摘要：論述了混凝土堿-集料反應的分類及機理，提出了預防和抑制混凝土堿-集料反應的有效措施。
　　關鍵詞：混凝土；堿-集料反應；預防措施
　　1.引言
　　堿-集料反應（Alkali-AggregateReaction，簡稱AAR）是指混凝土中的堿（K+、Na+）或由外界環境滲入混凝土中的堿金屬離子與集料（砂、石）中的某些有害成分（堿活性礦物）發生化學反應，生成遇水具有膨脹性質的凝膠，使混凝土內部產生膨脹應力，造成混凝土開裂破壞。1940年Stanton[1]在美國首次證實混凝土堿-集料反應對加利福尼亞洲布納德利路面混凝土的破壞后，在世界各地相繼出現各種工程破壞的事例，包括大壩、橋梁、公路、機場、港口及工業民用建筑[1]。英國自1975年發現首例AAR的建筑物破壞事例后，迄今的調查統計表明在英國的6000座鋼筋混凝土橋梁中，有165座已確信受AAR的破壞；在法國北部調查了1970年后建成的860座橋，結果表明受AAR破壞者為123座，占14%；澳大利亞、西班牙、瑞士、加拿大等國都有AAR引起的混凝土建筑物破壞的事例；我國從20世紀90年代開始，陸續在北京、天津、山東、陜西、內蒙古、河南等地的立交橋或機場或鐵路軌枕中發現因堿-集料反應所引起的破壞實例[1-2]。
　　國內外學者對堿-集料反應研究已持續60多年，并不斷出現新問題和研究方向。由于活性集料經攪拌后大體上呈均勻分布，一旦發生所造成的混凝土開裂破壞是整體性的，混凝土各部分均產生膨脹應力，這種膨脹應力導致混凝土裂縫的產生，開裂往往又會加劇混凝土鋼筋銹蝕、凍融破壞、碳化和侵蝕等多種破壞，彼此的疊加和相互促進，導致混凝土耐久性迅速下降，嚴重的可使混凝土疏松崩解，喪失使用功能。一旦發生，嚴重的只有拆除，無法補救，因此被喻為混凝土的癌癥。堿-集料反應是影響混凝土結構長期耐久性的重要因素之一[2]。因此，充分認識堿-集料反應的作用機理以及預防措施有重要意義。
　　2.AAR反應機理分析
　　堿-集料反應發生必須具備三個條件：堿，活性集料和水，堿主要來源于水泥。國際上已發現的堿-集料反應按有害礦物種類的不同有三類[2-3]，即堿-硅酸反應（Alkali-SilicateReaction，簡稱ASR）、堿-碳酸鹽反應（Alkail-CarbonateReaction，簡稱ACR）、堿-硅酸鹽反應（Alkali-SilicateReaction，簡稱L-ASR）。其中堿-硅酸反應最普遍，因此本文提到的AAR反應主要是指ASR。
　　2.1堿-硅酸反應（Alkali-SklicaReaction，ASR）
　　堿-硅酸反應（ASR）一般指混凝土中的堿（K+、Na+）與集料中的活性SiO2發生化學反應，生成堿的硅酸鹽凝膠，膠體吸水后膨脹，產生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土的開裂。ASR首先是化學反應，反應物是活性SiO2和混凝土孔溶液中的Na+、K+、OH-等，反應產物是堿硅酸凝膠。堿主要來源于水泥和外加劑，也有學者認為骨料，特別是長石含量大的骨料，也可以向混凝土中釋放大量的堿，而活性SiO2則主要來源于混凝土所用集料。用簡單的化學方程式表示為：
　　Na+（K+）+SiO2+OH-→Na（K）-Si-H
　　此類反應混凝土中的堿（K、Na）溶于孔隙中與硅質集料中活性SiO2反應生成堿-硅酸凝膠，其吸水后產生很大的體積膨脹，體積約增大可達3倍以上，從而導致混凝土開裂。中集料中的活性SiO2指無定形SiO2和隱晶質、微晶質及玻璃質的SiO2，如玉髓、蛋白石、非常細小的微晶石英，隱晶質和微晶質二氧化硅及受應力變型的二氧化硅等。衡量骨料SiO2活性指數的參數為K，即：
　　K=[X(CaO)+X(A12O3)]/[X(SiO2)+X(Na2O)]
　　式中：K為活性指數；X(CaO)、X(A12O3)、X(SiO2)、X(Na2O)分別為CaO、A12O3、SiO2、Na2O的摩爾分數。
　　K指數越小活性越大，堿活性的膨脹率也越大，當K小于0.2時，為活性骨料，K大于0.3時為非活性骨料。
　　2.2堿-碳酸鹽反應（Alkali-CarbonateReaction，ACR）
