[摘要]：本文以具体事例介绍了混凝土碱骨料破坏对工程结构的影响，阐述了碱骨料反应的分类和机理，说明了碱骨料反应发生发展的原因和基本特征；进一步讲明了怎样预防碱骨料反应对工程结构破坏和应采取的切实有效具体措施，从而使人们对碱骨料反应有一个比较正确的认识。

一、前言
所谓碱集料反应（英文简称AAR）就是水泥（或混凝土）中的碱与某些骨料发生化学反应，引起膨胀开裂，甚至破坏称之为碱集（骨）料反应。含有碱活性矿物的集（骨）料称为碱活性集（骨）料，亦称为碱集（骨）料。自1940年美国的斯坦顿（T.E.stanton）首次证实，因为碱集料反应引起混凝土工程破坏以来，AAR已越来越受到各国建筑工程师、材料工程师和政府有关部门的重视。
混凝土中AAR的特点是反应缓慢，持续时间长。正因为如此，混凝土结构从浇筑到产生明显的AAR破坏一般在1年以上，有时甚至达20-30年，英国六十年代前被认为是不会发生AAR的国家，但在七十年代时，却发生一些20-30年前建造的混凝土工程遭到了AAR引起的破坏。对于AAR，学者有不同的争论，但就引起工程结果破坏这一点，大家的观点是一致的。丹麦学者认为AAR完全反应需10-20年的时间，如水分充足30-40年后反应才有可能终止；英国学者认为完全反应需要8-15年；新西兰研究者认为要20年。由此可见，AAR严重影响工程的耐久性，引起的破坏要花大量的人力、物力、财力来修补或重建，有些损失甚至是永远不可弥补的，故在世界工程界AAR被称为"混凝土癌症"。正因为AAR有巨大的破坏性，世界上许多国家，特别是美国、日本、德国、英国、法国、加拿大等一些发达国家，投入了大量的人力和资金进行AAR的研究，取得了相当多的成果。我国由于过去水泥含碱量一般不高，再加上自本世纪五十年代后的30余年来，一直生产高混合材水泥，如七十年代曾大量生产使用矿渣400号水泥，其中矿渣含量高达60-70%。有这么多的活性混合材可以起到消化缓解碱的作用，因而在八十年代以前我国一般土建工程尚未见AAR对工程损害的报告，以致现在许多设计、施工工程技术人员对AAR问题还比较生疏。今天随着混凝土高强化的趋势，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥大批量使用，水泥用量的不断增加，外加剂的多样化，从而导致单位体积混凝土的总碱量成倍增加，这一切为AAR创造了"物质基础"。因此我们每个工程技术人员，十分有必要了解AAR并采取措施，从而达到预防的目的，进而提高混凝土的耐久性。
二、我国由碱集料反应引起混凝土结构破坏的实例
北京市的三元立交桥建成于1984年，投资1亿多元，在八十年末已发现开裂，目前盖梁及桥台开裂十分严重，裂缝宽度最大已达1.4厘米，不得不采取措施将桥墩扩大以支撑悬臂盖梁。三元桥的水泥用量300-400Kg/m3，使用北京地区含碱较高砾石做集料，施工中为了防冻和缩短凝固时间，又掺入了防冻剂和早强剂，使部分混凝土中的碱含量（即当量Na2O）含量高达15 Kg/m3，碱与混凝土骨料中某些成分发生反应，从而导致混凝土膨胀开裂与破坏。
天津市内的八里台立交桥，也是天津最大的立交桥，使用的含活性硅成份的蓟县灰岩做骨料。有许多潮湿部位的柱子、支撑梁发生网状开裂和顺筋开裂，有的桥台潮湿处混凝土胀裂，裂缝表面不平。天津市长江道立交桥柱子、支承梁和主粱梁端在潮湿处发生顺筋开裂，有些柱子表面发生网状裂缝。
1982年至1984年由北京某构件厂生产的预应力钢筋混凝土铁路桥梁188孔，用于山东兖石钱上。1991年调查了183孔，其中无裂缝的仅6孔，裂缝宽度一般在0.2-0.4mm之间，最大的达0.7mm。预制构件系采用高碱纯硅酸盐水泥，混凝土的碱含量约6.5 Kg/m3，虽然强度非常高，但仍然开裂严重。用北京地区的碱活性集料与高碱水泥生产的预制构件在河北的京秦线、陕西三原铁路工务段和江西景德镇的铁路桥梁上使用破坏同样严重。同时生产的铁路轨枕用于北京站、上海站、贵阳站、镇江站也是同样结果。
山东潍坊机场建于1984年，混凝土的碱含量约3.9 Kg/m3。九十年代初调查，开裂的跑道达33.3%，在实验室仔细鉴定证明，该机场主要为碱碳酸盐反应引起的破坏。
