混凝土碱骨料反应病害探讨

【摘 要】简述了混凝土碱骨料反应的危害，介绍碱骨料反应定义、类型、反应机理，重点论述了混凝土当中碱的来源，针对碱骨料反应的条件，提出抑制碱骨料反应的预防措施。

【关键词】病害；混凝土；碱骨料反应

一、前言

碱骨料反应（AAR）是影响混凝土耐久性的重要因素之一，半个多世纪以来，已在世界范围内造成了大量混凝土工程的破坏和巨大的经济损失。包括大坝、桥梁、公路、机场、港口及工业民用建筑。丹麦早在五十年代调查了全国431座混凝土建筑物，其中34%的建筑物遭受了不同程度的AAR的破坏，15%的建筑物成为彻底毁坏的状态。英国自1975年发现首例AAR的建筑物破坏事例后，迄今的调查统计表明在英国的6000座钢筋混凝土桥梁中，有165座已确信受AAR的破坏，有303座被怀疑为所破坏，但还有待进一步证实。美国在八十年代重点调查了全国桥梁的工况，统计表明全国约50万座公路桥梁中有20万座已经损坏。在这些损坏的桥梁中，预计不乏混凝土AAR所引起。在法国北部调查了1970年后建成的860座桥，受AAR破坏者为123座，占14%。澳大利亚、西班牙、瑞士、加拿大等国都有AAR引起的混凝土建筑物破坏的事例。由此可见，AAR己成为混凝土工程的全球性灾害问题。

我国从90年代开始，陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙古、河南等地的立交桥或机场或铁路轨枕中发现因AAR所引起的破坏实例。由于AAR破坏源自混凝土内部，且持续不断的发生。其修补与加固都十分困难，只能以预防为主。因此AAR被学者称为混凝土的“癌症”。

二、碱――集料反应定义、类型、反应机理

碱骨料反应是水泥、含碱外加剂和环境等释放的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔溶液中，与骨料中的活性矿物成分在混凝土硬化后逐渐发生的具有膨胀性的化学反应。反应产物膨胀产生内应力，会导致混凝土膨胀和开裂。该反应发生必须具备三个条件：孔溶液具有足够的碱，骨料中有相当数量的活性成分，能得到足够的水分。

到目前为止，国际上已发现的碱骨料反应有三种类型：

1.碱硅酸反应（ASR）

1940年美国的Standon提出。混凝土中的碱和骨料中的活性SiO2矿物发生反应，会生成碱性硅酸盐凝胶，该凝胶吸水膨胀（体积可增大3倍），从而在内部产生较大的膨胀压和渗透压，致使开裂产生。

该类型碱骨料反应的特点是：是迄今为止对工程损坏最多、分布最广、研究最多的一种碱骨料反应类型。其特点是混凝土表面有无序的网状裂缝；骨料边界有反应环、反应边；孔隙中有硅酸钠（钾）凝胶。

2. 碱碳酸盐反应（ACR）

1957年Swenson提出。水泥中的碱和泥质白云岩、石灰岩骨料发生“去白云石化”反应，进而产生的一种膨胀破坏反应。

其反应产生的微细裂缝及大裂缝膨胀等外部特点与ASR大体一致，裂缝呈花纹形或地图形，但在混凝土的孔隙和反应骨料的边界等处没有凝胶存在，而是碳酸钙、氢氧化钙。活性混合材料对膨胀抑制效果很差。

3. 碱硅酸盐反应

1965年Gillott提出。碱和某些层状硅酸盐骨料反应，层状硅酸盐的层间距离可增大，从而产生膨胀，使得混凝土开裂。

碱硅酸盐反应的特点是：膨胀缓慢且不停顿进行，几乎看不到反应环，凝胶体渗出也很少；混凝土强度发生显著变化，抗拉强度约降低30%～50%，因而导致混凝土产生裂缝。

总的来说，碱骨料反应膨胀机理主要有两种观点，一种是肿胀压假说，一种是渗透压假说。也有学者认为在碱骨料反应中肿胀压和渗透压都存在，文梓芸曾对肿胀压和渗透压的特点进行了分析。肿胀的特点在于物体体积发生膨胀时维持外形不变，没有明显的溶解及液化。肿胀压吸入液体的动力来自固相内外液相介质化学位能的不同。而渗透压是一种液相之间化学势能不同时的行为，不是液固相之间的行为。渗透压必须通过在两种液相之间存在半渗膜时才能表现出来。渗透压的大小不但与体系内外液相化学势能差有关，还与内外溶液中溶质粒子数目及粒子的带电性质有关。另外，这两种观点的最大区别还在于肿胀压认为碱骨料反应过程与膨胀是同步发生的，而渗透压则认为碱骨料反应过程与膨胀是不同步的，膨胀是在反应产物一碱硅凝胶积累到一定的量时才发生。实际工程有的两三年就出现碱骨料反应破坏，有可能碱骨料反应和膨胀是重叠的，但更多工程是在建成之后二三十年才出现碱骨料反应破坏，这说明碱骨料反应产物在积累了一定的量之后才发生膨胀破坏。

三、混凝土中碱的来源

一般认为，发生AAR必须具备3个条件：碱、活性骨料和水。混凝土中的碱主要来源于混凝土本身的组成材料：水泥、外加剂、混合材、骨料和拌合水等。

1.水泥中的碱

水泥是混凝土中碱的主要来源，普通水泥中的碱主要由石灰石、粘土、煤等原材料带入，因各地原材料不同水泥的碱含最也有所不同。水泥中的碱一部分以硫酸盐及碳酸盐的形式存在，一部分则固溶在熟料矿物中。其含量一般在0.6%～1.2%范围内波动，低于0.6%碱含量的水泥属于低碱水泥.随着水泥碱含量的增加或水泥用量的增加，碱一骨料反应的膨胀也随之增大。

