浅析碱集料反应对混凝土质量的影响

杨华玺

中图分类号：[TQ178]

众所周知，混凝土是由多种原材料混合后发生一系列的化学反应而产生的一种多孔、硬度很高的固体。组成混凝土的主要成分为水泥、石子（也称粗集料、粗骨料）、砂子（也称细集料、细骨料）、水、各种外加剂等。各种原材料对混凝土的质量都会产生很大的影响，其中碱集料反应是对混凝土质量影响最大的情况之一。

一、 碱集料反应概述

混凝土碱集料反应是混凝土中水泥、外加剂、掺合料和

拌和水中的可溶性碱（钾、纳）溶于混凝土孔隙中，与集料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂和强度降低，严重时会导致混凝土完全破坏。

二、 碱集料反应的类型

依据参与碱集料反应的岩石种类及反应机理，碱集料反应可分为碱-硅反应、碱-硅酸盐反应及碱-碳酸盐反应三大类。

1、 碱-硅反应

参与这种反应的有蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、方

石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英等。反应发生于碱与微晶氧化硅之间，其反应产物为硅胶体。这种硅胶体遇水膨胀，产生很大的膨胀压力，能引起混凝土开裂。这种膨胀压力取决于集料中活性氧化硅的最不利含量。对蛋白石来说，该含量为3%-5%，而对活性较差一些的含硅集料，该含量为20%-30%。

2、 碱-硅酸盐反应

粘土质岩石及千板岩等集料与混凝土中碱性化合物的反应属于碱-硅酸盐反应。这种反应尽管引起缓慢的体积膨胀，也能导致混凝土开裂，其反应性质与碱-二氧化硅反应相似。

3、 碱-碳酸盐反应

这是白云质石灰岩集料与混凝土中的碱性化合物发生的反应。这种反应最早发生于加拿大的一条混凝土路面。该路面在非常寒冷的季节发生严重龟裂。经调查发现该路面使用了白云质石灰石骨料。由此证明，碱-碳酸盐集料反应也引起体积膨胀和混凝土开裂。

三、 碱集料反应的机理

碱集料反应必须具备如下3个条件，才会对混凝土工程造成损坏。

1、混凝土中必须有相当数量的碱（钾、钠）。碱的来源可以是配制混凝土时形成的，即水泥、外加剂、掺合料、集料及拌合水中所含的可溶性碱；也可以是混凝土工程建成后从周围环境侵入的碱，如海雾随海风吹来，附着并逐渐渗入沿海附近的混凝土建筑物中；雪季喷洒化雪盐渗入桥梁及下水管道中的碱等。即使配置混凝土时含碱量低，只要环境中来的碱增加到一定程度，同样可使混凝土工程造成碱集料反应损坏。

2、混凝土中必须有相当数量的碱活性骨料。在碱集料反应中，由于每一种碱活性骨料与碱反应对混凝土的危害都有其自身匹配规律，即混凝土在一定含碱量条件下，每种碱活性骨料都有其造成混凝土内部膨胀压力最大的最不利比率，当混凝土含碱量变化时这一最不利比率也发生变化。因而究竟哪一种活性骨料在混凝土中含量多大形成危害是一个比较复杂的问题，必须通过实验才能了解。

3、混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度，空气中相对湿度必须大于80%，或直接与水接触。如果混凝土在配合时，配合成分具备了碱集料反应条件，则不论高湿度或与水接触的时间迟早，连续或不连续，只要具备高湿度或与水直接接触的条件，反应产物就会吸水膨胀，使混凝土内部受到膨胀压力，内部膨胀压力大于混凝土自身抗拉强度时，混凝土工程就会遭受损害。

四、 影响碱集料反应的主要因素

1、 水泥的含碱量

碱集料反应引起的膨胀值与水泥中的Na2O的当量含量紧密相关，一般说来，碱含量越高，膨胀量越大。

2、 混凝土的水灰比

水灰比对碱集料反应的影响是错综复杂的。水灰比大，混凝土的孔隙度增大。各种离子的扩散及水的移动速度增大，会促进碱集料反应的发生。但从另一方面看，混凝土水灰比大，其空隙量大，又能减少空隙中碱液浓度，因而减缓碱集料反应。在通常的水灰比范围内，随水灰比减少，碱集料反应的膨胀量有增大的趋势，在水灰比为0.4时，膨胀量最大。

