淺談混凝土骨料堿活性反應、判別與防治

徐建閩 姜姍姍 王祖國

半個多世紀以來，在世界各地已發生多起因堿活性骨料反應而導致混凝土工程嚴重破壞的案例，部分工程因石料存在潛在堿活性反應而不得不放棄運距較近的料場。例如，美國的布克壩建成10 年后，發生了較嚴重的堿活性骨料反應；加拿大魁北克省的博赫爾格依斯水電站建成10 余年后，陸續發現壩體因堿活性骨料反應而出現嚴重的地圖狀開裂，并導致壩體各部位發生不同程度的位移；向家壩水電站運距較近的三疊系雷口坡組T22灰巖料場，經試驗證明，其中的含泥云質泥晶灰巖、泥質泥晶云灰巖、泥晶云灰巖等，存在堿-碳酸鹽活性反應，且不能進行有效抑制，最終不得不放棄。鑒于此，混凝土骨料的堿活性反應問題，已引起國內外工程技術人員的高度重視。

1 堿活性骨料反應及其危害

堿活性骨料指可與水泥或混凝土中的堿離子發生化學反應并產生體積膨脹的骨料。堿活性骨料反應主要包括堿-硅酸及堿-硅酸鹽反應和堿-碳酸鹽反應兩類。

（1）堿-硅酸反應是指水泥中的堿（K2O、Na2O）與骨料中的活性SiO2反應產生堿硅凝膠。堿硅凝膠不僅固體體積大于反應前的體積，而且具有強烈的吸水性，其吸水膨脹后，在混凝土內部產生膨脹應力，導致混凝土開裂；此外，堿硅凝膠吸水后會進一步促進堿骨料反應的發展，使混凝土內部膨脹應力繼續增大，發展嚴重的會使混凝土結構崩潰。

堿-硅酸鹽反應則是水泥中的堿（K2O、Na2O）與某些層狀硅酸鹽骨料反應，使層狀硅酸鹽層間距離增大，骨料膨脹而造成混凝土膨脹和開裂。

（2）堿-碳酸鹽反應的機理與堿-硅酸反應完全不同。在泥質、灰質白云巖中，含黏土和方解石較多，水泥中的堿（K2O、Na2O）與骨料中的碳酸鈣鎂發生反應，將其中的白云石（MgCO3）轉化為水鎂石（Mg（OH）2），水鎂石晶體排列的壓力以及黏土吸水膨脹，均會在混凝土內部產生膨脹應力，導致混凝土開裂。這種破壞在混凝土芯樣的表現為：在混凝土中形成與骨料相連的網狀裂紋，骨料有時會開裂，其裂紋會延伸到周圍的漿體中去，裂紋能延伸到另一顆骨料，有時也會從另一未發生反應的骨料邊緣通過。

2 堿活性骨料判別

國內目前現行的各類行業標準或規范，對堿活性骨料的判別和試驗，主要參考ASTM 的相關規范制定。

2.1 堿活性骨料初判

堿活性骨料初判，主要采用巖相法。詳見表1。

表1 常見含堿活性成分的巖石

2.2 堿活性骨料復判

對初判具有潛在堿活性的骨料，需送試驗室進行骨料堿活性的復判。

混凝土骨料堿活性試驗方法及適用范圍與判定標準參見表2。一般而言，應采取多種檢測方法相互對照進行綜合判定。

3 骨料堿活性破壞防治措施

3.1 堿-硅酸反應活性骨料

混凝土工程發生堿-硅酸反應破壞必須具備3個條件，一是配制混凝土時由水泥、摻合料、骨料、外加劑和水帶進一定數量的堿，或者混凝土處于堿摻入的環境中；二是存在一定數量的堿活性骨料；三是水或潮濕環境，可以提供反應物吸水膨脹時所需的水分。

堿（K2O、Na2O）是混凝土堿骨料活性反應的內在根源之一，不含堿或堿含量過低，混凝土不會發生堿骨料活性反應破壞。活性骨料是堿骨料活性反應的必須反應物，活性骨料對堿骨料活性反應的影響主要體現在其種類、含量和粒徑3 個方面，目前已發現的堿-硅酸活性反應主要是由含活性SiO2的骨料引起的。堿骨料活性反應發生膨脹的主要根源在于反應物吸水膨脹，如果混凝土或砂漿中不能提供反應物吸水的條件，即使堿與活性骨料發生了化學反應，反應物也不會膨脹。

表2 混凝土骨料堿活性試驗方法適用范圍與判定標準

基于以上分析，對于堿-硅酸反應活性骨料，通常采用如下方法來抑制其堿活性。

3.1.1 控制水泥含堿量

1941 年，美國提出水泥含堿量低于0.6%氧化鈉當量（即Na2O+0.658K2O）為預防發生堿骨料反應的安全界限。雖然有些地區的骨料在水泥含量低于0.4%時仍可發生堿骨料反應對工程的損害，但在一般情況下，水泥含堿量低于0.6%作為預防堿骨料反應的安全界限已為世界多數國家所接受，已有20 多個國家將此安全界限列入國家標準或規范。許多國家如新西蘭、英國、日本等國內大部分水泥廠均生產含堿量低于0.6%的水泥。加拿大鐵路局則規定，不論是否使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含堿量低于0.6%的低堿水泥。

