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20世纪30~40年代，美国加洲的一些建筑结构在建成几年内就有一些开裂.1945年stanton证实了碱集料膨胀反应是引起这些破坏的主要原因，遂引起了全世界混凝土界的重视.据了解，我国某机场混凝土跑道已发现碱骨料反应开裂，某大型城市公路立交桥建成刚5年，其潮湿部位开裂已经取样证实为碱骨料反应。由于近几年来我国水泥外加剂等情况的发展变化，混凝土碱骨料反应问题已构成我国土建工程的一大潜在危害.
混凝土的碱-集料反应,简称AAR.是混凝土中的水泥、外加剂、集料、掺合料及拌和水中的可溶性碱（钾、钠）与集料中的碱活性成分发生的化学反应.反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂.
碱-集料反应按活性组分类型分为碱-硅酸反应(ASR)和碱碳酸盐反应(ACR).
碱-硅酸(盐)反应:是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应,产生碱硅酸凝胶,碱硅酸凝胶固相体积大于反应前的体积,而且有强烈的吸水性,由于吸水进一步膨胀.其反应方程式为:
2ROH+nSiO2→R2O·nSiO2·H2O
碱碳酸盐反应机理:碱碳酸盐反应是由于混凝土空隙中的碱液与活性碳酸盐反映,发生"去白云石化"反应,生成水镁石,其主要反应方程式为:
CaMg(CO3)2+2ROH→Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3
R2CO3+Ca(OH)2→2ROH+CaCO3
去白云石化反应后生成方解石,方解石和白云石结晶形态并未改变,体积亦没改变.其膨胀的原因是粘土.碱活性碳酸盐岩中粘土矿物不但分布在基质中且被包围在白云石晶体中,在成岩过程中粘土周围的水膜已由沉淀物的凝固作用等在成岩过程中被逐出,一旦成岩后,水就不能再浸渍粘土.但白云石在去白云石反应中,把粘土表面暴露出来,使水有机会浸入粘土,从而使粘土表面吸水发生水化.水化粘土的双电层结构形成膨胀源是碱碳酸盐反应膨胀的原因.碱碳酸盐反应的速度较快,混凝土浇筑半年后就可能发生膨胀或开裂现象,很少有凝胶产物出现而多呈龟裂式开裂.
碱集料反应的发生条件是:混凝土(或环境)中含有足量的碱;混凝土中含有活性集料;湿度.三者缺一不可.
因反应的因素在混凝土内部,其危害作用往往是不能根冶的,是混凝土工程中的一大隐患.许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校,造成巨大损失,国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道,一些立交桥,铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏.
为了抑制碱-集料反应,研究出了抑制碱-集料反应的外加剂.主要有以下几类:
化学外加剂
(1)锂盐化合物
盐类物质对降低砂浆膨胀的作用
通过上图可见锂盐对抑制碱-集料反应引起的膨胀最为有效.
(2)非锂盐化合物
在混凝土中掺入引气剂,能提高混凝土抵御AAR膨胀的能力,可能是由于混凝土中引入的微小气泡可容纳反应产物从而减小膨胀应力发展.引气3.6%可以使膨胀植降低60%.由此可以推断,混凝土的多孔集料也能减小AAR膨胀.
Na和K的硫酸.盐氯化物和碳酸盐对抑制AAR膨胀无任何效果,而的硝酸盐则是有效的膨胀抑制剂.
