碱集料反应危害及其预防措施

吴　琦

摘要：本文阐述了水泥混凝土碱集料反应(AAR)对水泥混凝土产生的危害，并从碱的来源、破坏原因的诊断、预防措施及如何判断混凝土发生碱集料破坏的可能性几方面进行分析，从而提出预防碱集料反应发生的主要技术措施。

关键词：碱集料反应 危害性 防止措施

1 碱集料反应的含义与危害

碱集料反应(Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR)是指水泥或混凝土中的碱(K₂O、Na₂O)与活性集料之间发生化学反应，使混凝土内部产生自膨胀应力而开裂破坏。其主要包括：

1.1 碱—硅酸反应(Alkali-Silica Reaction，简称ASR) 是碱与集料中活性SiO₂发生反应，生成碱的硅酸盐凝胶，吸水后体积膨胀，引起混凝土膨胀和开裂。

SiO₂·nH₂O+2ROH→R₂SiO₃(n+1)H₂O

1.2 碱—碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR) 是碱与泥质石灰、石质白云石反应，由于这类白云石含粘土较多，碱离子能通过包裹在细小白云石微晶外的粘土掺人到白云石颖粒，使其产生白云石化反应。

CaMg(CO₃)+2ROH→Mg(OH)₂+CaCO₃+RCO₃

但反应物不能通过粘土向外扩散，而是靠白云石化反应打开通道使粘土吸水，导致集料膨胀和开裂。

1.3 碱—硅酸盐反应，是碱与某些层状硅酸盐集料反应，使层状硅酸岩层间距离增大，集料膨胀而造成混凝土膨胀。

2 碱集料反应的影响因素

碱集料反应所以倍受工程界的广泛关注，重要原因之一是碱集料反应受多种因素的影响而难以控制。碱集料反应发生必须同时具备三个方面的条件：足够数量的碱(以Na2O当量计)、活性集料和水。

2.1 碱对碱集料反应的影响 碱是混凝土碱集料反应的内在根源之一，不含碱或碱含量过低，混凝土不会发生碱集料反应破坏。引起碱集料反应的碱不是通常化学意义上的碱，而是指碱金属钾、钠的化合物形式存在的碱，以氧化钠当量计。

2.2 活性集料 活性集料是碱集料反应的必需反应物之一，活性集料对碱集料反应的影响主要体现在其种类、含量和粒径三个方面。引起碱碳酸反应的活性集料主要是石灰石质白云石，目前，已发现的由这类活性集料引起的碱集料反应较少，大量碱集料反应是由含活性二氧化硅的集料引起的。这类集料包括蛋白石、玉髓、隧石、玛瑙、鳞石英、方石英、微晶石英、具有较强波状消光的石英和火山灰玻璃体等，虽然它们均参与碱硅酸反应，但由于其内部结构差异较大，使其碱活性差别较大，一般，蛋白石、玉髓的碱活性较高。

2.3 水 水或潮湿环境的存在是碱集料反应发生的必要条件之一。碱集料反应膨胀的发生主要根源于反应产物的吸水肿胀。如果混凝土或砂浆中不能提供反应产物吸水的条件，即使碱与活性集料发生了化学反应，反应产物也不会膨胀。这也是采取物理措施如对结构表面进行防水处理防止碱集料反应膨胀破坏的技术基础

2.4 掺合料 掺合料的种类和数量对混凝土碱集料反应有重要影响，通常，矿物掺合料对碱集料反应具有抑制作用。具体情况在本文后部分说明。

2.5 温度 如同其它化学反应，温度对碱集料反应有一定影响，温度对碱集料反应速率的影响符合阿仑尼乌斯定律。但温度对碱集料反应膨胀的影响具有自身特点。研究表明，其它条件相同时，砂浆的碱集料反应膨胀率随温度的变化呈现如下次序:40℃＞80℃＞20℃。

上述反应表明，无论是硫酸钠还是防冻盐均与混凝土中的碱集料反应之间相互协同作用，促进碱集料反应，加速混凝土性能的劣化。目前，有关硫酸钠、防冻盐与混凝土碱集料反应协同作用的机理尚有待进一步研究。

3 碱集料反应的抑制与预防

由于碱集料反应被称为水泥混凝土的癌症，因此，对己存在的水泥混凝土工程，己确定发生碱集料反应而破坏的工程，几乎不可能被修复，预防和抑制碱集料反应的措施包括两大类:物理措施和化学措施，前者主要通过对混凝土表面进行防水处理、选择不含活性组分的集料和使用低碱水泥等，后者包括使用矿物掺合料和掺加化学外加剂等，虽然原理有所不同，但实际应用中往往采用几种途径综合处理。具体途径包括:

3.1 使用非活性集料 活性集料是碱集料反应的基本组分，如果集料不具有碱活性，碱集料反应自然不会发生。使用非活性集料可以根治碱集料反应，其实施需要有良好的资源和可靠的检验方法为基础。但在有些地区，使用非活性集料需要付出昂贵的经济代价。

3.2 使用低碱水泥 使用低碱水泥，从而将混凝土的总碱量控制在足够低的水平，可以有效防止碱集料反应破坏的发生。通常所说的低碱水泥是指其碱含量低于水泥重量0.6％(以氧化钠当量计)的水泥。目前，在碱集料反应较严重的国家或地区如南非、美国、日本、加拿大等，均将使用低碱水泥作为预防碱集料反应的重要措施。

3.3 限制混凝土的总碱量 一定量碱是混凝土发生碱集料反应的必要条件之一，因此，限制混凝土中碱的总量可以预防碱集料反应。该措施与使用低碱水泥的目标一致，但它将混凝土中各组分所带入的总碱量作出规定，控制条件更严格，技术上也更合理。根据资源、环境的具体条件，许多国家均规定了预防碱集料反应时单位体积混凝土允许的最高碱含量，如英国—4kg/m³，澳大利亚约—2kg/m³，新西兰—5kg/m³，美国—3.3kg/m³，日本—3kg/m³，南非—2.1kg/m³。由于对混凝土强度及工作性的影响，抑制碱集料反应时，沸石的掺量一般控制在水泥用量的20～40％，且经500℃热处理的沸石粉具有更好的抑制碱集料反应的功效。

3.4 表面处理 在混凝土表面涂敷涂层以阻止外界介质特别是水和侵蚀介质向混凝土的渗透，可以有效预防混凝土的碱集料反应。这是一种物理措施，虽然有效，但保护层往往易于老化，需经常修补。

4 结束语

混凝土碱集料反应，是一项十分复杂的课题，即使采取了周密的措施，碱集料反应也是不可避免的。我们只有综合考虑，采取综合措施才能使混凝土碱集料反应降到最低，从而增加混凝土的耐久性。

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