關鍵詞：水泥混凝土；堿骨料反應；反應機理；檢驗方法；控制措施

　　引言

　　混凝土的耐久性是目前混凝土界越來越多的討論話題?；炷恋奶蓟?、鋼筋銹蝕，氯鹽侵蝕、硫酸鹽腐蝕、冰凍破壞、堿骨料反應以及人為因素等等都能給混凝土造成破壞。其中堿骨料反應所造成的破壞最為嚴重，是影響混凝土耐久性的一個重要方面。曾有過混凝土堿骨料反應嚴重的工程(見圖1)，造成的經濟損失難以估計。關于堿骨料反應的文章也越來越多地見諸混凝土的相關雜志中，仁者見仁，各有側重。為更好地了解堿骨料反應，作者依據自己的工作經驗作以下闡述。

　　1 堿骨料反應的分類和反應機理

　　堿骨料反應指水泥混凝土中堿與水泥混凝土中某些活性骨料發生化學反應，引起混凝土膨脹開裂甚至破壞；含有堿活性的礦物骨料稱為堿活性骨料，又稱為堿骨料。堿骨料反應根據其反應的機理不同大致可分為以下幾種類型。

　　1.1 堿硅酸反應

　　水泥中的堿與骨料中的活性SiO₂成分反應生成堿的硅酸鹽凝膠(堿-硅凝膠)，吸水膨脹，引起混凝土膨脹開裂，主要反應如下：

　　Na₂O+H₂O——2NaOH

　　K₂O+H₂O——2KOH

　　2NaOH+SiO₂——Na₂O*SiO₂+H₂O

　　這種反應使混凝土體積膨脹3~4倍，引起混凝土內部膨脹應力，使混凝土開裂。骨料中能與堿發生反應的氧化硅礦物有：蛋白石、玉髓、瑪瑙、磷石英、方石英、火山玻璃、結構有欠缺的石英，以及微晶、隱晶石英等。由于這些活性礦物存在于多種巖石中，因而堿骨料反應絕大多數都屬于堿硅酸反應。

　　1.2 堿-硅酸鹽的反應

　　此類堿骨料反應是指水泥內的堿與某些層狀硅酸鹽集料相互作用，體積膨脹使層間距由10A增到12A，集料體積發生異常膨脹，導致混凝土開裂。由于巖石結構的因素，膨脹發展十分緩慢，一般難以發現，然而正是這種難以發現的膨脹導致了混凝土的開裂。研究證明：a)能形成膨脹的巖石是粘土質巖、千枚巖等層狀硅酸鹽礦物；b)堿硅酸鹽反應膨脹的過程要比堿-硅酸的反應的過程緩慢的多；c)在堿硅酸鹽反應的骨料中，能形成反應環的顆粒是非常少的，同時膨脹反應過程中所形成堿硅膠的量非常少。

　　1.3 堿-碳酸鹽的反應

　　堿碳酸鹽反應的機理不同于堿硅酸和堿-硅酸鹽兩種反應，其機理是：混凝土中水泥的堿與泥質石灰石、白云石之間發生反應。由于石灰石、白云石的黏土和方解石含量較高，白云石顆粒細小，被黏土和方解石顆粒包圍，堿通過黏土滲人白云石顆粒中，與其中的MgCO₃反應生成Mg(OH)₂晶體，晶體排列的壓力和黏土吸水膨脹力，使混凝土發生開裂破壞。這種原地化學反應造成混凝土的開裂主要以網狀裂紋為主。其化學反應為：

　　CaCO₃*MgCO₃+2NaOH——Mg(OH)₂+CaCO₃+Na₂CO₃

　　1.4 其他堿骨料反應

　　除上述三種堿骨料反應外，還有高硅質砂礫石骨料在砂漿或混凝土中引起地圖狀的開裂；含粘土較多的水成巖由于堿硅酸反應引起粘土礦物剝落等都屬于堿骨料反應。

　　2 水泥混凝土堿骨料反應條件和癥狀

　　上述混凝土堿骨料反應機理各不相同。發生堿骨料反應的條件都是三個：首先，混凝土的原材料中水泥、混合材、外加劑和水的含堿量較高；其次，骨料中有相當數量的活性成分；最后是充足的水分或潮濕的空氣，即潮濕環境。