二、矿物外加剂
掺加足量的矿物细掺料.使用矿物细掺料是配制高性能混凝土的一个重要手段.其目的是为了抑制混凝土中碱骨料反应的危害。吴中伟教授认为，矿物细掺料是高性能混凝土的主要组成材料之一，它起着根本改变常规混凝土性能的作用.已经有许多研究结果表明，在混凝土中掺入足够的含有活性SiO2的矿物细掺料能够使混凝土中的碱骨料反应完全得到抑制。常用的矿物细掺料为硅粉、粉煤灰、沸石粉、矿渣粉、磷矿粉等.掺加矿物细掺料还有助于提高混凝土的密实性能，增强硬化混凝土的抗化学侵蚀性能；水泥的水化是一个由水泥颗粒表面向水泥内部发展的逐步进行的过程，但28天以后，水泥中各种矿物成分的水化程度仅为11％～84％，水泥的实际利用率约为60％～80％。由.可见，在配制高性能混凝土时，掺入部分活性矿物细掺料可以促进水泥水化生成物的进一步转化。改善硬化混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性能.应该注意，矿物细掺料的使用不是简单的对水泥的代替.应该根据具体情况确定矿物细掺料的品种与掺量.研究表明，将两种以上的矿物细掺料复合使用时，其综合效果优于其分别单独使用的总和，这就是所谓的超叠加效应.
矿物外加剂抑制AAR的机理是:当C-S-H的CaO/SiO2比接近与1.2或更小是,水泥水化产物对Na2O和K2O的容纳量也会增加,而OH-`浓度会下降;不含矿物外加剂时,水泥水化过程的这个比值大约是1.5.
三、碱骨料反应的预防措施
（1）控制水泥含碱量
（2）控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱的来源不仅是水泥，而且从外加剂、掺合料、水、甚至有时从骨料（如海砂）中带来，因此控制混凝土各种材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更为重要.
（3）对骨料选择使用 由于活性骨料是发生碱骨料反应的必要条件，因此，凡处于潮湿条件下的混凝土工程、露天混凝土工程、接触化冰盐的混凝土工程和每立方米混凝土含碱量高的工程，均应选用对工程无害的骨料，以避免碱骨料反应对工程的损坏。
（4）掺活性掺合料某些活性掺合料可缓解、抑制混凝土的碱硅酸反应。根据各国试验资料，掺水泥重量5～10%的硅灰，掺30%的粉煤灰或掺50%的高炉矿渣，均可有效地抑制碱硅酸反应对工程的损害。
（5）掺用引气剂掺用引气剂可使混凝土具有4%～5%的含气量，可容纳一定数量的反应产物，从而可以 缓解碱骨料反应的膨胀压力。
（6）隔絕水和湿空气的来源如对混凝土工程可能发生碱骨料反应的部位能有效的隔绝水和湿气的侵入，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
混凝土的碱-集料反应,简称AAR.是混凝土中的水泥、外加剂、集料、掺合料及拌和水中的可溶性碱（钾、钠）与集料中的碱活性成分发生的化学反应.反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂.
碱-集料反应按活性组分类型分为碱-硅酸反应(ASR)和碱碳酸盐反应(ACR).
碱-硅酸(盐)反应:是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应,产生碱硅酸凝胶,碱硅酸凝胶固相体积大于反应前的体积,而且有强烈的吸水性,由于吸水进一步膨胀.其反应方程式为:
2ROH+nSiO2→R2O·nSiO2·H2O
碱碳酸盐反应机理:碱碳酸盐反应是由于混凝土空隙中的碱液与活性碳酸盐反映,发生"去白云石化"反应,生成水镁石,其主要反应方程式为:
CaMg(CO3)2+2ROH→Mg(OH)2+CaCO3+R2CO3
R2CO3+Ca(OH)2→2ROH+CaCO3
去白云石化反应后生成方解石,方解石和白云石结晶形态并未改变,体积亦没改变.其膨胀的原因是粘土.碱活性碳酸盐岩中粘土矿物不但分布在基质中且被包围在白云石晶体中,在成岩过程中粘土周围的水膜已由沉淀物的凝固作用等在成岩过程中被逐出,一旦成岩后,水就不能再浸渍粘土.但白云石在去白云石反应中,把粘土表面暴露出来,使水有机会浸入粘土,从而使粘土表面吸水发生水化.水化粘土的双电层结构形成膨胀源是碱碳酸盐反应膨胀的原因.碱碳酸盐反应的速度较快,混凝土浇筑半年后就可能发生膨胀或开裂现象,很少有凝胶产物出现而多呈龟裂式开裂.
