混凝土碱含量分析与影响因素分析

何国太

（山西交科公路工程咨询监理有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

混凝土集料中某些活性矿物（活性氧化硅、活性氧化铝等）与混凝土微孔中的碱溶液产生化学反应，生成碱- 硅酸凝胶、碱- 碳酸凝胶吸水产生膨胀压力，使混凝土发生开裂、强度降低，严重时会导致混凝土破坏，这种现象称为碱集料发应。

混凝土碱集料反应分为碱- 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[1]。引起碱集料反应的3 个条件中有两个来自混凝土内部，一是碱性物质（含碱量以Na2O、K2O 当量计），或者处在碱渗入的环境；二是集料中有碱活性骨料；三是潮湿环境。

2 碱-硅反应机理

混凝土内部的水泥水化反应，生成强碱性氢氧化物，

Na2O+H2O→2NaOH，K2O+H2O→2KOH.

氢氧化钾、氢氧化钠再与粗细集料中的（非结晶）活性氧化硅相作用，生成硅酸碱类[2]。

2NaOH+SiO2→Na2OSiO2+nH2O（在水环境下），

2KOH+SiO2→K2OSiO2+nH2O（在水环境下）。

3 碱含量计算

3.1 混凝土中碱的来源

混凝土中碱来自水泥、掺合物料、外加剂、骨料和拌合水，其中水泥、掺合料和外加剂是主要来源。本次混凝土中总碱含量主要计算除骨料外其余原材料带入混凝土中的碱，根据配合比设计，原材料包括水泥、水、集料、外加剂、粉煤灰、矿渣粉。

3.2 设计技术要求

某工程实例设计图纸中指出：选用的骨料应在施工前进行碱活性试验，优先采用非活性骨料，不应使用碱- 碳酸盐反应活性骨料和膨胀率大于0.20%的碱- 硅酸反应活性骨料。当骨料碱- 硅酸反应膨胀率在0.10%～0.20%时，总碱含量不宜大于3.0 kg/m3（特大桥、大桥和重要桥梁不宜大于1.8 kg/m3），且应经碱- 骨料反应抑制措施有效性试验验证合格。

3.3 碱含量计算结果

表1 混凝土的碱含量计算

对水泥、水、外加剂、粉煤灰、矿渣粉的碱含量进行检测，得到材料的碱含量结果（%）；水泥、水、外加剂按照各个标号混凝土中材料的配合比，计算每立方混凝土中各种材料的碱含量（kg/m3），粉煤灰碱含量取实测值的1/6，粒化高炉矿渣粉碱含量可取实测值的1/2，将所有材料的碱含量相加得混凝土总碱含量。各种原材料碱含量检测值、各种配合比混凝土的碱含量计算结果见表1。

4 结果分析

4.1 水泥引入的碱含量

从图1可见，由水泥引入的碱含量为1.21～2.585kg/m3，达到混凝土总碱含量的81%～94%；水泥引入的碱含量随着水泥用量的增大而增加，C20的水泥用量最小，引入混凝土中的碱含量最小，C70的水泥用量最大，引入的碱含量也最大。C30 以上等级混凝土中的水泥引入的碱含量已经超过了特大桥、大桥和重要桥梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。

图1 混凝土中水泥的碱含量

4.2 水引入的碱含量

从图2可见，由水引入的碱含量为0.042 255～0.054 149 kg/m3，达到混凝土总碱含量的1%～3%；随着混凝土用水量的减少，引入的碱含量也减小，C70 的用水量最小，引入的碱含量也最小，C35 的用水量最大，引入的碱含量也最多。

图2 混凝土中水的碱含量

4.3 外加剂引入的碱含量

从图3可见，由外加剂引入的碱含量为0.013 76～0.030 186 kg/m3，达到混凝土总碱含量的0.8%～1.0%；随着混凝土外加剂掺量的增加，引入的碱含量也增加；C20 的外加剂用量最小，引入的碱含量也最小；C70 的外加剂用量最大，引入的碱含量也最多，是C20 引入的2 倍多；由外加剂引入的碱含量随着混凝土强度等级的提高而增加。

图3 混凝土中外加剂的碱含量

4.4 粉煤灰引入的碱含量

从图4可见，由粉煤灰引入的碱含量为0.036 7～0.223 33 kg/m3，达到C20 混凝土总碱含量的15%，达到C30 以上混凝土总碱含量的2%～7%；随着粉煤灰用量的减少，引入的碱含量也减小，C50 的粉煤灰用量最小，引入的碱含量也最小，C20的粉煤灰用量最大，引入的碱含量也最多。

图4 混凝土中粉煤灰的碱含量

4.5 每立方米混凝土的总碱含量

a）从表1可见，6 种水泥混凝土每立方米混凝土的总碱含量为1.5～2.9 kg/m3，均满足一般桥涵不宜大于3.0 kg/m3的要求；C30 以上等级混凝土的总碱含量为2.2～2.9 kg/m3，均不满足特大桥、大桥和重要桥梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。因此，该项目不应使用碱- 碳酸盐反应活性、膨胀率大于0.20%的碱- 硅酸反应活性的骨料。

b）从图5可见，每立方米混凝土的总碱含量随着混凝土强度等级的提高而增加（除C40 外）；C20强度等级最低，总碱含量最小；C70 强度等级最高，总碱含量最大，约为C20 的2 倍。

c）从图6可见，水泥引入的碱含量对每立方米混凝土的总碱含量影响最大，水泥的引入碱含量、每立方米混凝土的总碱含量随着混凝土强度等级的提高的变化规律一致。因此，水泥的碱含量对控制混凝土总碱含量具有重要意义。

图5 混凝土的碱含量

图6 水泥的碱含量与混凝土碱含量的对比

5 混凝土过高碱含量的危害

过高碱含量会导致混凝土出现集料膨胀、集料与水泥浆接触周边发生不良反应等现象，反应生成的碱硅酸凝胶的固体体积远大于反应前的体积，吸水后体积膨胀增大3 倍以上，容易引起结构物开裂[3]。

6 预防措施

6.1 使用非活性骨料

对于本文的计算实例，由于涉及特大桥梁、重要结构，由于水泥引入的碱含量已经超过1.8 kg/m3的要求，应严格控制骨料种类，必须使用非活性骨料。

6.2 控制水泥的碱含量

采用碱含量小于0.3%的低碱水泥，减少水泥引入的碱含量，控制混凝土总碱含量小于1.8 kg/m3。

6.3 掺粉煤灰或矿渣粉

优化混凝土配合比，掺加粉煤灰或矿渣粉，取代30%左右的水泥。

6.4 适当降低水灰比

采用较低的水灰比，减少混凝土内部孔隙，从而降低混凝土的渗透性。

6.5 选用低碱减水剂

选用低碱减水剂，并且严格控制掺量。

7 结论

a）当水泥本身的碱含量达到0.55 以上时，C30以上等级水泥混凝土总碱含量可以满足一般桥涵3.0 kg/m3的要求。

b）水泥引入的碱含量对每立方米混凝土的总碱含量影响最大，水泥的碱含量对控制混凝土总碱含量具有重要意义。为预防碱集料反应，采用低碱水泥和控制混凝土其他组分碱的引入。

c）通过优化混凝土的设计、施工、材料、管理等方面措施，预防过大的混凝土碱集料反应。