　　從一定意義上講，用一定活性的骨料配制的混凝土，堿骨料反應造成的膨脹隨水泥的堿含量增加而增大；在水泥堿含量低于0.6%的時候，可以認為不發生堿骨料反應；但是由于骨料反應的活性不同，在水泥堿含量低于0.4%的時候也有可能發生堿骨料反應且膨脹量很大的情況。目前世界上大多數國家已經認定堿量低于0.6%的水泥為低堿水泥；事實表明：對于一定含堿量的水泥，活性骨料的顆粒越小，其膨脹量越大。但是，當活性二氧化硅含量超過一定范圍后，情況就相反了。試驗證明，混凝土摻和料、外加劑、水以及水泥中的堿都能導致水泥混凝土的堿骨料反應。

　　外觀上看堿骨料反應癥狀：a)在缺少鋼筋約束的部位，表現為網狀、地圖狀的開裂；b)在受鋼筋約束的部位，多表現為沿著主筋方向開裂，即順筋開裂；c)裂縫處可見凝膠狀溢出物。在潮濕的部位堿骨料反應更為明顯。

　　3 堿骨料反應的測試方法

　　骨料的堿活性是混凝土發生堿骨料反應的必要條件。骨料堿活性的測試方法，鐵道部、建設部、交通部以及水工混凝土的規范都有所規定，但是大同小異。檢測骨料堿活性的方法主要有：巖相法、化學法、砂漿長度法、砂漿棒法、巖石柱法以及混凝土棱柱法等。每種方法適用范圍和針對性不同。

　　3.1 巖相法

　　巖相法基于光性礦物學，將礦物骨料磨制成薄片，在偏光顯微鏡下分析、鑒定礦物的成分和含量，以及礦物的結晶程度和結構。如果在顯微鏡分辨有一定的困難，還可借助掃描電鏡、X-衍射分析、差熱分析以及紅外光譜分析等手段。如鑒定不含有堿活性的巖石或礦物，可以判為非活性；如鑒定含有活性的礦物成分，則必須用其他試驗方法來進一步驗證。巖相法是判定骨料中是否含有堿活性礦物最基本的方法。但是含有堿活性的骨料在混凝土中引起的破壞，只能定性判定破壞程度，而不能定量地評估破壞程度大小。

　　3.2 化學法

　　化學法是鑒定骨料與堿發生化學反應的能力，由于反應迅速，所需時間短，適用于評價高活性的骨料；但是由于某些礦物(碳酸鹽等)的干擾，試驗的結果會有很大的偏差，特別是對緩慢反應的骨料或活性微弱的骨料，往往會得到非堿活性的錯誤結論。

　　3.3 砂漿長度法

　　砂漿長度法是骨料堿活性鑒定的經典方法，美國于1951年制定其試驗標準。使用水泥含堿量大于0.8%，—般在1.2%左右；骨料是洗凈、烘干經過處理的骨料，其級配如表1所示。

　　

　　水泥與骨料的質量比為1：2.25；—組試件為3條。用水量按測定砂漿流動度為105mm~120mm控制；試件尺寸為25mmx25mmx285mm。試件在38℃±2℃與相對濕度大于95%的條件下養護，砂漿發生堿骨料反應膨脹。半年齡期的膨脹率超過0.10%的為有害活性骨料，小于0.10%的為非活性骨料。

　　砂漿長度法是傳統的鑒定方法，對于活性較高、反應較快的骨料的檢驗，該方法是適用的。但對于反應慢的活性骨料或活性較低的骨料，則往往不能在指定的時間內作出準確的判斷。試驗時間在半年之內，往往會產生有誤導的結果，因此有必要延長觀測時間，但作為參考，砂漿長度法還是一種有效的試驗方法。

　　3.4 砂漿棒法

　　3.4.1 小砂漿棒快速法

　　1983年，南京化工學院教授唐明述提出了小砂漿棒快速法，在國際上稱為“中國快速蒸壓法”或“中國法”。試樣的粒徑為0.63mm~0.16mm，與通過外加堿，使堿含量達到1.5%的硅酸鹽水泥混合，水灰比為0.3；試件尺寸為10mmx10mmx40mm。成型1d后脫模，測量基準長度。然后在100℃下蒸養4h，再浸泡在150℃、濃度10%的KOH溶液中壓蒸6h，測其最終長度。試驗的結果的評定在3個配合比中，用膨脹值最大的一組來評定堿活性，如膨脹率大于等于0.1%為活性骨料，小于0.1%為非活性骨料。

