碱骨料反应

碱骨料反应

1、什么是碱骨料反应（简称AAR）

碱骨料反应是指混凝土原材料中的水泥、骨料、外加剂、混合料和拌合水中的碱性物质（Na2O或K2O）与骨料中碱活性矿物成分发生化学反应，生成膨胀物质（或吸水膨胀物质），从而使混凝土在浇筑成型若干年后，膨胀开裂，导致混凝土破坏的现象。被称为混凝土的癌症。

2、碱骨料反应的必要条件

①水泥及其他原材料（外加剂、掺和料等）的含碱量较高；

②活性骨料，骨料中含有一定量活性氧化硅等活性成分；

③水或潮湿环境。

3、碱骨料反应的类型

①碱硅酸反应（简称ASR）

混凝土中碱与骨料中微晶或无定形硅酸发生反应，生成碱硅酸类。反应式如下：

碱硅酸类呈白色凝胶固体，且具有强烈吸水膨胀的特征，最大时体积可最大3倍以上。这种反应一般发生在骨料与水泥石界面处，混凝土产生不均匀膨胀引起开裂。

碱硅酸反应是碱骨料反应的主要形式，能与碱发生反应的含有活性氧化硅矿物的岩石品种有多种，在火成岩、沉积岩和变质岩中都有存在。自然界中含有活性氧化硅的矿物可概括为2类：1）含有非晶体SiO2，主要指蛋白石和玻璃质SiO2。2）具有结晶不完整的SiO2矿物，如隐晶质至微晶质的玉髓、鳞石英、方石英等，酸性或中性玻璃体的隐晶质火山喷出岩，如流纹岩、粗面岩、安山岩及其凝灰岩等。自然界中结晶完整的石英在地质运动中受压，造成晶格扭曲、错位等，使结晶体外界面增多，也会产生不同程度的碱活性。

②碱碳酸盐反应（简称ACR）

混凝土中的碱与具有特定结构的粘土质细粒白云质石灰岩或粘土质细粒白云质骨料发生下列反应，进行所谓的去白云化作用：

碱碳酸盐反应的机理与碱硅酸反应不同，其特点是反应快，一般在浇筑后6个月就有膨胀或开裂现象，反应物中很少见凝胶产物，多呈龟裂或开裂。

③碱硅酸盐反应

混凝土中的碱与骨料中某些层状结构的硅酸盐发生反应，使层状硅酸盐层间间距增大，骨料发生膨胀，致使砼膨胀开裂，能发生这类反应的岩石有：页状硅酸盐岩石、石英质岩石、混合性硅酸盐岩石等。这类反应的特点是：在砼中膨胀的速度非常缓慢，一般30-50年后才会出现膨胀开裂现象，骨料颗粒周围少见反应环，凝胶产物也不多见，传统检测方法尚不能检测其碱活性。

4、骨料碱活性的检验方法

①岩相法

通过眼睛观察并结合偏光显微镜、X射线衍射，差热分析、红外光谱分析等手段，确定骨料的岩石种类，矿物组成和各组分含量，属传统的岩石碱活性鉴定方法，所提供的信息仅表明被检骨料产生碱骨料反应的可能性或可疑性，无法对其膨胀性作出定量的判定，故不能作为骨料碱活性的最终判定，还需要与化学法或砂浆长度法配合使用。

②化学法

在一定试验条件下测定某些粒级的骨料与规定浓度的NaOH溶液反应所溶出的SiO2浓度S c（mmol/l）及溶液碱度降低值R c（mmol/l）。当试验结果出现R c>70而S c>R c或R c<70而S c>35+R c/2中的任一种情况，该骨料就被认为具有潜在活性。如果不出现上述情况，则判定为非活性骨料，可作为最终判定，工程实践证明，化学法可能出现误判，不适用于膨胀过程缓慢的骨料，如片麻岩、含微晶石英或应变石英的砂岩等。因此，化学法的适用范围正在缩小。

③砂浆长度法

是将骨料按一定粒级配制后再按比例与水泥制成砂浆，在特定养护条件下，按龄期分别测出砂浆试件的长度。对于砂石骨料，当砂浆半年膨胀率超过%，可判定骨料具有碱活性。主要缺点是试验时间长，不能满足现代工程需要。

