混凝土碱集料反应综述

混凝土碱-集料反应综述

【摘要】本文介绍了混凝土碱-集料反应的种类，讨论了碱-集料反应的必要条件和反应机理，并概括了碱-集料反应的破坏特征和当前混凝土工程中碱-集料反应的抑制技术措施。

【关键词】碱-集料反应；反应机理；破坏特征；预防措施

耐久性决定着混凝土结构的使用寿命。在通常情况下，混凝土结构是耐久的，但是在有害介质的侵蚀和恶劣的环境下，许多混凝土结构表现出因耐久性不足而过早失效甚至彻底损坏的现象，如碱-集料反应是造成混凝土结构破坏失效的重要原因之一。随着我国重点工程持续大规模地发展，预防碱-集料反应破坏、延长工程的寿命已成为普遍关注、需迫切解决的问题。

一碱-集料反应的概念

当水泥碱含量较高时，在有水存在的条件下，水泥中的碱与混凝土集料中的某些活性集料发生反应，使混凝土发生不均匀膨胀，导致混凝土出现裂缝，强度和弹性模量下降等威胁到工程的安全使用。这就是碱-集料反应。

二碱-集料反应的种类和特点

1．碱-硅酸（集料）反应

指活性集料如蛋白石、玉髓、鳞石英、方石英、流纹岩、安山岩及凝灰岩等与碱起反应而造成的膨胀破坏。这种反应简称为“碱-硅”反应。它有三个明显特点：混凝土表面产生杂乱的网状裂缝；活性集料周围出现反应环；在裂缝及附近孔隙中，有硅酸钠（钾）凝胶，当其失水后可硬化或粉化。

2．碱-碳酸盐反应

集料中某些微晶或隐晶的碳酸盐岩石，如某些方解石质的白云岩和白云石的石灰岩等与水泥中的碱和水起反应，产生体积膨胀破坏。

三碱-集料反应的必要条件

1．混凝土中必须有相当数量的碱。混凝土中碱的来源可以是配制混凝土时形成的,即水泥、外加剂、掺合料、集料及拌合水中所含的可溶性碱；也可以是混凝土工程建成后从周围环境侵入的碱。即使配制混凝土时含碱量较低，只要环境中外来的碱增加到一定程度，同样可使混凝土工程造成碱-集料反应破坏。水泥中的总碱量以等当量Na2O计，即：

R2O=Na2O+0.658×K2O

2．混凝土中必须有相当数量的、能与碱发生反应的活性集料。在碱-硅酸盐反应中，由于每种活性集料与碱反应对混凝土的危害都有其自身规律。即混凝土在一定含碱量条件下，每种碱活性集料都有其造成混凝土内部膨胀压力最大的最不利比率，当混凝土含碱量变化时这一最不利比率也发生变化。因而碱活性集料在混凝土中的危害是一个比较复杂的问题，必须通过试验才能确定。

3．混凝土工程的使用环境必须有足够的湿度。在干燥状态下不会发生碱-集料反应，只有当空气中相对湿度大于80%或与水直接接触时，混凝土才会发生碱-集料反应破坏。

四碱-集料反应的机理

1．碱-硅酸（集料）反应机理。在使用高碱水泥或碱含量较高的混凝土中，碱与活性集料中的硅酸发生的反应，生成硅酸碱类：

2NaOH+SiO2+nH2O→Na2O·SiO2·nH2O

硅酸碱类呈胶体状，并从周围介质中吸水膨胀，体积可增大3倍，当其膨胀受到水泥石的限制而发生较大的膨胀压力和渗透压力时，就会使混凝土产生裂缝和崩坏。

2．碱-碳酸盐反应机理。一般认为，碱-碳酸盐反应是岩石中的白云石与碱溶液间的化学反应，反应产物是方解石、水镁石和碳酸碱。在混凝土中，生成的碳酸碱会与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成碳酸钙并使碱再生，使反应持续进行。该反应膨胀的驱动力为反应生成的方解石和水镁石晶体在受限空间生长产生的结晶压力。碱-碳酸盐反应式为：

CaMg（CO3）2+2ROH→Mg（OH）2+CaCO3+R2CO3

R2CO3+Ca（OH）2→2ROH+CaCO3

式中：R——代表钾和钠，是水泥中的碱分。

经计算，白云石变成水镁石，其体积增加239%，足以造成混凝土的破坏。

五碱-集料反应破坏的特征

混凝土一旦发生碱-集料反应破坏，就会表现出碱-集料反应的特征，在外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物；内部特征主要有内部凝胶、反应环、活性集料、碱含量等。工程发生碱-集料反应出现裂纹后，会加速混凝土的其它破坏。如空气、水、二氧化碳等侵入。会使混凝土碳化加快，当钢筋周边的混凝土碳化后，则将引起钢筋锈蚀，而钢筋锈蚀体积膨胀约3倍，又会使裂缝扩大；若在寒冷受冻地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏加速，这样就造成了工程混凝土发生综合破坏。但只要发生了碱-集料反应破坏，就会留下碱-集料反应的内部和外部特征，通过对工程混凝土进行检测和分析，找出下述特征，还是可以帮助我们确定是否发生了碱-集料反应破坏以及破坏的程度等。