碱集料反应的发生条件是:混凝土(或环境)中含有足量的碱;混凝土中含有活性集料;湿度.三者缺一不可.
因反应的因素在混凝土内部,其危害作用往往是不能根冶的,是混凝土工程中的一大隐患.许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝,桥梁,海堤和学校,造成巨大损失,国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道,一些立交桥,铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏.
为了抑制碱-集料反应,研究出了抑制碱-集料反应的外加剂.主要有以下几类:
化学外加剂
(1)锂盐化合物
盐类物质对降低砂浆膨胀的作用
通过上图可见锂盐对抑制碱-集料反应引起的膨胀最为有效.
(2)非锂盐化合物
在混凝土中掺入引气剂,能提高混凝土抵御AAR膨胀的能力,可能是由于混凝土中引入的微小气泡可容纳反应产物从而减小膨胀应力发展.引气3.6%可以使膨胀植降低60%.由此可以推断,混凝土的多孔集料也能减小AAR膨胀.
Na和K的硫酸.盐氯化物和碳酸盐对抑制AAR膨胀无任何效果,而的硝酸盐则是有效的膨胀抑制剂.
二、矿物外加剂
掺加足量的矿物细掺料.使用矿物细掺料是配制高性能混凝土的一个重要手段.其目的是为了抑制混凝土中碱骨料反应的危害。吴中伟教授认为，矿物细掺料是高性能混凝土的主要组成材料之一，它起着根本改变常规混凝土性能的作用.已经有许多研究结果表明，在混凝土中掺入足够的含有活性SiO2的矿物细掺料能够使混凝土中的碱骨料反应完全得到抑制。常用的矿物细掺料为硅粉、粉煤灰、沸石粉、矿渣粉、磷矿粉等.掺加矿物细掺料还有助于提高混凝土的密实性能，增强硬化混凝土的抗化学侵蚀性能；水泥的水化是一个由水泥颗粒表面向水泥内部发展的逐步进行的过程，但28天以后，水泥中各种矿物成分的水化程度仅为11％～84％，水泥的实际利用率约为60％～80％。由.可见，在配制高性能混凝土时，掺入部分活性矿物细掺料可以促进水泥水化生成物的进一步转化。改善硬化混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性能.应该注意，矿物细掺料的使用不是简单的对水泥的代替.应该根据具体情况确定矿物细掺料的品种与掺量.研究表明，将两种以上的矿物细掺料复合使用时，其综合效果优于其分别单独使用的总和，这就是所谓的超叠加效应.
矿物外加剂抑制AAR的机理是:当C-S-H的CaO/SiO2比接近与1.2或更小是,水泥水化产物对Na2O和K2O的容纳量也会增加,而OH-`浓度会下降;不含矿物外加剂时,水泥水化过程的这个比值大约是1.5.
三、碱骨料反应的预防措施
（1）控制水泥含碱量
（2）控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱的来源不仅是水泥，而且从外加剂、掺合料、水、甚至有时从骨料（如海砂）中带来，因此控制混凝土各种材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更为重要.
（3）对骨料选择使用 由于活性骨料是发生碱骨料反应的必要条件，因此，凡处于潮湿条件下的混凝土工程、露天混凝土工程、接触化冰盐的混凝土工程和每立方米混凝土含碱量高的工程，均应选用对工程无害的骨料，以避免碱骨料反应对工程的损坏。
（4）掺活性掺合料某些活性掺合料可缓解、抑制混凝土的碱硅酸反应。根据各国试验资料，掺水泥重量5～10%的硅灰，掺30%的粉煤灰或掺50%的高炉矿渣，均可有效地抑制碱硅酸反应对工程的损害。
（5）掺用引气剂掺用引气剂可使混凝土具有4%～5%的含气量，可容纳一定数量的反应产物，从而可以 缓解碱骨料反应的膨胀压力。
（6）隔絕水和湿空气的来源如对混凝土工程可能发生碱骨料反应的部位能有效的隔绝水和湿气的侵入，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。