影响碱—骨料反应的因素和预防措施：建筑行业管理和结构数力分析

常洪信　尹建设

（一）概述

碱—骨料反应，又称碱集料反应。一般是指水泥中的碱与混凝土骨料中的活性氧化硅发生反应，生成碱—硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀力，致使混凝土出现开裂现象。

Na2O+SiO2→Na2O·SiO2

碱—骨料反应表现三种形式：碱—硅酸盐发生反应，碱—硅酸发生反应，碱—硝酸盐发生反应。其中最为常见的是第一种形式。研究表明，通常碱—硅酸盐凝胶吸水膨胀，体积增大3～4倍，膨胀压力为3.0～4.0MPa。从时间上讲，碱—骨料反应通常进行得很慢，所以由碱—骨料反应引起的破坏往往经过若干年后才会出现。其破坏特征为：表面混凝土产生杂乱无章的网状裂缝，或者在骨料颗粒周围出现反应环。在破坏的试样里可以鉴定出碱—硅酸盐凝胶的存在，在裂缝和空隙中，可以发现碱—硅酸盐凝胶失水后硬化成白色的粉末。

（二）反应机理

由上述得知，碱—骨料反应有三个必要条件。一是混凝土中含有较高的骨料含量，并且骨料中含有活性氧化硅。活性骨料有蛋白石、玉髓、石鳞石英、方石英、酸性或中性玻璃体隐晶质火山岩，如流纹岩、安石岩及其凝灰岩等，其中蛋白质的氧化硅其可能活性最大。二是水泥中要有较高的含碱量。水泥中的碱通常以K2O和Na2O两种形式出现。水泥中的含碱量从小于0.40%（Na2O+K2O）到1.0%（Na2O+K2O）以上，大部分碱都能很快析出到水溶液中。为方便计量，一般总碱量常以等当量的Na2O计（即Na2O%+0.658 K2O%）。只有水泥中的摩尔质量（Na2O含量）大于0.60%时，才会与活性骨料发生碱—骨料反应而产生膨胀。三是需要有足够的水分。在干燥的状态下，是不会发生碱—骨料反应的。

（三）影响因素

1.二氧化硅的活性

活性越高，碱—骨料反应就越剧烈，各种二氧化硅具有不同的活性，其大小程度取决于结晶程度，内部孔隙率，结晶尺寸及内部结晶应变。其中，蛋白石即是无定型的又是多孔的，因此它也是活性最高的二氧化硅。

2.活性二氧化硅的数量

大量试验研究表明：骨料中反应也有显著的影响。从活性氧化硅含量与膨胀率的关系图上可以得知当二氧化硅含量较低时，一定的碱量，活性氧化硅含量越多，膨胀越大，最大膨胀发生在活性氧化硅含量在5%左右时，而当活性氧化硅含量超过5%以后，情形应相反了，这是因为，一方面降低了每个活性集料表面的碱的作用，形成的凝胶很少；另一方面碱/硅比的降低也减弱了吸水膨胀。由于Ca（OH）2的迁移率极低，在增加了活性骨料总表面积的情况下，提高了骨料周界处的氢氧化钙与碱的局部浓度比，这时碱骨料反应仅形成一种无害的（不膨胀的）石灰—碱—氧化硅混合物［0.25（Na2O·CaO·SiO2·H2O）］。

3.活性材料的粒径(www.xing528.com)

为了研究活性材料的粒径对碱—骨料反应影响，我们采用6种活性材料的不同粒径分别做了360组对比试验，统计汇总得出对比曲线。从反应组分尺寸与膨胀率的关系图上可以看到，中间粒径的膨胀最大。

4.碱的可获得量以及可利用的水量

水泥的含碱量是影响碱—骨料反应的一个重要因素，前面已经提到，Na2O摩尔质量低于0.60%时，一般不出现恶性膨胀。另外，充分的水分是碱—骨料反应的前提条件，在水分很微少或干燥的环境下，碱—骨料反应是无法进行的。

（四）预防措施

根据影响碱—骨料反应因素，不难找到防止它对混凝土产生膨胀破坏的途径，可以采用以下方法：

（1）控制水泥中的碱含量或用量，应用低碱水泥。

（2）应用火山灰水泥或粉煤灰水泥，可以降低孔隙液中的pH值，从而中和水泥浆中的碱成分，降低含碱浓度。

（3）选择质地坚硬，活性骨料含量低，细度、粒径组成（分配）合理且级配较好的骨料。

（4）采用低水灰比（W/C）混凝土，提高混凝土密实度，防止水的渗入。

（5）可以采用引气剂。引气可以减少碱—骨料反应膨胀，这是因为，反应产物能嵌入分散的孔隙中，从而降低了膨胀压力。

碱—骨料反应的破坏在美国、加拿大、日本等国家的部分结构中出现较多，所以他们在这方面的研究也相对起步较早。我国的一些工程结构也发现几例，比如：丰满水电站（使用40多年）就已出现了碱—骨料反应破坏现象；北京三元桥（使用2年后）就发生了碱—骨料反应而产生大面积“人”字形裂缝。由于碱—骨料反应很慢，需很长时间才能出现破坏，因此，在建筑工程中对于高碱水泥及活性骨料的使用要非常慎重。