1．时间性

受碱-集料反应影响的混凝土需要几年或更长的时间才会出现开裂破坏。由于碱-集料反应是混凝土孔隙液中的可溶性碱与集料中的活性成分之间逐渐发生的一种化学反应，反应有渗透、溶解、发生化学反应、吸水膨胀等几个阶段，因此不可能在浇注后的很短的时间内表现出开裂，据国内外发现碱-集料反应工程破坏的报导，一般需要几年或更长的时间。例如：最早发现碱-集料反应的美国加利福尼亚州玉城桥建于1919~1920年，在建成后第三年发现桥墩顶部发生开裂，此后裂缝逐渐向下部发展；美国派克坝建于1938年，1940年发现大坝混凝土严重开裂；英国泽岛大坝建成10年后因发生“碱-硅”反应膨胀开裂。因而，在工程破坏诊断时应注意调查工程施工时间、季节等。

2．表面开裂

碱-集料反应破坏最重要的现场特征之一是混凝土表面的开裂。如果混凝土没有施加预应力，裂纹呈网状（龟背纹），每条裂纹长度约数厘米。开始时，裂纹从网点三分岔成三条放射

状裂纹，起因于混凝土表面下的反应集料颗粒周围的凝胶或集料内部产物的吸水膨胀。当其他集料颗粒发生反应时，产生更多的裂纹，最终这些裂纹相互连接，形成网状。

随着反应的继续进行，新产生的裂纹将原来的多边形分割成小的多边形，此外，已存在的裂纹变宽、变长。如果预应力混凝土构件遭受严重的碱-集料反应破坏，其膨胀力将垂直于约束力方向，在预应力作用的区域，裂纹将主要沿预应力方向发展，形成平行于钢筋的裂纹，在非预应力作用的区域或预应力作用较小的区域，混凝土表现出网状开裂。在碱-集料反应膨胀很大时，也会在预应力区域形成一些较细的网状裂纹。如果反应没有完全结束，裂纹宽度将持续增加。

3．膨胀

碱-集料反应破坏是由膨胀引起的，通过检查工程接头或相邻混凝土单元的位移可以提供混凝土是否发生膨胀的信息。

碱-集料反应膨胀可使混凝土结构工程发生整体变形、移位等现象，如某些长度大的构筑物的伸缩缝被顶在一起甚至被破坏，有的桥梁支点因膨胀增长而错位，有的大坝因膨胀导致坝体升高，有些横向结构在两端限制的条件下因膨胀而发生弯曲、扭翘等现象。总之，混凝土工程发生变形、移位、弯曲、扭翘等现象，是混凝土工程发生膨胀的特征，结合其它特征再确定该膨胀是否是碱-集料反应引起的膨胀。

4．渗出凝胶

碱-硅酸反应生成的碱-硅酸凝胶有时会从裂缝中流到混凝土的表面，新鲜的凝胶是透明的或者呈浅黄色，外观类似于树脂状。脱水后，凝胶变成白色。是否有凝胶渗出，取决于碱-硅酸反应进行的程度和集料种类，反应程度较轻或者集料中碱活性组分分为分散分布的微晶质至隐晶质石英等矿物（如硬砂岩）时，一般难以观察到明显的凝胶渗出。当集料只具有碱-碳酸盐反应活性时，混凝土中没有类似于碱-硅酸凝胶的物质生成，因此混凝土表面也不会有凝胶渗出。

5．内部凝胶

“碱-硅”反应的膨胀是由生成的碱-硅酸凝胶吸水引起的，因此碱-硅酸凝胶的存在是混凝土发生了碱-硅酸反应的直接证明。通过检查混凝土芯样的原始表面、切割面、光片和薄片，可在空洞、裂纹、集料—浆体界面区等处找到凝胶，因凝胶流动性较大，有时可在远离反应集料的地方找到凝胶。

6．反应环

有些集料在与碱发生反应后，会在集料的周边形成一个深色的薄层，称为反应环，有时活性集料会有一部分被作用掉。但也有些集料发生碱-集料反应后不形成反应环，因此不能将反应环的存在与否用来直接判定是否存在碱-集料反应破坏。但如果鉴定反应环的确是碱-集料反应的产物后，可作为发生了碱-集料反应的证据之一。

7．活性集料

活性集料是混凝土遭受碱-集料反应破坏的必要条件。通过检查混凝土芯样薄片，可以确定粗集料的岩石类型、不同岩石的数量、形状、尺寸、具有潜在活性的岩石类型及其活性矿物类型，可以确定细集料的主要组成、各种颗粒的数量、是否具有潜在碱活性及活性矿物所占的比例。