北京许多五十年代中期建造的大型工业厂房，早已裂痕累累列为危险建筑。1959年建成的人民大会堂、西效展览馆、北京站梁柱明显开裂，已经修复多次。1978、1979年告竣的朝阳门、建国门立交桥损伤严重。1980年投入使用的西直门立交桥已经加固。1984年铺成的京秦铁路桥梁损伤84.67%。1990年交付的国家奥林匹克体育中心已经大规模修补等等。以上工程主体结构一次使用寿命均不到50年，有的不到20年甚至不到10年。www.tmgc8.com
三、碱骨料反应的分类和机理
1、碱硅酸反应 水泥中的碱与骨料中的活性SiO2成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶，碱硅凝胶固相体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的发展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土开裂，发展严重的会使混凝土结构崩溃。
能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石、玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及结构有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等，而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中，因而迄今为止，世界各国发生的碱骨料反应绝大多数为碱硅酸反应。
2、碱碳酸盐反应 1955年加拿大金斯敦城人行路面发生大面积开裂，怀疑是碱骨料反应，用美国ASTM标准的砂浆棒法和化学法试验属于非活性骨料。后经研究，斯文森于1957年提出一种与碱硅酸反应不同的碱骨料反应——碱碳酸盐反奕。
一般的碳酸岩——石灰石和白云石是非活性的，只有象加拿大金斯敦这种泥质、石灰质的白云石，才发生碱碳酸盐反应。
碱碳酸盐反应的基理与碱硅酸反应完全不同，在泥质石灰白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁反应时，将其中的白云石[MgCO3]车化为镁石[Mg(OH)2]，水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土内部应力，导致混凝土开裂。
碱碳酸盐反应在斯文森提出后，在美国的印地安纳、弗吉尼亚·衣华达等州和其它国家也发现有这种类型的反应，近几年在我国的山东省和山西省也发现过这种类型的反应。
3、碱硅酸盐反应 1965年基洛特对加拿大的诺发·斯科提亚地方的混凝土膨胀开裂进行研究发现：
（1） 形成膨胀的岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；
（2） 膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；
（3） 能形成反应环的颗粒非常少；
（4） 与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。
这类反应主要指水泥（或混凝土）中碱与某些层状硅酸盐集料反应并导致砂浆或混凝
土产生异常膨胀，这一类反应亦可归为碱硅酸反应。
4、其他碱集料反应（1）高硅质砂砾石集料在砂浆或混凝土中引起地图形开裂；（2）
含粘土多的水成岩（杂砂岩、泥质板岩、千枚岩、泥质岩石等）由于碱硅酸反应（粘土是层状晶格硅酸盐）引起粘土矿物"剥落"。
四、碱骨料反应的发生原因（条件）和特征
混凝土工程发生碱骨料反应需要具有三个条件。首先是混凝土的原材料如水泥、混合
材、外加剂和水中含碱量高；其次是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。