　　小砂漿棒快速法的特點是工作量小，操作簡便，試驗周期短，能夠快速地對骨料的活性作出判斷，可以用于篩選骨料。如果骨料喊含量大，使用此方法評定效率較高。但是這種方法只能對單一的巖石測定，由于試件太小，對天然的石料場中含有多種活性的骨料很難做出判斷。

　　3.4.2 砂漿棒快速法

　　南非建筑研究所在1986年首先提出砂漿棒快速法，被稱為“南非法”。該方法的具體要求是：水泥與骨料的質量比為1：2.25，水灰比為0.47；試件尺寸為25mmx25mmx280mm。該法級配如表2所示。

　　

　　成型養護24h脫模，試件放入裝有自來水的養護筒中，并將養護筒放人80℃的恒溫水浴箱中。24h后，在20℃恒溫室中測量砂漿棒的基準長度，然后將試件放人裝有濃度為1mol/L的NaOH溶液的養護筒中，養護筒放入80℃的恒溫水浴箱中，測量3d、7d、10d、14d的砂漿膨脹率，并隨時注意觀察有無裂紋和凝膠狀物質出現。若砂漿膨脹率小于0.10%，則骨料無害；砂漿膨脹率大于0.20%，則具有潛在有害堿活性；砂漿膨脹率介于0.1%和0.2%之間，為可疑骨料，需借助輔助試驗檢測評估。砂漿棒快速法可以評定單一骨料、混合骨料的堿活性。

　　3.5 巖石柱法

　　巖石柱法是檢驗碳酸鹽巖石骨料的堿活性的方法。這種方法是將碳酸鹽骨料制成直徑為9mm，高35mm的圓柱體，在蒸餾水中浸泡后在20℃恒溫室中測量初始長度，然后浸泡在1mol/L的NaOH溶液中，定期測量試件的膨脹率，若84d的膨脹率大于0.1%則具有危害活性，不宜作為混凝土的骨料；必要時要依據混凝土棱柱法的試驗結果做出判定。

　　3.6 混凝土棱柱體試驗法

　　混凝土棱柱法規定所用硅酸鹽水泥水泥的含堿

　　量為1.0%±0.2%，并通過外加NaOH的方法，使水泥當量含堿量達到1.25%?；炷林械乃嘤昧繛?20kg/m3，水灰比0.42~0.45；試件尺寸為75mmx75mmx275mm~75mmx75mmx405mm，在38℃，相對濕度100%的條件下儲存，以試件一年齡期的膨脹率作為判斷骨料堿活性的依據，當試件一年齡期的膨脹率等于或超過0.40%時，則骨料判定為潛在有害活性。膨脹率小于0.04%，則判定為非活性骨料。該方法適用于堿硅酸反應和堿-碳酸鹽反應的骨料。

　　4 堿骨料反應測試方法的評定

　　巖相法可判定骨料中是否含有活性成分，并能準確地判定各種活性成分的種類和含量，是所有測試方法中都必須使用到的，是砂漿棒法和混凝土棱柱法的基礎。

　　化學法的試驗結果只能對骨料的活性程度作為補充的依據，但由于各種因素的干擾和方法的局限性，這種方法只能對活性較高的骨料做出正確的判斷。

　　對于堿活性高的骨料，砂漿棒長度法和快速砂漿棒法的試驗結果都有較好的相關性，也趨于一致；但對于某些活性不大的或反應緩慢的骨料，兩種方法會得出不一致的結果，并可能導致誤判的發生。應以砂漿棒法的膨脹率作為最終判斷的依據，如表3所示。

　　

　　小砂漿棒快速法和砂漿棒快速法有一定的相關性，試驗的結果如表4所示。

　　

　　混凝土棱柱法比砂漿長度法更接近實際情況，通過一些粗骨料的堿活性的試驗，試驗結果與其他試驗方法的評定結果是一致的。

　　無論采用砂漿棒法還是混凝土棱柱法，試件的尺寸對骨料的最終膨脹值的影響是很大的。特別是對于緩慢反應型的骨料，這一影響將有可能給最終的判定帶來偏差。鑒于目前我國的現行的國家標準和行業標準大都采用常規的砂漿棒法來判定骨料的堿活性，建議將常規的砂漿棒法采用的尺寸由25mmx25mmx285mm改為40mmx40mmx285mm，以減少由試件截面尺寸過小導致結果偏差；由于混凝土棱柱法與實際混凝土相近，采用的混凝土棱柱體截面尺寸以75mmx75mm為宜。

