碱集料反应及不同形式碱对碱集料反应的影响

介绍了碱集料反应的种类、机理以及预防碱集料反应的六条措施，同时分析了水泥中的碱、混合材中的碱以及拌合水和外加剂中碱的存在形式，指出降低水泥中的可溶碱、增加固溶熟料中的碱是抑制碱集料反应的有效途径。

所谓碱集料反应（英文简称AAR） 就是水泥（或商品混凝土） 中的碱与某些骨料发生化学反应，引起膨胀开裂，甚至破坏。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 年被美国的斯坦顿（ T. E. stanton） 首次证实，因为碱集料反应引起商品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。 众所周知，商品混凝土是由固相、液相和气相组成的。固相主要由水泥及掺合料水化后的水化产物和集料组成；液相就是存在于极细孔隙中的含有多种离子的水溶液，即所谓的孔溶液；气相则是分布于商品混凝土中的大小不等的气孔。商品混凝土中的碱，一部分存在于固相中，一部分存在于液相中，即孔溶液中。由于碱的存在环境不同，因此其对碱集料反应的影响也就不同。封孝信等[1]将水泥中的碱含量分为三种：总碱量、可溶性碱量及有害碱。P. J .Nixon 等人的研究证明，孔溶液的碱度降低与抑制碱集料反应引起的膨胀有较好的关系。因此，若能将孔溶液中的碱度降低到一定程度，则可抑制碱集料反应的发生。

1 碱骨料反应的分类和机理 1. 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，吸水后膨胀引起商品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，使商品混凝土内部膨胀应力增大，导致商品混凝土开裂，发展严重的会使商品混凝土结构崩溃。

1. 2 碱碳酸盐反应

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。 碱碳酸盐反应的机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 ]转化为镁石[Mg（OH）2] ，水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起商品混凝土内部应力，导致商品混凝土开裂。 1. 3 碱硅酸盐反应

这类反应主要指水泥（或商品混凝土） 中碱与某些层状硅酸盐集料反应并导致砂浆或商品混凝土产生异常膨胀，这一类反应亦可归为碱硅酸反应。 1. 4 其他碱集料反应

1） 高硅质砂砾石集料在砂浆或商品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”。 2 不同形式的碱对碱集料反应的影响 2. 1 水泥中的碱

水泥中的碱是商品混凝土碱的最大来源。水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。碱在水泥中以可溶和不可溶的形式存在，可溶部分很大程度上以Na2SO4 存在，也可能以一连续系列钾—钠复盐存在，组成从NK4S5 至NK5S6变化。

也曾找到KC2S3 化合物。有的熟料含K2CO3 和Na2CO3 。不溶碱主要以KC23S12 ，NC23S12 或两者的固溶体存在于C2S 中，及以NC8A3，KC8A3 或两者的固溶体存在于C3A 中及以铝共存于C4AF 组分中。研究表明[4]：在熟料矿物中，固溶于C2S 中的碱参与碱集料反应的程度要比固溶于C3A 中的碱轻得多。当水泥加水后，硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中，而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中，同时溶入水中的碱又有部分被水化产物C—S—H所吸收。C—S—H结合的碱越多，对碱集料反应而言系统越稳定。经实验研究证明[4]，Na+，K+ 在C—S—H中的存在量与其Ca/Si比有关，降低C—S—H中的Ca/Si比，可增加其对Na+，K+的容纳量。F. P. Glasser 认为，Ca/Si比高时，C—S—H凝胶带正电，排斥Na+，K+，使其保留在孔溶液中；Ca/ Si低时，C—S—H带负电，吸引Na+，K+。H·State 认为C—S—H凝胶的层状机构中，存在Si—OH基团，Na+，K+可通过中和Si—OH基团而被结合在C—S—H相的层间。Ca/Si比小时，Si—OH基团量多，可结合更多的Na+，K+。经实验表明[4]：当将Al3+，SO42- 两种离子分别固溶在C—S—H中，C—S—H的固碱能力将加强。尤其是在C—S—H固溶一定量的Al3+后，C—S—H 固碱能力提高并且比较稳定，通过长期的作用可形成沸石性水化产物，有利于防止碱集料反应的发生。 由上述可见，水泥中的碱并不是全部用于碱集料反应，而是溶入水中未被水化产物吸收的那部分碱（即有害碱） 才参与反应。因此降低水泥中的可溶碱，增加固溶熟料中的碱是减少碱集料反应的有效途径。同时如何降低水化产物C—S—H的Ca/Si是目前研究者们共同关注的问题。

2. 2 混合材或掺合料中的碱

生产水泥时或商品混凝土搅拌时掺入一定量的混合材，可抑制AAR 的发生。目

前，常用的混合材或掺合料是矿渣、粉煤灰、硅灰、沸石等。混合材或掺合料中的碱同样可分为总碱量、可溶性碱量及有害碱量三种。 冯乃谦等人曾将沸石加入NaOH溶液中，发现碱溶液中的Na+浓度明显降低。其机理是沸石具有很强的离子交换能力，Na+进入沸石中，而Ca2+则被交换出来。此外，沸石中含有部分玻璃体，具有火山灰活性，可与Ca（OH）2反应生成C—S—H凝胶，吸收一定量的碱。 研究表明[4]，存在于混合材中的碱对碱集料反应的作用最小。杨家智等人认为，不论高碱或低碱水泥，若掺入在活性、数量及细度上都有足够限度的混合材，则其中的碱与骨料就不会产生破坏性膨胀。张雅杰等研究表明，粉煤灰掺量为20 %时，可明显抑制碱集料反应。唐宝国等认为低掺量时高钙粉煤灰对碱集料反应有一定的抑制作用，当掺量小于10 %时，低钙粉煤灰不仅不能抑制反而增大了碱集料反应的膨胀值。 由上述可见，虽然混合材中含有一定的可溶性的有害碱，但加入适量的混合材后能够抑制碱集料反应的发生。 2. 3 拌合水及化学外加剂中的碱

拌合水中的碱全部是水溶性的，均能参与碱集料反应，对碱集料反应的作用最大，即拌合水中的碱全部为有害碱。 外加剂如减水剂、引气剂、早强剂、防冻剂等的使用是现代商品混凝土技术发展的一个重要动力，但同时带来某些外加剂引入碱的问题。由于外加剂引入的碱全部是可溶性的，对碱集料反应的作用也最大。因此，为防止碱集料反应，对外加剂中的碱应格外注意。

3 结语

目前，我国发生商品混凝土碱集料反应的情况虽不十分广泛和突出，但由于碱集料反应造成的破坏性巨大，因此当务之急是加快研究商品混凝土碱集料反应的机

理，在此基础上探索防止和抑制商品混凝土碱集料反应的有效措施。同时在水泥生产中减少水泥中的可溶碱量，增加固溶于熟料中的碱量是抑制碱集料反应的有效措施。混合材或掺合料可降低水泥或商品混凝土中的可溶的有害碱，从而抑制碱—集料反应的发生。化学外加剂中的碱都是可溶碱，可引入大量的有害碱，在应用中应特别注意。