在一定意义上说，由一定活性集料配制的混凝土，AAR膨胀随水泥的碱含量增加而增大，在水泥含碱量低于0.6%时，就可以避免发生AAR；后来在其他许多国家试验，由于骨料反应的活性不同，有时水泥含碱时低于0.4%，也有发生AAR膨胀量大的情况，水泥碱量高于0.6%称为高碱水泥已为大多数国家所接受；一定碱量的水泥，则集料颗粒愈小而膨胀愈大。研究发现，在较低的活性氧化硅含量范围内，对一定碱量，活性氧化硅含量越多，膨胀越大。但当活性氧化硅含量超过一定范围后，情形就相反了。随着水泥工业出现含不同混合材的水泥以及混凝土愈来愈多地掺用各种外加剂，以及日本、英国使用海砂配制混凝土，发现混凝土各种原材料成分中的碱（Na2O、K2O）均可导致发生AAR对工程的损害。
有关活性骨料，经世界各国许多学者四十余年的研究归纳具有碱活性的骨料如下表所示：
各国已发现碱活性矿物岩石
岩石 活性组分
火成岩 花岗岩 应变石英含量>30%花岗闪长岩 紫苏花岗岩
浮石流纹石安山石英安岩 酸至中性富SiO2的火山玻璃体粗面岩 磷石英珍珠岩黑曜岩火山凝灰岩
玄武岩 玉髓 蛋白石
变质岩 片岩片麻岩
应变石英含量>30% 石含量>5%
角页岩千枚岩 页硅酸盐、变石英泥板岩
沉积岩 砂岩 应变石英、燧石含量>5%
硬砂岩 页硅酸盐、应变石英
（球状） （板状）
硅藻土 蛋白石、微晶石英
碳酸岩 泥质白云石、页硅酸岩
表中所列含有碱活性的岩石，除最下一行的碳酸盐外，其余都是含活性二氧化硅的矿物。从表中所列活性成分看，一种是无定形（非晶体）二氧化硅，如蛋白石，火山玻璃；一种是结晶不完整的二氧化硅，如玉髓、鳞石英、微晶石英等，另一种是结晶完整，例如花岗岩为深成岩，其中石英结晶很完整，但由于地壳变动，受挤压力产生晶格扭曲变形，当其中应变石英含量大于30%时，就会发生碱活性。还有一种层状页硅酸盐属于现在有争议的碱硅酸盐反应活性骨料。www.tmgc8.com
愈是在潮湿多水的环境条件下，AAR对工程的损害发展愈快，往往在同一个混凝土工程，混凝土配制材料具备AAR的条件，在潮湿多水部位首先发生AAR损害，在其他部位则发展缓慢。
受AAR膨胀开裂的工程从外观上看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可以看到从裂缝处溢出白色或透明胶体的痕迹。在同一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征之一。AAR的一般特征是，在破坏的试样里可以鉴定出碱硅酸凝胶的存在，集料颗粒周围出现反应环。最后准确决断还需要从受害的工程取芯样鉴定。
五、碱集料反应破坏与其它一些质量事故的区别
1、碱骨料反应裂缝与混凝土工程其它裂缝
干缩裂疑多在混凝土浇筑后约一个月以内形成，以后在干燥环境中有所发展。AAR裂缝则有反应积累时间，出现裂缝的时间比较滞后，短至2-3年，长至40-50年。干缩裂缝一般是网状的，有约束时则裂缝垂直于约束方向，而且裂缝两侧的混凝土是干而平的；AAR裂缝在无约束条件时也呈网状，但由于膨胀裂缝，往往裂缝两侧的混凝土不平，有一面拱起，在有钢筋约束时呈顺束开裂。
在同一个混凝土部件，干缩裂缝在高温干燥处裂缝发展，而在潮湿处裂缝变小，小裂缝甚至可愈合；AAR裂缝则在潮湿部位首先开裂，干燥部位可能不裂。
别外，最常见的碱硅酸反应一般均从裂缝溢出无色透蝗的碱硅凝胶，时间长了，凝胶变成深色，但在裂缝两边仍遗留有凝胶痕迹，与干缩裂缝外观有明显的差别。
2、碱骨料反应裂缝与钢筋锈蚀裂缝、硫酸盐腐蚀裂缝
钢筋锈蚀，如混凝土保护层已经碳化到钢筋表面，钢筋已生一层薄锈，但还没有把保护层胀裂。此时钢筋与混凝土的握裹力已为铁锈所代替，敲击必有空鼓声，这种情况，称为层裂；AAR出现顺筋裂缝，即使裂缝很大，在钢筋没有锈蚀前，敲击时是没有空鼓声的。在发生AAR裂缝后，如不及时进行封缝外理，则氧气和水沿裂缝直接接触钢筋，钢筋很快会在裂缝部位锈蚀，但锈蚀没有发展到钢筋与混凝土接触面时，敲击混凝土仍不会有空鼓声。

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