　　采用不同的養護方式，試件的尺寸對混凝土膨脹值的影響不同：當采用濕氣養護時，截面的尺寸越大，膨脹值也越大；當采用NaOH溶液養護時，截面的尺寸越小膨脹值越大。

　　5 堿骨料反應破壞與其他質量事故的區別

　　5.1 堿骨料反應裂縫與混凝土干縮裂縫

　　混凝土干縮裂縫多發生在混凝土澆筑后的一個月內，以后在干燥環境中裂縫有所發展；堿骨料反應裂縫則有反應積累時間，出現的時間比較滯后，快則2~3年，慢則40~50年。

　　干縮裂縫一般呈網狀，有約束時，裂縫垂直于約束方向，而且裂縫量測的混凝土是干而平；堿骨料反應裂縫在無約束條件下也是呈網狀，但由于是膨脹裂縫，在裂縫的兩側的混凝土卻往往不平整，有一面拱起，在有鋼筋約束時呈順束開裂。

　　在同一混凝土部位，干縮裂縫在高溫干燥處增大，而在潮濕處減小。堿骨料反應裂縫則在潮濕部位首先開裂，干燥部位有可能不開裂。最常見的堿硅酸反應，一般在裂縫處溢出無色透明的堿硅凝膠。

　　5.2 堿骨料反應裂縫與鋼筋銹蝕裂縫、硫酸鹽侵蝕裂縫

　　鋼筋保護層碳化到鋼筋的表面，使鋼筋產生一層薄銹，但還沒有發生鋼筋保護層脹開，鋼筋與混凝土的握裹力被鐵銹替代，輕敲有空鼓的聲音，稱為層裂；混凝土堿骨料反應出現順筋裂縫，即使裂縫很大，敲擊也沒有空鼓聲。

　　混凝土接觸到含有硫酸鹽的水時，會導致硫酸鹽侵蝕，使混凝土表面顏色變黃或變深色，裂縫多而細，鋼筋銹蝕時，也會出現順筋縫。受硫酸鹽侵蝕的混凝土由外向內逐漸變酥，使混凝土失去強度層層剝落，與堿骨料反應的破壞明顯不同。

　　6 預防控制堿骨料反應的措施

　　6.1 控制水泥的堿含量

　　由于混凝土發生堿骨料反應破壞是由與混凝土的堿與活性骨料反應所致，為避免堿骨料反應造成的經濟損失，目前各國都是以預防為主，在配制混凝土時控制活性骨料的數量，減少水泥的堿含量，采用低堿水泥。但是受水泥資源的限制，不可能普遍使用低堿水泥。

　　6.2 金屬鋰化物對堿骨料反應的抑制

　　金屬鋰化物可以有效抑制堿骨料反應，但是金屬鋰化物造價高，不可能在工程中普遍使用。

　　6.3 選擇性使用骨料

　　對工程當地的骨料進行調研，明確當地骨料的安全含堿量的最高限值。

　　6.4 控制混凝土的堿含量

　　混凝土強度等級的提髙使每立方米水泥的用量增大，外加劑的使用越來越普及，由于砂源的不足而大量使用海砂，各種原因增加了混凝土的堿含量?！痘炷翂A含量限值標準》(CECS53:93)中規定了混凝土堿含量限值標準，如表5所示。

　　

　　目前，主要是摻人大摻量的活性摻合料降低水泥的用量，從而降低混凝土的堿含量，有效地緩解和抑制混凝土堿骨料反應的發生。試驗資料表明：摻入5%~10%的硅灰或30%粉煤灰或50%以上的礦渣粉，可以有效抑制堿骨料反應。

　　6.5 隔絕水和濕空氣

　　隔絕水和濕空氣能緩和堿骨料反應，減緩外在因素對混凝土工程破壞的作用。

　　7 結語

　　綜上所述，本文介紹了混凝土堿骨料反應的定義、分類、反應的機理、混凝土骨料堿活性的檢驗判定方法、各種檢驗方法的適用范圍和特點、堿骨料反應造成的裂縫與其它工程裂縫的區別。在一定意義上，對混凝土堿骨料反應作了一個全面、簡單的闡述。

　　混凝土耐久性是近年來混凝土界一直探討的話題。堿骨料反應是影響混凝土耐久性的一個重要方面，因此，有必要進行堿骨料反應的研究，以更好地預防混凝土堿骨料反應的發生，提高混凝土的耐久性。

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