3.1.2 限制混凝土堿含量

預防堿骨料反應最直接、最有效的技術措施就是降低混凝土內部的堿含量。混凝土中的堿來源于兩個方面：一方面是配制混凝土時形成的堿，包括水泥、摻合料、外加劑和混凝土拌合用水中的堿；另一方面是混凝土結構物在使用過程中從周圍環境中侵入的堿，如海水、融雪劑等中的堿。因此在降低混凝土內部堿含量時，不僅要限制水泥的堿含量，還要控制混凝土的總含堿量。我國GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規定：若使用活性骨料，用戶要求提供低堿水泥時，水泥中堿含量不得大于0.6%或由供需雙方商定；CECS 53—93《混凝土堿含量限值標準》規定：混凝土最大含堿量不大于3 kg/m3。

3.1.3 采用非活性骨料

為避免堿骨料反應發生，凡可能發生堿骨料反應的工程，在配制混凝土之前，均應檢驗所使用骨料是否具有堿活性。國家標準JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》對骨料的堿活性檢驗有明確要求。經堿骨料反應試驗后，由所使用骨料制備的試件應無裂縫、酥縫、膠體外溢等現象，在規定的試驗齡期內膨脹率應小于0.1%。

3.1.4 摻用低堿粉煤灰

粉煤灰抑制堿-硅酸反應的機理，可概括為粉煤灰對堿的物理稀釋以及對Ca（OH）2的吸附，使之與火山灰反應減少，甚至消除其間的Ca（OH）2與火山灰反應生成的低Ca/Si 比產物對堿的吸附、滯留和體系的致密化作用。通過試驗證明，摻用25%～35%的Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰，有顯著的抑制堿骨料膨脹破壞的作用，粉煤灰的比表面積越大，效果越明顯。

3.1.5 摻入礦物摻合料

礦物摻合料摻入到混凝土中后，可改變混凝土孔隙結構、降低滲透性、有效抑制堿骨料反應的發生，繼而提高混凝土結構的耐久性，但礦物摻合料摻量大小應考慮水泥、骨料和外加劑等因素，通過試驗確定他們的最佳摻量。摻量過多，會對混凝土早期強度增長有所不利，為施工人員難于接受；摻量太小，則會增加堿骨料反應的破壞作用。實踐證明，硅粉摻入量為5%～10%時，混凝土的膨脹量可降低10%～20%；粉煤灰摻入量大于20%、磨細礦渣粉摻入量大于60%時，混凝土的膨脹量可降低75%。

3.1.6 避免潮濕

為防止堿骨料反應的發生，應盡量使混凝土結構處于干燥狀態，特別是防止經常遭受干濕交替作用。必要時還可采用防水劑或憎水涂層，改善混凝土的密實度，降低混凝土的滲透性，減少雨水浸入混凝土內部。

3.1.7 摻用引氣劑

摻用引氣劑，使混凝土具有一定的含氣量，可以容納一定數量的反應物，減輕堿骨料反應的膨脹壓力。如在混凝土中引入4%的空氣，能使堿骨料反應產生的膨脹量減少40%。

3.1.8 摻用低堿外加劑

化學外加劑中堿含量基本上為可溶鹽（如Na2SO4等中性鹽），加入到混凝土后，會與水泥中的水化產物如Ca（OH）2等發生反應，產生部分OH-離子，并與留在孔隙溶液中的Na+、K+保持電荷平衡。由于含堿鹽外加劑能顯著增加孔隙溶液中的OH-離子濃度，進而加速堿骨料反應，因此，無論混凝土是否含有活性骨料，化學外加劑帶入的堿不得超過0.13 kg/m3。

3.1.9 其它措施

采用氫氧化鋰溶液對混凝土試件進行浸泡處理后，活性骨料在氫氧化鋰溶液中形成片狀晶體，有助于消除堿骨料反應危害；這是因為Li+與吸附在活性骨料表面的Na+、K+交換，搶先形成非膨脹型晶體產物。在混凝土中摻加適量鋼纖維，也有助于降低堿骨料反應的危害；鋼纖維或其他纖維（如尼綸纖維、腈綸纖維、碳纖維等）的存在雖不能抑制堿骨料反應的進行，但是配制一定數量的纖維，可以提高混凝土的抗拉強度和韌性，并對堿骨料反應所產生的膨脹壓力產生分散作用，繼而減小因堿骨料反應所引起的破壞作用。

3.2 堿-碳酸鹽反應活性骨料

碳酸鹽巖產生堿活性反應同樣需要具備3 個方面的特征，質地純正的石灰巖、白云巖是沒有堿活性的：（1）巖石具有獨特結構，即細小的白云石晶體晶粒一般為50 μm，分散在更細粒的方解石和黏土礦物基質中；（2）具有特定的礦物組成合成分，即白云石占碳酸鹽的40%～60%；（3）含有一定數量的酸不溶殘渣，其含量為5%～25%。

目前，國內外對堿-碳酸鹽反應活性骨料還沒有找到行之有效的抑制方法。

4 結 語

（1）隨著工程實踐中逐漸發生和發現堿活性骨料反應及其破壞，骨料的堿活性問題，已越來越引起國內外工程技術人員的重視。

（2）對堿活性骨料的判定，首先應采取巖相法進行初判，在此基礎上進一步進行堿活性復判。

（3）對堿-硅酸反應活性骨料，已有多項措施對其堿活性進行抑制，采用低堿水泥并摻拌一定比例的粉煤灰來抑制骨料的堿活性，是工程中常用的措施之一。目前，對堿-碳酸鹽反應活性骨料還沒有找到行之有效的抑制方法。質地純正的石灰巖、白云巖不具有堿活性。