹。在同 一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征之一。硅酸凝胶的一般特征是，在破坏的试样里可以鉴定出碱硅酸凝胶的存在，集料颗粒周围出现反应环。最后准确决断还需要从受害的工 程取芯样鉴定。

　　3 碱集料反应破坏与其他一些质量事故的区别

　　3.1 碱集料反应裂缝与混凝土工程其他裂缝

　　干缩裂缝多在混凝土浇筑后约一个月以内形成，以后在干燥环境中有所发展。碱集料反应裂缝则有反应积累时间，出现裂缝的时间比较滞后，短至2~3年，长至40~50年。干缩裂缝一 般是网状的，有约束时则裂缝垂直于约束方向，而且裂缝两侧的混凝土是干而平的；碱集料反应裂缝在无约束条件时也呈网状，但由于膨胀裂缝，往往裂缝两侧的混凝土不平，有一面 拱起。

　　在同一个混凝土部件，干缩裂缝在高温干燥处裂缝发展，而在潮湿处裂缝变小，小裂缝甚至可愈合；碱集料裂缝则在潮湿部位首先开裂，干燥部位可能不裂。最常见的碱硅酸反应一般 均从裂缝溢出无色透明的碱硅凝胶，时间长了，凝胶变成深色，但在裂缝两边仍遗留有凝胶痕迹，与干缩裂缝外观有明显的差别。

　　3.2 碱骨料反应裂缝与钢筋锈蚀裂缝、硫酸盐腐蚀裂缝

　　钢筋锈蚀，如混凝土保护层已经碳化到钢筋表面，钢筋已生一层薄锈，但还没有把保护层胀裂。此时钢筋与混凝土的握裹力已为铁锈所代替，敲击必有空鼓声，这种情况，称为层裂； 碱集料反应出现顺筋裂缝，即使裂缝很大，在钢筋没有锈蚀前，敲击时是没有空鼓声的。在发生碱集料裂缝后，如不及时进行封缝处理，则氧气和水沿裂缝直接接触钢筋，钢筋很快会 在裂缝部位锈蚀，但锈蚀没有发展到钢筋与混凝土接触面时，敲击混凝土仍不会有空鼓声。

　　混凝土工程的硫酸盐腐蚀，例如混凝土管道经过盐碱地或构筑物基础处于盐碱地或接触含硫酸盐的水时，会发生硫酸盐腐蚀。硫酸盐腐蚀会使混凝土表面颜色变黄或变深色，裂缝多而 细，如钢筋锈蚀也会出现顺筋裂缝。受硫酸盐腐蚀的混凝土由表面逐渐向深层变酥，使混凝土失去强度而层层剥落，与碱集料损坏明显不同。

　　4 防止碱集料反应破坏工程结构物的措施

　　近年来，由于我国水泥、外加剂等情况发展变化，混凝土碱集料反应问题已构成我国水泥混凝土及土建工程的一大潜在危害，在混凝土的设计、施工中，工程技术人员对此问题引起重 视，采取以下措施，预防碱集料反应对工程结构物的破坏，延长混凝土结构的寿命。

　　4.1 施工管理中的控制措施

　　4.1.1 制定准确可行的防止碱集料反应的鉴定标准、检验方法等技术规范并加强监管。

　　4.1.2 大幅度增加低碱水泥的产量。

　　4.1.3 建立现代化采石场，对所供应的集料要有详细的勘测及日常检测报告，以保证大 型重要工程使用无碱活性集料。

　　4.1.4 加强宣传教育，使各级领导和工程技术人员了解碱集料反应对建筑物的危害，避免因追 求献礼工程、限期工程而忽视混凝土的质量。要让使用者和建筑者都把保证建筑物的长期寿命列为最重要的目标。

　　4.2 施工过程控制措施

　　4.2.1 控制水泥含碱量。由于混凝土工程发生碱集料损坏是由于混凝土内部的碱与活性骨料反应所致，世界各国

　　为了避免碱集料反应造成混凝土工程破坏的巨大经济损失，均以预防为主，即配制混凝土时 控制活性骨料数量和含碱量。我国规范规定使用低碱水泥即Na2O+0.658K2O<0.6%有效防止发生碱集料反应。

　　4.2.2 控制混凝土中碱含量。随着混凝土强度等级提高，单方水泥用量增加，外加剂的应用比较普遍，大量使用海砂配制 混凝土，这样预防碱集料反应就需要限制混凝土的总碱量。中国工程建设标准化协会批准的《混凝土碱含量限值标准》CECS53:93规定：干燥环境，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3.0kg/ m³,特殊工作结构2.1kg/m³;含碱环境，一般工程结构3kg/m³,重要和特殊工程结 构用非活性骨料。香港规定重要工作结构限值标准为3kg/m³.

　　4.2.3 选择活性含量低的骨料。我国地域辽阔，活性骨料的种类及分布很复杂。例如内蒙古地区大 青山分布的岩石大多是酸性石料。尽可能少用酸性石料抑制碱集料反应。

　　4.2.4 掺混合材。掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱集料反应，根据各国试验资料，掺30%~50%的矿 渣，粉煤灰可以有效抑制碱集料反应。粉煤灰的含碱量不同，经试验，即使含碱量高的粉煤 灰，如果取代30%的水泥，高炉矿渣的掺量为50%以上。有效抑制碱集料反应。

　　4.2.5 隔绝水和湿空气的来源：防止发生碱集料反应。

　　[参考文献]

　　[1] 姜志青。道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2005.