芻議鹼骨料反應對混凝土效能的影響

２０１１年第１期

黑龍江水利科技

ｎｏ．１．２０１ｌ

（第３９卷

文章編號

芻議鹼骨料反應對混凝土效能的影響

孫磷　，孫汝嶽

（１．黑龍江省水利四處工程有限責任公司，黑龍江牡丹江１５７０００；２．黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱１５００８０）

摘要：混凝土耐久性問題由來已久。由於耐久性問題導致工程破壞的事例很多，半個世紀以來，有大量工程都在未達到設計使用

年限就發生了劣化，最終導致破壞。影響混凝土耐久性的因素有物理作用，也有化學作用，涉及到凍融迴圈、鹼集料反應、

碳化、硫酸鹽腐蝕和鋼筋鏽蝕等各種作用。由於混凝土所處環境極其複雜，一般是受到多種因素同時作用。

關鍵詞：鹼集料；膨脹；含鹼量；混凝土；耐久性

中圖分類號文獻標識碼：ａ

１引言鹼集料反應是混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔

大量調查結果表明，混凝土因發生鹼集料反應而嚴重破隙中的鹼性溶液之間發生的反應。促使這類壞的工程例項大多是與鋼筋鏽蝕、乾濕迴圈及凍融迴圈等因反應發生必須具備３個條件，即在混凝土中同時存在活性礦素共同作用的結果。在英國的ｄｉｎａｓ大壩，通過芯樣巖相分物集料及ｋｏｈ、ｎａｏｈ和水。

其反應型別有鹼——矽反應、析發現，在０—１００ｍｍ的深度上，明顯有平行於表面的裂紋，鹼——矽酸鹽反應和鹼——碳酸鹽反應。

並隨著深度而減少，這是典型的凍融破壞的特徵，同時裂縫在水泥水化後，還有少量的游離ｃａ（ｏｈ）。該游離ｃａ

裡和集料周圍有凝膠存在。而在３７０～４７０ｍｍ的深度上，有

（ｏｈ）：與集料中含有的鉀長石或鈉長石反應會置換出ｋｏｈ

大量嚴重的開裂現象，在裂縫裡和集料周圍也發現有凝膠存

或ｎａｏｈ，在水泥水化反應初期，在集料顆粒四周形成ｃ—ｓ—

在，從現象上無法確定是鹼集料反應還是凍融對混凝土造成ｈ凝膠及ｃａ（ｏｈ）附著層。然後ｃａ（ｏｈ）與長石反應置

的破壞更佔優勢。試驗表明東北遼寧省的大黑汀水庫混凝換出ｋｏｈ或ｎａｏｈ，是發生鹼集料反應的乙個必要條件。土表面剝落和開裂是凍融迴圈作用的結果，可是通過掃瞄電ｋｏｈ與ｎａｏｈ同活性礦物集料的反應則因礦物成分不鏡分析不僅有鹼矽凝膠生成，並伴有開裂，所以其破壞是凍同而異。

融迴圈和鹼集料反應共同作用的結果。在鹼——矽反應中，ｋｏｈ或ｎａｏｈ與ｓｉｏ　間發生如下混凝土鹼集料反應是指混凝土中的鹼和環境中可能滲反應：

入的鹼與混凝土集料（砂石）中的鹼活性礦物成分，在混凝土一ｏｈ一固化後緩慢發生化學反應產生膠凝物質因吸收水分後發生當ｋｏｈ或ｎａｏｈ的濃度較低時，反應到此為止。混凝土膨脹，最終導致混凝土從內向外延伸開裂和損毀的現象　ｊ。內部結構不會發生破壞，但當ｋｏｈ或ｎａｏｈ的濃度較高時，裂縫寬度達數公釐，有的高達５　ｅｍ。

在全球範圍內由鹼集料則隨著時間的推延還會發生下乙個反應：

反應造成的損失可謂觸目驚心。它是引起混凝土結構破壞ｓｉ一０一的主要因素之一，被稱為混凝土建築「癌症」。據該領域國際

ｎａ　ｏ（ｋ　ｏ）一　＋ｈ２ｏ

著名學者——來自加拿大ｌａｖａｌ大學的ｂｅｒｕｂｅ教授介

即當ｋｏｈ與ｎａｏｈ濃度較高時，它不僅能中和ｓｉｏ　顆紹，在國外由於鹼集料反應引起的建築毀壞例項眾多，僅加粒表面及微孔中的ｈ　，還會破壞ｓｉ—ｏ—ｓｉ之間的結合鍵，

