关于混凝土裂缝之碱骨料反应

一、概述

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.碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的.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.

二、原理

碱骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR)是指混凝土中的碱(K2O、Na2O)与活性骨料（燧石、蛋白石、安山岩等等）之间发生的化学反应。碱骨料反应包括两种主要类型：碱硅酸反应(Alkali-Silica Reaction，简称ASR)和碱碳酸反应(Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR)，其中，碱硅酸反应较为普遍。 

三、影响

碱骨料反应会严重影响混凝土结构的耐久性。它的反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。这种裂缝和对工程的损害随着碱骨料反应的发展而发展，严重时会使工程崩溃。有人试图用阻挡水分来源的方法控制碱骨料反应的发展，例如笔者见过的日本从大孤到神户的高速公路松原段陆地立交桥，桥墩和梁发生大面积碱骨料反应开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂，注射后又将整个梁、桥墩表面全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分和湿空气进入的方法控制碱骨料反应的进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。

碱骨料反应的结果不是提高和改善混凝土的结构，而是在混凝土中产生膨胀应力，至一定程度后引起混凝土开裂或混凝土结构破坏。碱骨料反应是混凝土的重要耐久性指标之一，由于具有反应过程缓慢、影响因素十分复杂、引起混凝土开裂的时间难预测且一旦发生破坏几乎无法修补等特点，素有混凝土“癌症”之称。 

四、预防方法

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措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。主要有以下几种措施。

    1、控制水泥含碱量。自1941年美国提出水泥含量低于0.6%氧气化钠当量（即Na2O+0.658K2O）为预防发生碱骨料反应的安全界限以来，虽然对有些地区的骨料在水泥含量低于0.4%时仍可发生碱骨料反应对工程的损害，但在一般情况下，水泥含量低于0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受，已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。许多国家如新西兰、英国、日本等国内大部分水泥厂均生产含碱量低于0.6%的水泥。加拿大铁路局则规定，不讼是否使用活性骨料，铁路工程混凝土一律使用含碱量低于0.6%的低碱水泥。

    2、控制混凝土中含碱量。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，甚至有时从骨料（例如海砂）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。对此，南非曾规定每m3混凝土中总碱量不得超过2.1kg，英国提出以每m3混凝土全部原材料总碱量（Na2O当量）不超过3kg，已为许多国家所接受。

    3、对骨料选择使用。如果混凝土含碱量低于3kg/m3，可以不做骨料活性检验，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，如经检测为活性骨料，则不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定的比例混合使用。

    4、掺混合材。掺某些活性混合材（使用矿物掺合料，通常使用的矿物掺合料有硅灰、矿渣、粉煤灰和沸石粉 ）可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料，掺S——10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应，据悉冰岛自1979年以来，一直在生产水泥时掺5—7.5%硅灰，以预防碱骨料反应对工程的损害。另外掺粉煤灰也很有效，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，也可有效地掏碱骨料反应。另外常用的抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于50%才能有效地抑制碱骨料反应对工程的损害，现大美、英、德诸国对高炉矿渣的推荐掺量均为 50%以上。

    5、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损害的效果。

6、使用化学外加剂。含碱金属锂的盐类如锂、氢氧化锂 及氟硅酸钠、磷酸盐、部分盐等对碱骨料反应具有一定抑制作用。

附：

1、活性骨料的定义与检测

活性骨料指骨料岩石含有一些碱活性的硅质矿物（二氧化硅），在常温活性下有反应活性，能够缓慢地与水泥石孔隙溶液中的钠、钾离子反应，产生碱-硅凝胶，凝胶吸水会产生膨胀，膨胀压力达到一定程度会使混凝土开裂。

骨料是否是活性的，需要对砂石来源的流域或采石场的岩石进行活性鉴定。方法有岩相法和活性试验法：

1）岩相法：鉴定砂石是否含有可能有活性的矿物，如燧石、蛋白石、安山岩等等。如果没有，则可以确定骨料是非活性的。否则，需要进行活性试验测试。

2）试验测试：即砂浆棒法，水工、铁路均有标准试验方法，采用不同养护温度又分为快速或常规试验。试验将骨料粉碎成砂的粒度，与高碱水泥或外掺氢氧化钠，制成砂浆长条试件，常规试验在40°C潮湿环境养护，测定试件3个月和半年龄期是否有膨胀，根据膨胀量大小确定骨料属于非活性、潜在活性和活性三类。

2、国家对混凝土碱含量的规定

3、国家对混凝土骨料有害物质含量的标准

(1)细骨料标准

（2）粗骨料标准