碱―硅酸反应对混凝土的危害及预防

【摘 要】本文详细介绍了混凝土碱―硅酸反应原理及特征、对混凝土存在的危害，并就预防混凝土工程发生碱骨料反应破坏及应取的措施进行了探讨。

【关键词】混凝土；碱骨料反应；预防措施

1 概述

碱―硅酸反应是1940年美国加利福尼亚州公路局的斯坦敦首先发现，引起世界混凝土工程界的重视。我国在20世纪80年代首次在建筑、桥梁等建设领域中发现。碱骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。因碱骨料反应时间较为缓慢，短则几年，长则几十年才能被发现，一旦发生破坏几乎无法修补，素有混凝土“癌症”之称，是近年来遇到的机率逐渐增多的一种病害。据专家估计，全世界每年因碱骨料反应而造成的工程损失高达1500亿美元。

随着混凝土高强化的发展趋势，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥大批量使用，水泥用量不断增加，从而导致单位体积混凝土的碱含量成倍增加，这一切为碱骨料反应创造了“物质基础”。更值得注意的是我国外加剂生产较多用以硫酸钠作为水泥混凝土早强剂，而防冻剂则多用硝酸钠、亚硝酸钠、碳酸钾等，这些盐类中的可溶性钾、钠离子大大增加了混凝土的总碱量，提高了碱骨料反应发生的机率。

2目前预防碱骨料反应现状

由于碱骨料反应已构成我国建设领域混凝土工程一大潜在危害，同时吸取了国外许多土建工程因碱骨料反应造成对工程的损害和重建的教训，我国各行业行政主管部门均出台了相应的规范、标准，以确保基础设施建设工程不发生碱骨料反应对工程的损害。特别是水利工程界，从上世纪50年代起就明确规定凡较大的水利工程所用的骨料都要求进行活性检验以及专家论证，并用大量混合材的水泥以及在现场掺活性掺合料等措施，这些规定至今仍在水利工程有关规范和标准中沿用。

但由于一些工程设计、管理和施工技术人员对碱骨料反应对工程损害的知识缺少系统、深入的了解，对其危害性认识不足，重视度停留在口头和程序上，很少在工程实施过程中取有效的预防控制措施，导致增加碱骨料反应对工程损害的潜在危害。

3 反应原理及特征

碱骨料反应是指混凝土中的碱（K2O、Na2O）与活性骨料之间发生的化学反应。碱―硅酸反应（简称ASR），发生机理在于骨料中含有碱活性的硅质矿物（常温活性二氧化硅），在混凝土硬化后，缓慢的与水泥石孔隙溶液中的纳、钾离子反应，产生碱―硅酸盐凝胶，凝胶吸水后产生膨胀，膨胀压力达到一定程度会使混凝土开裂。ASR破坏一般是在混凝土浇筑两、三年，乃至十几年后发生。

碱骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂纹呈网状，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有

白色凝胶物渗出。在同一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征。

4 碱骨料反应对混凝土的危害及预防措施

4.1 碱骨料反应对混凝土的危害

碱骨料反应对混凝土的危害性较大，目前也是常见的危害之一。结构混凝土，特别是地下结构等混凝土由于长期或周期性受到水的作用，容易发生碱骨料反应。碱骨料反应表现在外观上主要是混凝土因后期体积膨胀而开裂，混凝土构件发生附加变形。表现在内部结构中则使混凝土强度降低，碳化加快，引起钢筋锈蚀，严重影响结构的耐久性。引起的破坏要化大量的人力、物力、财力来修补或重建，有些损失甚至永远不可弥补。

4.2 预防措施

发生碱骨料反应需要具有三个条件：首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。要预防或降低此反应就需从这三项源头着手，因此世界各国都是在配制混凝土时采取相应措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。

4.2.1 控制水泥碱含量

水泥含碱量控制根据现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175―2007）的规定及工程结构使用的实际情况，规定了若混凝土中使用碱性活性集料时，水泥的含碱量不应大于0.6%的要求，水泥的碱含量按氯化钠当量计。