　　堿碳酸鹽反應（ACR）是AAR的一個重要類型，它是指混凝土中的堿金屬離子（K+，Na+）或由外界環境滲入混凝土中的堿金屬離子與石灰石質白云石發生化學反應，從而導致混凝土開裂。具有ACR活性的集料主要指泥質白云石質石灰石，其中一般粘土的質量分數為5%-20%，白云石和石灰石含量大致相等。Gillott[4]等研究認為白云石的菱形晶體粒徑在50μm以下，且均勻散布于基質之中，基質由微晶方解石和粘土構成，緊密包裹白云石微晶。這類白云石含粘土和方解石較多，白云石顆粒小被粘土和方解石顆粒包圍。堿金屬離子能通過包裹在細小白云石微晶外的粘土滲入到白云石顆粒表面，使其產生反白云石化反應，但反應產物不能通過粘土向外擴散，從而使集料膨脹，引起整體體積膨脹，造造成混凝土膨脹開裂破壞。唐明述[4]等對堿碳酸鹽反應進行了系統研究，提出膨脹是由局部化學反應和結晶壓引起的理論。ACR的膨脹機理與ASR完全不同，ACR反應繼續產生堿并反復與白云石反應，方程式為：
　　CaMg(CO3)2+2ROH=Mg(OH)2+CaCO3+Na3CO3
　　去白云化反應使菱形白云石晶體遭受破壞，從而使粘土暴露造成能夠吸水而膨脹的條件。即去白云石化是膨脹的前提條件，而干粘土吸水是膨脹的本質原因。
　　2.3堿-硅酸鹽反應（Alkali-SiliCatiteReaction，L-ASR）
　　堿-硅酸鹽反應（L-ASR）混凝土中的堿金屬離子（K+、Na+）和由外界環境滲入混凝土中的堿金屬離子與某些層狀硅酸鹽集料發生化學反應，生成堿的硅酸鹽凝膠，膠體吸水后膨脹，使層狀硅酸鹽層間距離增大，從而引起混凝土的開裂。參與反應的集料主要是硬砂巖、粘土質巖、千枚巖等。堿-硅酸鹽反應（L-ASR）其反應特征是膨脹緩慢且不停頓進行，反應機理與ASR相類似，只是其反應速度比較緩慢，引起混凝土緩慢膨脹，最終導致開裂。
　　3.AAR預防措施
　　堿集料反應（AAR）必須具備三個條件：（1）混凝土中的堿達到一定含量；（2）使用集料含有活性SiO2及SiO2類物質；（3）混凝土所處環境水份足夠。從這三個條件出發，混凝土工程中預防AAR破壞的方法有以下幾種[4]。
　　3.1.1使用非活性集料
　　使用非活性集料是AAR反應最安全可靠的措施。但由于工程對集料的需求量大，而非活性集料的資源有限，且活性集料特別是硅質活性集料分布廣泛。隨著資源的不斷消耗和受工程造價等因素影響，因此考慮到經濟方面的原因，集料的選擇往往受到限制。同時目前評定集料堿活性方法尚無絕對可靠標準，尤其對慢膨脹集料潛在堿活性尚無絕對可靠評定方法。使用非活性集料這種預防方法對工程中實際操作中增加了很大的難度。因此，非活性集料的使用往往因工程條件，區域地質條件的和經濟方面等諸多因素而難以達到理想效果。
　　3.1.2控制混凝土總堿量
　　傳統上認為水泥含堿量小于0.6%為低堿水泥，含堿量為0.6%-0.8%為中堿水泥，含堿量大于0.8%為高堿水泥。測定混凝土中堿含量主要是基于當混凝土堿含量（以Na2Ocq—Na2O+0.658K2O計）低于一定值，通常認為3kg/m3目前世界各國對于混凝土中總堿量的計算及規定各不相同。如美國、英國、日本、新西蘭等曾廣泛使用堿含量低于0.6%的水泥以降低混凝土中的堿含量，并在一定程度上緩解了AAR問題。我國于1993年12月制定了《混凝土堿含量限值標準》（CECS53-93）分別按工程環境和工程結構對混凝土堿含量進行控制，以達到避免發生堿-集料反應危害。
　　3.1.3控制混凝土濕度
　　研究表明，如果環境相對濕度低于85%，由于外界不供給混凝土水分，混凝土就不會發生堿-集料反應。如果具有堿-集料反應因素的工程長期處于潮濕環境中，在發現AAR損害之后，即使進行了很好的防水處理，也由于混凝土內所含水分能使堿-集料反應膨脹繼續發展，防水處理往往無濟于事。如混凝土所處為干濕循環、通電等環境，還可能導致混凝土中的堿遷移并在局部富集，從而加劇堿-集料反應。所以控制環境濕度對堿集料反應的影響是非常重要的。
　　4.結語
　　堿-集料反應已成為嚴重影響混凝土工程耐久性危害之一。因此，為了有效地避免堿集料反應的危害，是我們面臨的緊迫任務。實際施工操作工程中，一方面要把好篩選集料關，另一方面要嚴控制混凝土的堿含量，既有效地預防堿集料反應又最大限度地利用資源，以達到經濟效益與社會效益。
　　參考文獻
　　[1]莫祥銀,許仲梓,唐明述.國內外混凝土堿集料反應研究綜述[J].材料科學與工程.2002,(3):128-132
　　[2]唐明述.堿集料反應破壞的典型事例[J].中國建材,2000,(5):57-60.
　　[3]王玲,田培,姚燕,等.堿-集料反應破壞發生條件的研究[A].重點工程混凝土耐久性的研究與工程應用[C].北京:中國建材工業出版社,2000.90-102
　　[4]唐明述,許仲梓,鄧敏,等.我國混凝土中的堿集料反應[J].建筑材料學報,1998,1(1):8-14