④快速砂浆棒法（南非学者Oberhoster 和年提出）

将试件放入80℃的1mol/l NaOH溶液中，以浸泡14d的膨胀值作为评定骨料潜在活性的依据。膨胀率<%为非活性，膨胀率>%为活性，膨胀率在%%之间为潜在活性，此法也被称为NBRI法，经多个国家的验证，研究发现此法与实际工程有较好的相关性，1994年稍作修改后被订为美国标准（ASTM C1260-94）和加拿大标准（CSA -25A）。我国学者在碱骨料反应研究中也多采用该法。

5、预防碱骨料反应的措施

①控制水泥含碱量

使用低碱水泥和减少水泥用量是降低砼总碱量的关键。美国提出水泥含碱量以低于%Na2O质量浓度为预防碱骨料反应的安全界限以来，虽然有些地区的骨料在含碱量低于%时仍发生碱骨料反应的危害。但水泥含碱量低于%作为安全界限已被广泛认可，《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）规定水泥中熟料碱含量不得超过%。

②控制混凝土含碱量

砼中的碱不仅来自水泥，还可能来自混合材、外加剂、水等几个方面，因此，必须控制砼原材料总碱量。我国对碱含量的限值或措施规定见表1。

③选择骨料

若水泥含碱量高，砼总碱量高或处于含碱环境下，对可能引起碱骨料反应的可疑骨料，应进行活性检验，如需将活性骨料与非活性骨料混合使用，则应经试验验证确认对工程无危害，方可按规定比例混合使用。建议采用花岗岩质骨料，绝大多数花岗岩质骨料不含有活性

SiO2。另外，花岗岩质骨料强度较高，能满足砼强度要求。

④掺混合材

硅灰、高炉矿渣、粉煤灰、沸石粉等活性混合材可缓解抑制砼的碱骨料反应，冰岛在生产水泥时掺入%%硅灰以预防砼碱骨料反应。美国、英国、德国等对高炉矿渣的推荐掺量为50%以上。粉煤灰的含碱量不同，即使含碱量高的粉煤灰，如取代30%的水泥，也可有效抑制碱骨料反应。资料显示，只要掺入不少于胶凝材料总量15%的混合材（一般选用粉煤灰或硅灰），就可以有效降低水化物的Ca/Si，达到抑制碱骨料反应的目的。另有数据表明，在砂浆膨胀试验中掺入30%的一级粉煤灰，可使砂浆半年膨胀率值比不掺用粉煤灰时降低66%。研究表明，粉煤灰掺量30%时，抑制效果最佳。

矿物掺合料能抑制或延缓碱骨料反应主要在于其部分替代水泥后的稀释作用，二次水化反应降低反应产物中氢氧化钙的含量，并形成较多能吸附一定量碱的低碱性水化硅酸钙，提高砼的密实度，改善砼内部孔结构。

当骨料碱活性较高时，矿渣掺量越大，抑制效果越好。一般认为应大于50%，此时砼的安全碱含量可达8.5kg/m3，当矿渣掺量达80%时，即使砼总碱量高达10，砼也不会发生AAR 膨胀。

⑤掺加纤维材料

在砼掺入钢纤维、碳纤维等材料，对碱骨料引起的膨胀有抑制、约束作用，能使破坏性膨胀转换为预应力的效果。在无法参用其他预防措施（加混合材、非活性骨料、控制砼碱量）的场合，可考虑此法。

⑥隔绝水和湿空气的渗入

碱骨料反应的充分条件是水分存在，砼内部相对湿度低于80%，则碱骨料反应会停止膨胀，相对湿度低于75%时，碱骨料反应就不会发生。因此通过提高砼的抗渗能力，做放水面层等方法，来组织水和湿空气的进入，可以缓和碱骨料反应带来的不利影响，但完全隔绝水和湿空气的进入是很难实现的。

⑦使用引气剂等外加剂

小气泡的存在可以使碱骨料反应产物嵌进分散的空隙中，降低了膨胀压力，从而减小碱骨料反应所产生的膨胀，但是，对于活性较高的骨料和高碱水泥，引气不能有效防止碱骨料