拿大魁北克省１４０座大壩中就有３０座因發生鹼集料反應而使ｓｉｏ　顆粒結構鬆散，並使這一反應不斷向顆粒內部深入形引起損壞。

成鹼矽膠。這種鹼矽膠體積會吸收微孔中的水分，發生體積膨脹。在周圍水泥漿已經硬化的條件下，這種體積膨脹會受２鹼骨料反應的分類和機理』

到約束，產生一定的膨脹應力。當該應力超過水泥漿或砂漿２．１鹼矽酸反應

的抗拉強度時，即會引起其開裂，使混凝土結構破壞。這一水泥中的鹼與骨料中的活性ｓｉｏ　成分反應產生鹼矽酸

反應引起的體積膨脹量與混凝土孔隙中的含水量有關（水分鹽凝膠或稱鹼矽凝膠，鹼矽凝膠固相體積大於反應前的體充足時可增大３倍），因此，為減少這種膨脹應力，必須防止積，富有強烈的吸水性，吸水後膨脹引起混凝土內部膨脹應水分由外部滲入混凝土孔隙中，即對混凝土結構予以防水處

力，而且鹼矽凝膠吸水後進一步促進鹼集料反應的發展，使

理。混凝土內部膨脹應力增大，導致混凝土開裂。發展嚴重的會２．２鹼碳酸鹽反應

使混凝土結構崩潰。能與鹼發生反應的活性氧化矽礦物有鹼碳酸鹽反應的機理與鹼矽酸反應完全不同，在泥質石

蛋白石、玉髓、鱗石英、方英石、火山玻璃及結構有缺欠的石灰白雲石中含黏土和方解石較多，鹼與這種碳酸鈣鎂反應英以及微晶、隱晶石英等，而這些活性礦物廣泛存在於多種時，將其中的白雲石［ｍｇｃｏ。］轉化為鎂石［一ｍｇ（ｏｈ）：］，水岩石中，如安山岩、流紋岩等。

迄今為止，世界各國發生的鹼鎂石晶體排列的壓力和黏土吸水膨脹，引起混凝土內部應集料反應絕大多數為鹼矽酸反應。力，導致混凝土開裂。

［收稿日期

［作者簡介］孫磷（１９７３一），男，遼寧康平人，工程師，主要從事水利施工；，孫汝嶽（１９６４一），男，黑龍江哈爾濱人，高階工程

師，主要從事水利施工。

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黑龍江水利科技

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２．３鹼矽酸鹽反應

水泥（或混凝土）中鹼與某些層狀矽酸鹽集料反應並導

過摻入混合材料的方法來抑制鹼集料反應，但混合材料必須有足夠的摻量，而較高的混合材料摻量有可能導致混凝土效能的降低。為了滿足混凝土效能的要求，一些工程技術人員則隨意放寬了混凝土的鹼含量限值，甚至根本不控制混凝土的鹼含量。

致砂漿或混凝土產生異常膨脹，這一類反應亦可歸為鹼矽酸反應。

鹼矽酸鹽反應的機理與鹼矽反應的機理類似，只是反應

速度比較緩慢而已。鹼——碳酸鹽反應，目前是認為可以將鹼——碳酸鹽反應引起的混凝土破壞歸結為白雲質石灰岩集料白雲石化脫出引起的體積膨脹。其反應式為：

由於這些問題的存在，人們自然會提出３．０　ｋｓ／ｍ　鹼含量

是否一定安全？如果不安全，混凝土鹼含量應控制在什麼水平才是安全的？混凝土鹼含量必須要控制在３．０ｋｓ／ｍ。以下嗎？可以放寬否？這些問題一直困擾著工程界，幾乎成為每

這一反應不是發生在集料顆粒與水泥漿的介面，而是發

生於集料顆粒的內部。計算表明，白雲石變成水晶體體積膨脹２３９％，某些白雲石晶體的膨脹率可達其他鹼集料反應

①高矽質砂礫石集料在砂漿或混凝土中引起地形開裂；②含黏土多的水成巖（雜砂岩、泥質板岩、千枚岩、泥質岩石

個重大混凝土工程都要反覆論證而又難以決策的老問題，因而只有通過實驗來確定。３．２混凝土的水灰比

一水灰比對鹼集料反應的影響是錯綜複雜的，水灰比大，混凝土的孔隙率增大，各種離子的擴散及水的移動速度加

等）由於鹼矽酸反應（黏土是層狀晶格矽酸鹽）引起黏土礦物「剝落」。

大，會促進鹼集料反應的發生。但從另一方面看，混凝土水

灰比大其孑ｌ隙率大，又能減少孔隙水中鹼液濃度，因而減緩鹼集料反應。從而在通常的水灰比範圍內，隨水灰比減小，鹼集料反應的膨脹量有增大的趨勢，在水灰比為０．１４時，膨脹量最大。

