混凝土堿含量分析與影響因素分析

何國太

（山西交科公路工程咨詢監理有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

混凝土集料中某些活性礦物（活性氧化硅、活性氧化鋁等）與混凝土微孔中的堿溶液產生化學反應，生成堿- 硅酸凝膠、堿- 碳酸凝膠吸水產生膨脹壓力，使混凝土發生開裂、強度降低，嚴重時會導致混凝土破壞，這種現象稱為堿集料發應。

混凝土堿集料反應分為堿- 硅反應、堿- 碳酸鹽反應和堿- 硅酸鹽反應，其中堿- 硅反應最為常見[1]。引起堿集料反應的3 個條件中有兩個來自混凝土內部，一是堿性物質（含堿量以Na2O、K2O 當量計），或者處在堿滲入的環境；二是集料中有堿活性骨料；三是潮濕環境。

2 堿-硅反應機理

混凝土內部的水泥水化反應，生成強堿性氫氧化物，

Na2O+H2O→2NaOH，K2O+H2O→2KOH.

氫氧化鉀、氫氧化鈉再與粗細集料中的（非結晶）活性氧化硅相作用，生成硅酸堿類[2]。

2NaOH+SiO2→Na2OSiO2+nH2O（在水環境下），

2KOH+SiO2→K2OSiO2+nH2O（在水環境下）。

3 堿含量計算

3.1 混凝土中堿的來源

混凝土中堿來自水泥、摻合物料、外加劑、骨料和拌合水，其中水泥、摻合料和外加劑是主要來源。本次混凝土中總堿含量主要計算除骨料外其余原材料帶入混凝土中的堿，根據配合比設計，原材料包括水泥、水、集料、外加劑、粉煤灰、礦渣粉。

3.2 設計技術要求

某工程實例設計圖紙中指出：選用的骨料應在施工前進行堿活性試驗，優先采用非活性骨料，不應使用堿- 碳酸鹽反應活性骨料和膨脹率大于0.20%的堿- 硅酸反應活性骨料。當骨料堿- 硅酸反應膨脹率在0.10%～0.20%時，總堿含量不宜大于3.0 kg/m3（特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3），且應經堿- 骨料反應抑制措施有效性試驗驗證合格。

3.3 堿含量計算結果

表1 混凝土的堿含量計算

對水泥、水、外加劑、粉煤灰、礦渣粉的堿含量進行檢測，得到材料的堿含量結果（%）；水泥、水、外加劑按照各個標號混凝土中材料的配合比，計算每立方混凝土中各種材料的堿含量（kg/m3），粉煤灰堿含量取實測值的1/6，粒化高爐礦渣粉堿含量可取實測值的1/2，將所有材料的堿含量相加得混凝土總堿含量。各種原材料堿含量檢測值、各種配合比混凝土的堿含量計算結果見表1。

4 結果分析

4.1 水泥引入的堿含量

從圖1可見，由水泥引入的堿含量為1.21～2.585kg/m3，達到混凝土總堿含量的81%～94%；水泥引入的堿含量隨著水泥用量的增大而增加，C20的水泥用量最小，引入混凝土中的堿含量最小，C70的水泥用量最大，引入的堿含量也最大。C30 以上等級混凝土中的水泥引入的堿含量已經超過了特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。

圖1 混凝土中水泥的堿含量

4.2 水引入的堿含量

從圖2可見，由水引入的堿含量為0.042 255～0.054 149 kg/m3，達到混凝土總堿含量的1%～3%；隨著混凝土用水量的減少，引入的堿含量也減小，C70 的用水量最小，引入的堿含量也最小，C35 的用水量最大，引入的堿含量也最多。

圖2 混凝土中水的堿含量

4.3 外加劑引入的堿含量

從圖3可見，由外加劑引入的堿含量為0.013 76～0.030 186 kg/m3，達到混凝土總堿含量的0.8%～1.0%；隨著混凝土外加劑摻量的增加，引入的堿含量也增加；C20 的外加劑用量最小，引入的堿含量也最小；C70 的外加劑用量最大，引入的堿含量也最多，是C20 引入的2 倍多；由外加劑引入的堿含量隨著混凝土強度等級的提高而增加。

圖3 混凝土中外加劑的堿含量

4.4 粉煤灰引入的堿含量

從圖4可見，由粉煤灰引入的堿含量為0.036 7～0.223 33 kg/m3，達到C20 混凝土總堿含量的15%，達到C30 以上混凝土總堿含量的2%～7%；隨著粉煤灰用量的減少，引入的堿含量也減小，C50 的粉煤灰用量最小，引入的堿含量也最小，C20的粉煤灰用量最大，引入的堿含量也最多。

圖4 混凝土中粉煤灰的堿含量

4.5 每立方米混凝土的總堿含量

a）從表1可見，6 種水泥混凝土每立方米混凝土的總堿含量為1.5～2.9 kg/m3，均滿足一般橋涵不宜大于3.0 kg/m3的要求；C30 以上等級混凝土的總堿含量為2.2～2.9 kg/m3，均不滿足特大橋、大橋和重要橋梁不宜大于1.8 kg/m3的要求。因此，該項目不應使用堿- 碳酸鹽反應活性、膨脹率大于0.20%的堿- 硅酸反應活性的骨料。

b）從圖5可見，每立方米混凝土的總堿含量隨著混凝土強度等級的提高而增加（除C40 外）；C20強度等級最低，總堿含量最小；C70 強度等級最高，總堿含量最大，約為C20 的2 倍。

c）從圖6可見，水泥引入的堿含量對每立方米混凝土的總堿含量影響最大，水泥的引入堿含量、每立方米混凝土的總堿含量隨著混凝土強度等級的提高的變化規律一致。因此，水泥的堿含量對控制混凝土總堿含量具有重要意義。

圖5 混凝土的堿含量

圖6 水泥的堿含量與混凝土堿含量的對比

5 混凝土過高堿含量的危害

過高堿含量會導致混凝土出現集料膨脹、集料與水泥漿接觸周邊發生不良反應等現象，反應生成的堿硅酸凝膠的固體體積遠大于反應前的體積，吸水后體積膨脹增大3 倍以上，容易引起結構物開裂[3]。

6 預防措施

6.1 使用非活性骨料

對于本文的計算實例，由于涉及特大橋梁、重要結構，由于水泥引入的堿含量已經超過1.8 kg/m3的要求，應嚴格控制骨料種類，必須使用非活性骨料。

6.2 控制水泥的堿含量

采用堿含量小于0.3%的低堿水泥，減少水泥引入的堿含量，控制混凝土總堿含量小于1.8 kg/m3。

6.3 摻粉煤灰或礦渣粉

優化混凝土配合比，摻加粉煤灰或礦渣粉，取代30%左右的水泥。

6.4 適當降低水灰比

采用較低的水灰比，減少混凝土內部孔隙，從而降低混凝土的滲透性。

6.5 選用低堿減水劑

選用低堿減水劑，并且嚴格控制摻量。

7 結論

a）當水泥本身的堿含量達到0.55 以上時，C30以上等級水泥混凝土總堿含量可以滿足一般橋涵3.0 kg/m3的要求。

b）水泥引入的堿含量對每立方米混凝土的總堿含量影響最大，水泥的堿含量對控制混凝土總堿含量具有重要意義。為預防堿集料反應，采用低堿水泥和控制混凝土其他組分堿的引入。

c）通過優化混凝土的設計、施工、材料、管理等方面措施，預防過大的混凝土堿集料反應。