浅析碱对混凝土结构的影响

胡青兰

摘要：影响混凝土结构的碱主要来至三个方面——水泥、掺和料或混合材、化学外加剂及拌合水。水泥中的碱主要由水泥等生产原材料带入，生产水泥的粘土带入量较大，除外由掺和料与外加剂带进混凝土的碱含量也不可忽视。碱对混凝土结构影响具有两面性：一方面它是水泥中水化加速剂，水化产物的稳定剂及掺合料的激发剂，能够提高混凝土结构的抗冻性、耐磨性、抗碳化从而阻止钢筋锈蚀等性能；另一方面，在有碱活性集料及水的条件下，碱会引发碱—集料反应，从而引起混凝土膨胀开裂或钢筋的脆性断裂等。

关键词：碱；混凝土结构；影响

中图分类号： TV331 文献标识码： A

1、碱在混凝土结构中的积极作用

1.1加快水泥水化速度，增加混凝土早期强度

在水泥水化阶段，形成铝酸钙水化产物，并在碱性介质中稳定存在，加速该水化产物的迅速形成，同时能够激发掺合料活性，高硫高碱环境条件下，加快其玻璃体网络结构解体，迅速形成大量的C-H-S及钙钒石，使水泥浆体的大部分碱形成水化硫铝酸钙，该类水化胶凝矿物是水泥混凝土早期强度的贡献者。因此，一定的碱度能提高了水泥的水化反应速率，是促凝剂、早强剂、抗冻剂等外加剂的理论基础。

1.2稳定水泥水化产物，保护后期混凝土强度

在混凝土水化体系中，碱是水泥水化产物的稳定剂，水泥的碱度很高，其PH值始终为13.5左右，水泥中的四大矿物的水化生成物、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙等只在较高碱度的环境中才能保持长期稳定。当水泥及其掺合料的碱度降低到pH值12以下时，水泥水化产物会发生了晶形转变或衰变分解：水化硅酸钙的三维空间立体晶格网络会崩解为二维柱状晶体，长柱状水化铝酸钙晶格会分解为碎块状的立方晶格，长柱状高硫型水化硫铝酸会分解为立方状低硫型水化硫铝酸钙，最终将导致混凝土或混凝土后期强度的严重倒缩。

1.3护筋作用

混凝土在水化作用时，水泥中氯化钙生成氢氧化钙，使pH值一般可达到12.5～13.5，钢筋在这样的高碱环境中，表面容易生成一层致密氧化膜，即为钝化膜，它能够将钢筋和外部环境隔离开来，阻止钢筋的锈蚀，钝化膜在高碱环境中具有相当的稳定性。当混凝土表面发生碳化，即中性化，降低混凝土碱度，当pH值低至11.5时，钝化膜的稳定性就被破坏，当碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，pH继续降到9.88时，混凝土的氯离子吸附于钝化膜外，置换膜的氧而使钢筋发生溃烂性腐蚀。所以适当提高混凝土的碱储备，提高混凝土的抗碳化能力，能有效的阻止了钢筋的锈蚀。

1.4有利于抗冻性及耐磨性等耐久性

碱具有极高的化学活性，在水化过程中化学反应化合掉了相当的数量的碱，化学键合状态的碱化合物及碱性络合物，是相当稳定而牢固结合的，不会造成任何问题。孔隙中高浓度的碱溶液在负温条件下，大大降低冰点，不会因结冰而导致混凝土冻害，冰冻造成毛细孔水分渗透水压力理论和引气提高混凝土抗冻性才能成立，并取得积极效果，孔隙中的高浓度碱是混凝土利用引气剂改善抗冰冻性及抗盐冻性的理论基础。

混凝土碳化对钢筋混凝土及预应力混凝土结构抗锈蚀极为不利，但对素混凝土而言，混凝土表面的碳化能提高混凝土耐磨性，主要表现在碳化前后混凝土表面的硬度有提升，混凝土耐磨性有明显提高，水泥混凝土路面行驶的车辆尾气中的二氧化碳，足以促使水泥混凝土路表面加速碳化，从而提高表面耐磨性。

2、碱对混凝土结构的不利影响

2.1碱-集料反应

碱-集料反应是指混凝土集料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液在一定的条件下发生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂及掺合料，集料中活性材料主要是二氧化硅和硅酸盐、碳酸盐等。