３．３反應性集料的特徵

混凝土及砂漿的鹼集料反應膨脹量與反應性集料本身的特性有關，其中包括集料的礦物或分級粒度、集料用量等。

３　影響鹼集料反應的主要因素

由鹼集料反應的機理可知，影響這一反應的主要因素為水泥的含鹼量、集料本身有無反應性及孔隙水量，這三要素

缺一不可。因此，影響鹼集料反應的因素也均與這三要素緊密相關。３．１水泥的含鹼量

鹼集料反應引起的膨脹值與水泥中的ｎａ０的當量含量

緊密相關水泥中含鹼量越高膨脹量越大。針對目前的研究與對控制混凝土安全鹼含量認識的現

般來說，隨著反應性集料含量的增加，混凝土的反應膨脹量加大。集料粒度對鹼集料反應也有影響、粒度過大或過小都能使反應膨脹量大為減小，中間粒度的集

一狀，１９９３年我國就提出了《混凝土鹼含量限值標準》ｃｅｃｓ５３：

９３。這一標準規定：「在集料具有鹼——矽反應活性時，依

據混凝土所處的環境條件對不同的工程結構分別採取表１中的鹼含量限值或措施」。

表１混凝土鹼含量的限值ｋｇ（ｉｎ　）

料引起的反應膨脹量最大，因為此時反應集料的總表面積最

大。另外，反應性集料的孔隙率對其反應膨脹量也有影響。某些天然輕集料如火山渣及浮石中活性ｓｉｏ，含量很高。按

常理，以這些天然輕集料配製的混凝土理應發生鹼集料反應，但至今為止未發現天然輕集料混凝土發生鹼矽酸鹽反應的例項。估計是因為輕集料孔隙率大，緩解了膨脹應力的緣故，這說明多孑ｌ集料能減緩鹼集料反應。３．４混凝土孔隙率

混凝土及砂漿的孔隙也能緩減鹼集料反應時膠體吸收水產生的膨脹應力，因而隨著孑ｌ隙率增加，反應膨脹量減小，特別是細孔減緩效果更好。因此，加入引氣劑能減緩集料反應的膨脹。根據試驗結果測得引入４％的空氣能使膨脹量減

少４０％。

在通常情況下，混凝土的鹼含量需控制在以當量ｎ％ｏ計）以下。因此，一些工程技術人員把３．０ｋｓ／ｍ

的鹼含量看成是鹼集料反應的安全線，認為只要混凝土的鹼含量就絕對安全了。事實上，一些工程對控制混凝土的鹼含量＜３．０ｋｓ／ｍ　是很容易做到的，但這些工程並不

３．５環境溫濕度的影響

混凝土或砂漿的鹼集料反應離不開水，因此環境濕度對

其有明顯影響。雖然說在低濕度條件下混凝土孔隙中的鹼溶液濃度增加或促進鹼集料反應。但如果環境相對濕度＜８５％時，若外界不供給混凝土水分，則不會發生混凝土中反應膠體的吸水膨脹。

環境溫度對鹼集料反應也有影響。對每一種反應集料都有乙個溫度限值。在該溫度以下，隨著溫度增高膨脹增大，而超過該溫度限值，反應膨脹量明顯下降。

這是因為在高溫下鹼集料反應加快，砂漿或混凝土未凝之前即已完成了膨脹，而在塑性狀態的混凝土能吸收膨脹應力所致。

定不發生鹼集料反應。例如，大壩混凝土的膠凝材料用量

大約為一般按膠凝材料鹼含量為

一１％計算，同時考慮摻０．８％的超塑化劑，並按鹼含量為ｌ％計

算，則混凝土的鹼含量也僅為儘管如此，仍然發現了大壩因鹼集料反應破壞的例項。混凝土鹼含量的限制將可能引起對原材料的限制或對混凝土配合比的限制，使得些資源的利用受到限制。例如大流動度高強混凝土，這種混凝土的膠凝材料用量一般都在４５０　ｋｓ／ｍ　以上，甚至

一參考文獻：

［１］李亞傑．建築材料［ｍ］．北京：中國水利水電出版社，２００４．

［２］姜志青．道路建築材料［ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５．［３］黃士元，蔣家奮，楊南如，等．近代混凝土技術［ｍ］．西安：陝西

科學技術出版社，１９９８．

而且都摻有相當數量的超塑化劑。如果膠凝材

料鹼含量按０．６％，超塑化劑鹼含量按１０％且摻量按０．７％考慮的話，即便膠凝材料用量為混凝土的鹼含量也因而不得不採用低鹼水泥。當然，也可能通

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芻議鹼骨料反應對混凝土效能的影響

骨料鹼活性控制標準2019

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酸和鹼能發生什麼反應

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