3、 反应性集料的特性

混凝土及砂浆的碱集料反应膨胀量与反应性集料本身的特性有关，其中包括集料的矿物成分及粒度、集料用量等。一般来讲，随着反应性集料含量的增加，混凝土的反应膨胀量加大。集料粒度对碱集料反应也有影响，粒度过大或过小都能使反应膨胀量大为减少，中间粒度（0.15-0.6mm）的集料引起的反应膨胀量最大，因为此时反应性集料的总面积最大。另外，反应性集料的空隙率对其反应膨胀率也有影响。某些天然轻集料如火山渣及浮石中活性SiO2含量很高（有时含70%-80%的不定形SiO2）。按常规理论分析，以这些天然轻集料配置的混凝土理应发生碱集料反应，但至今为止未发生天然轻集料混凝土发生碱-硅酸盐反应的实例。估计是因为轻集料孔隙率大，缓解了膨胀压力的缘故。这说明多孔集料能减缓碱集料反应。因此，有些资料介绍美国在大坝混凝土中常掺入一定数量的轻集料，以免因碱集料反应牵引起坝体开裂或毁坏。

4、 混凝土孔隙率

混凝土或砂浆的孔隙率也能减缓碱集料反应时胶体吸水产生的膨胀压力。因而随空隙量增加，反应膨胀量减小，特别是细孔减缓效果更好。因此，加入引气剂能减缓碱集料反应的膨胀。根据试验结果，引入4%的空气能使膨胀量减小约40%。

5、 环境温湿度的影响

混凝土或砂浆的碱集料反应离不开水，因此环境湿度对其有明显影响。虽然说在低湿度条件下混凝土孔隙中的碱溶液浓度增大或促进碱集料反应，但如果环境相对湿度低于85%时，外界不供给混凝土水分，就不会发生混凝土中反应胶体的吸水膨胀。所以环境湿度对碱集料反应的影响是不容忽视的。

五、 防止碱集料反应的措施

根据碱集料反应的机理及影响该反应的主要因素可以得知，防止碱集料反应应从以下几方面入手：

1、 采用低碱水泥，降低混凝土隙孔溶液的碱度

水泥的含碱量是影响碱集料反应的重要因素之一。因此很多国家为了防止碱集料反应，都对水泥含碱量作了规定。一般规定含碱量小于0.6%的为低碱水泥；含碱量为0.6%-0.8%的为中碱水泥；含碱量大于0.8%的为高碱水泥。有的国家如丹麦因砂石集料中活性集料含量多，为了防止碱集料反应，将低碱水泥的含碱量定为少于0.4%。我国有关标准规定熟料含碱量不应大于0.6%，只有矿渣大坝水泥的熟料含碱量允许放宽到1%。

应该指出水泥的含碱量主要取决于其原材料的矿物成分。即使同一工厂不同时间生产的水泥，碱度也不相同。因此，当发生集料中含有了能引起碱集料反应的成分时，就应对所使用的水泥碱度严格检查，并加以控制。

2、 掺用粉煤灰等掺合料降低混凝土的碱度

掺用粉煤灰、矿渣、硅灰等掺合料都能降低混凝土的碱性，从而控制碱集料反应。特别是当水泥含碱量高于允许限值时更应掺加粉煤灰等掺合料，例如掺入水泥重量5%-10%的硅灰即可有效地控制碱集料反应及由此引起的混凝土的膨胀与损坏。掺入水泥重量20%-25%的粉煤灰也可取得同样效果。

应该指出，在混凝土中掺加粉煤灰掺合料必须防止钢筋锈蚀，为此除应注意检验粉煤灰的质量外，还应选用超量取代法，以保证掺粉煤灰混凝土等强、等稠度。掺硅灰的混凝土必须同时掺入高效减水剂，以免因硅灰颗粒过细引起混凝土需水量的增加。

3、 尽量不用可能引起碱集料反应的集料

集料的活性剂矿物成分也是混凝土产生碱集料反应的重要因素。因此为防止碱集料反应，就应对集料的这一特性加以控制，特别是重点工程更应注意选用无反应活性的集料。很多国家在混凝土集料试验方法标准中都专门规定了碱集料反应的检验方法。我国《水工混凝土试验方法规程》（DL/T5150-2001）也对此作了明确规定。

如果对集料无选择余地时，则应采取在混凝土中掺用部分多孔轻集料或加入引气剂以减少碱集料反应的膨胀能量。

4、 改善混凝土结构的施工及使用条件

保证混凝土的施工质量，防止因振捣不实产生的蜂窝麻面，以及因养护不当引起的干缩裂缝、温度裂缝等，能起到防止碱集料反应的作用。

从使用条件方面看，应尽量使混凝土结构处于干燥状态，特别是防止经常受干湿交替作用也能防止碱集料反应引起的损坏。必要时还可采用防水或憎水涂层，或施加装饰层，如地下挡土墙及混凝土外墙等做好饰面层即能防止混凝土受外界雨水等作用。

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