混凝土碱集料反应分为3种：碱-硅反应，碱—碳酸盐反应和碱-硅酸盐反应，其中碱-硅反应最为常见。碱-硅是混凝土粗集料中含有非晶质的活性二氧化硅，水泥中存在的碱性氧化物（Na2O、K2O）或可以由其它途径待到碱（碱含量大于0.6%），在潮湿的环境中水泥浆中的碱性氧化物水解后生成的氢氧化钠、氢氧化钾与集料中的活性二氧化硅反应，在集料表面生成碱-硅酸凝胶体，这种胶体物质遇水膨胀后引起混凝土破坏；碱—碳酸盐反应是碱溶液与粗集料中的白云石之间在水的作用下反应引起的体积膨胀，致使混凝土开裂，与前者不同的是，后者反应继续生成碱，反复与白云石反应。

碱集料反应产生的碱-硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生。混凝土结构一旦发生碱集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏，空气、水、二氧化碳、盐碱等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大。若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会加速冻融破坏，就造成了混凝土工程的综合性破坏。

2.2软水侵蚀

软水是不含或仅含少量钙、镁等可溶性盐的水，雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水以及含重碳酸盐甚少的河水与湖水均属软水。软水侵蚀是指软水使混凝土中的氢氧化钙溶解，并促使其他水泥水化产物发生分解，强度降低，故也称为“溶出性侵蚀”。

在水量不多或无水压的情况下，由于周围的水迅速被溶出的氢氧化钙所饱和，破坏止于混凝土结构表面部位。但在大量水或流动水中，特别是当混凝土渗透性较大而又受压力水作用时，水不仅能渗入内部，而且还能产生渗透作用，将氢氧化钙溶解并渗滤出来，不仅减小了混凝土的密实度，降低其强度，而且由于液相中氢氧化钙的浓度降低，破坏水化物间的原先的平衡碱度，从而引起其他水化产物如水化硅酸钙、水化铝酸钙的溶解或分解，最后形成一些无胶凝能力的硅酸凝胶、氢氧化铝、氢氧化铁等，混凝土结构彻底遭受破坏。

2.3化学侵蚀

酸类侵蚀:其机理是酸类与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应。混凝土中的氢氧化钙与溶有CO2的水反应，生成不溶于水的碳酸钙，在CO2含量较高时，碳酸钙继续反应生成易溶于水的碳酸氢钙，该反应长期进行会导致混凝土结构疏松，密度下降，强度降低，碳酸的侵蚀工程上是最常见的化学侵蚀。另外混凝土中氢氧化钙浓度的降低又会导致其他水化产物的分解，进一步加剧了混凝土的腐蚀。无机酸中的盐酸、硝酸、硫酸、氢氟酸和有机酸中的醋酸、蚁酸、乳酸的腐蚀作用也较为严重。

盐类腐蚀:混凝土所处环境中含有钠、钾、铵等的硫酸盐时，它们会先与硬化的结构中的氢氧化钙起置换反应，生成硫酸钙，硫酸钙再与混凝土中的水化硫铝酸钙起反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水，其体积是原体积的2.22倍,会产生巨大的膨胀应力,对混凝土的破坏相当大。当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在孔隙中直接结晶成二水石膏，造成膨胀压力，同样会引起混凝土的破坏。当镁盐与混凝土中的氢氧化钙起置换作用时，会生成氢氧化镁与氯化钙，氢氧化镁无胶凝能力，氯化钙易溶于水，反应生成的石膏继而又产生硫酸盐侵蚀作用，形成双重腐蚀。

强碱腐蚀:水泥水化产物呈碱性，碱类溶液浓度不大时不会对混凝土造成明显损害。但铝酸盐（C3A）含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（NaOH、KOH）会发生反应，生成的铝酸钠溶于水。当混凝土被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥，则溶于水的铝酸钠会与空气中的CO2反应生成碳酸钠。由于水分失去，碳酸钠在混凝土毛细管中结晶膨胀，引起混凝土疏松、开裂。

结束语

目前工程对混凝土中碱对各项性能的影响的认识不全面，过于片面强调了碱集料反应造成的影响，而低估以致忽视了其他方面的因素。我们必须较为全面的了解混凝土中碱对其结构的利弊，工程运用时，切合实际，协调兼顾各项性能，控制混凝土中碱量。