4.2.2 控制混凝土中的碱含量

由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从集料中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。混凝土中碱含量是以等当量的氯化钠的含量，以kg/m3计。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）规定：干燥环境，一般工程、重要工程结构不限制，特殊工程结构3.0 kg/m3；潮湿环境，一般工程结构3.5 kg/m3，重要工程结构3.0 kg/m3，特殊工程结构2.1 kg/m3；含碱环境，一般工程结构3.0 kg/m3，重要和特殊工程结构用非活性集料。

4.2.3 对骨料选择使用 要做到有效地预防碱骨料反应对混凝土工程的破坏，应先对本地区产的集料进行调研，并根据《混凝土质量控制标准》（GB50164―2011）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法》（JGJ52―2006）进行碱活性检验。

进碱活性检验时，首先应用岩相法检验碱活性集料的品种、类型和数量，当检验出骨料中含活性二氧化硅时，应用快速砂浆法和砂浆长度法进行碱活性检验；当检验出骨料中含有活性碳酸盐时，应用岩石柱法进行碱活性检验。经上述检验，当判定集料存在潜在碱―碳酸盐反应危害时，不宜用作混凝土骨料，否则应通过专门的混凝土试验做最后评定；当判定骨料存在潜在碱―硅酸反应危害时，应控制混凝土中的碱含量不超过3.0 kg/m3，或用能抑制碱骨料反应的有效措施。

如果混凝土含碱量低于3kg/m3，可以不做集料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于3kg/m3，则应对骨料进行活性检测。常用的检测方法为岩相法和活性试验法。

4.2.4 掺混合材

掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料，掺5%～10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应，掺30%的粉煤灰或掺50%的高炉矿渣均可有效地抑制碱硅酸反应对工程的损害。

4.2.5 掺用引气剂

掺用引气剂可使混凝土具有4%～5%的含气量，可容纳一定数量的反应物，从而可以缓解碱骨料反应后的膨胀压力。

4.2.6 隔绝水和湿空气的来源

如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程破坏的效果。

5 思考与建议

5.1 骨料碱活性检测方法和标准

在工程建设之初可靠的检测骨料碱活性是预防碱骨料反应的关键。我国骨料碱活性检测的方法主要有测长法、化学法、岩相法等几种。

综观在碱骨料反应对预防方面取得成功的国家和地区，其主要经验之一是这些国家和地区无不重视骨料碱活性检测方的研究和相关标准的制定和更新，我国由于缺少负责或协调研究和制定标准的组织或机构，以及历史原因长期形成的行业隔离，对国内外研究和工程实践的成果和经验，在我国标准中往往不能及时纳和更新。建议有关部门结合国内外的研究和工程经验，尽快修订国家标准，同时加强对现行检测方式的研究和评价。

5.2 碱骨料反应知识的普及

国际上预防碱骨料反应的另一经验是在正视该问题的基础上，通过宣传、培训普及相关知识，成立相应机构，一方面在碱骨料反应研究方面统筹规划、协同研究，另一方面组织报告会、学术研讨会、各种碱活性检测方法培训班等普及和加强检测和预防知识。

近年来我国工程界对碱骨料反应不可谓不重视，特别是一些大型基础设施建设都规定了相关条款以保证工程不发生碱骨料反应。由于骨料涉及岩石种类的多样性、复杂性和单一检测方法的局限性，往往需要有时甚至必须多种方法综合判定。无论是检测方法的研究验证及其标准化，还是相关知识的普及推广以及不同检测方法或试验技能的培训都非个别单位所能完成，需试验室和工程应用单位的通力合作。建议有关部门成立相应机构，协调组织相关研究、更新和普及相关知识，无疑将会有效促进全国碱骨料反应的研究、预防和交流。

6 结语

目前混凝土碱骨料反应的情况虽不十分广泛和突出，但由于碱骨料反应造成的破坏巨大，已构成我国基础设施建设的一大潜在危害。因此，工程设计、管理和施工技术人员应引起高度重视，通过宣传、培训普及相关知识，用科学合理的措施，预防碱骨料反应对工程的损害。

参考文献

[1]普通混凝土用砂、石质量及检验方法（JGJ52―2006）.

[2]混凝土质量控制标准（GB50164-2011）.

[3]高琼英主编.建筑材料（第三版）[M].武汉理工大学出版社，2006.