2.骨料中的碱

骨料中碱的溶出也是不容忽视的碱的来源，早在上世纪80一90年代学者们已提出某些骨料中析出的碱会促进AAR。在一定条件下，骨料的碱会析出是肯定的，特别是在建设长寿命的百年工程时更要注意。但这里有这一个问题，骨料可析出碱是事实，但对AAR而言，这种碱是否与水泥熟料水化析出的碱同样有效，这也是值得探讨的，还有待进一步深入研究。

3.混合材中的碱

实验室研究和现场试验结果一致证明，矿物混合材可以有效地抑制碱一骨料反应。但也有试验证明，当用高碱粉煤灰而且掺量太少时，后期反而会促进AAR。混合材本身就含有一定量的碱，掺入混凝土后，部分碱会被释放出来，即有效碱，从而加速碱一骨料反应的发展。

4.外加剂中的碱

现代混凝土成分中除传统的水泥、砂、石、水外，外加剂已是不可缺的组分。外加剂都是无机盐和有机的表面活性物质，大多数都含Na+、K+等碱金属离子。这部分离子能与活性骨料作用，能直接或间接地促进碱一骨料反应的发展。

5.环境中的碱

以上四类是混凝土自身的固有碱.大量实验表明，从环境中渗入混凝土中的碱能补充混凝土自身对碱的消耗，进而促进碱一骨料反应。

四、抑制碱一骨料反应的预防措施

由于AAR普遍且尚未发现有效的抑制措施，且AAR发生之后的处理难度很大。因此预防就显得特别重要。目前防止AAR的措施主要有：使用非活性骨料；控制混凝土碱含量；控制湿度和使用混合材或化学外加剂。

1.使用非活性骨料

使用非活性骨料是防止AAR最安全可靠的措施，但由于活性骨料特别是硅质活性骨料分布广泛，且骨料资源亦非“取之不尽”的可再生资源，随资源不断消耗和受工程造价等因素影响，骨料可选择余地往往受到限制。另外，目前对评定骨料碱活性特别是慢膨胀骨料潜在碱活性尚无绝对可靠的方法，正确判断骨料碱活性也并非易事。因此，非活性骨料的使用往往因区域地质形成条件的相同性和经济方面的原因而难以实现，且随着社会的发展，活性骨料的使用也在所难免。

2.控制混凝土碱含量

混凝土中碱的存在是AAR发生的必要条件。对同种骨料来说，随着混凝土碱含量的增加AAR膨胀增大。对不同活性的骨料，发生碱骨料反应所需的最小碱含量不同。该值称为骨料的阀值碱含量。它与骨料的性质有关，骨料的活性越大，阀值碱含量越小；骨料的活性越小，发生碱骨料反应所需的碱含量高，阀值碱含量越大。控制混凝土碱含量主要是基于当混凝土碱含量（Na2Oeq-Na20+0.658K20计）低于一定值，通常认为3kg/m3，混凝土孔溶液中K+、Na+和0H-浓度便低于临界值，AAR难于发生或反应程度较轻，不足以使混凝土开裂破坏。近年来由于追求混凝土高强度，单位混凝土水泥用量增加和多种早强外加剂使用，限制混凝土碱含量愈加困难。对存在外部碱源的混凝土工程，如海工混凝土、暴露于盐碱地和使用去冰盐的混凝土工程，即使碱含量较低也可发生AAR。

3.控制混凝土湿度

有研究表明，降低相对湿度可以减少AAR膨胀。但实际混凝土所处湿度条件是不易人为控制的，而且干湿循环、通电等因素还可以导致混凝土中的碱迁移并在局部富集，从而加剧AAR。

4.使用矿物混合材

在混凝土中掺加混合材是抑制AAR的重要途径，它不仅能够延缓或抑制AAR，而且对混凝土的其它性能也有一定的改善作用，同时有利于节约资源、保护环境。硅灰、粉煤灰、矿渣是三种最常用的混合材，此外，对抑制AAR有益的外掺料尚有：偏高岭土、硅藻土、沸石粉等。国外一些工程研究发现使用杂砂岩做骨料的水工大坝混凝土碱含量小于3kg/m3时也发生了严重的ASR破坏，而使用同类骨料和高碱水泥但掺加粉煤灰的水工混凝土，尽管混凝土可溶性碱含量大于3kg/m3，经数十年并无AAR破坏发生。混合材对AAR的抑制作用表现为对混凝土中碱和Ca（oH）2的作用，可概括为对碱的物理稀释、吸附作用等。

5.使用化学外加剂

使用化学外加剂抑制AAR，与使用非活性骨料或掺足够混合材一样，是解决工程混凝土AAR问题的一条重要途径。早期发生AAR严重的国家，如英国、美国、加拿大、日本等，已经进行了大量研究，常用的化学外加剂有锂盐、钙盐等。与掺混合材相比，这种方法不必改变施工条件，甚至可以改善工程混凝土的其它性能，在外加剂普遍使用的当代工程界容易被接受。化学外加剂抑制AAR的长期有效性已经得到了比较好的证实，深入研究并降低使用成本是这一措施的当务之急。

参考文献：

[1]杨华全，杨鹏翔，李珍著.混凝土碱骨料反应.

[2]王立刚.浅论水泥混凝土碱骨料反应[J].城市建设理论研究2012.（13）.

作者简介：

严志斌（1973-），男，湖北黄冈人，工程师， 主要从事建筑工程施工与管理。