鹼-骨料反應(化學反應)

混凝土鹼骨料反應（Alkali-aggregate reaction, AAR）是指骨料中特定內部成分在一定條件下與混凝土中的水泥、外加劑、摻合劑等中的鹼物質進一步發生化學反應，導致混凝土結構產生膨脹、開裂甚至破壞的現象，嚴重的會使混凝土結構崩潰，是影響混凝土耐久性的重要因素之一；混凝土鹼骨料反應根據反應機制可分為鹼矽酸鹽反應和鹼碳酸鹽反應：

基本介紹

• 中文名：鹼-骨料反應（鹼集料反應）
• 外文名：Alkali-Aggregate Reaction
• 簡稱：AAR
• 危害：產生裂縫、膨脹、結構破壞

定義

鹼骨料反應是指水泥中的鹼性氧化物含量較高時，會與骨料中所含的二氧化矽發生化學反應 ，並在骨料表面生成鹼-矽酸凝膠，吸水後會產生較大的體積膨脹，導致混凝土脹裂現象。

類型

鹼-骨料反應的類型主要為以下兩種

1、鹼-矽酸反應（Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR），是指混凝土中的鹼與不定型二氧化矽的反應；

2、鹼-碳酸鹽反應（Alkali-Carbonate Reaction，簡稱ACR），是指混凝土中的鹼與某些碳酸鹽礦物的反應。

鹼-骨料反應是固相與液相之間的反應，起發生具備三個要素：Ⅰ鹼活性骨料；Ⅱ有鹼存在（K、Na等離子）；Ⅲ水。

有人試圖用阻擋水分來源的方法控制鹼骨料反應的發展，例如筆者見過的日本從大孤到神戶的高速公路松原段陸地立交橋，橋墩和梁發生大面積鹼骨料反應開裂，日本曾採取將所有裂縫注入環氧樹脂，注射後又將整個梁、橋墩表面全用環氧樹脂塗層封閉，企圖通過阻止水分和濕空氣進入的方法控制鹼骨料反應的進展，結果僅僅經過一年，又多處開裂。因此世界各國都是在配製混凝土時採取措施，使混凝土工程不具備鹼骨料反應的條件。

機理

鹼—矽酸反應（ASR）

反應機理：Na+(K+)+SiO₂+OH-→Na(K)-Si-Hgel

膨脹機理：吸水後的鹼矽酸凝膠體體積遠遠大於反應前固體體積，最大時體積可增大3倍以上，大量凝膠體在混凝土骨料界面區的積聚、膨脹，導致混凝土沿著界面產生不均勻膨脹、開裂。

鹼—碳酸鹽反應（ACR）

反應機理：鹼與白雲石發生反應,去白雲化。

(1)CaMg(CO₃)₂+2ROH=Mg(OH)₂+CaCO₃+R₂CO₃

(2)R₂CO₃+Ca(OH)₂=2ROH+CaCO₃

膨脹機理：Gillott：黏土吸水膨脹，從而造成破壞作用。一方面，R+、OH-和水等進入受限制的緊密空間產生膨脹，另一方面，固相反應產物的框架體積的增大以及水鎂石和方解石晶體生長形成的結晶壓，產生膨脹應力。

發生條件

(1) 混凝土中鹼含量：過量的Na2O(Na₂O+0.66K₂O)

來自水泥、外加劑、摻合料、骨料、拌合水等組分及周圍環境。

低鹼水泥：鈉、鉀含量小於0.6%的水泥稱為低鹼水泥。

發生鹼骨料反應的鹼含量範圍：高活性的矽質骨料(如蛋白石)，大於2.1kg/m3；中等活性的矽質骨料，大於3.0kg/m3;鹼—碳酸鹽反應活性骨料，大於1.0kg/m3。

(2) 鹼活性骨料

含活性二氧化矽的岩石分布很廣，鹼—碳酸鹽反應活性的只有黏土質白雲石質石灰石。充分掌握骨科鹼活性的情況，建立鹼活性骨料分布圖。

(3) 潮濕環境

現有的現場資料充分證明，絕大部分混凝土構築物在季節性氣候變化的暴露條件下，其內部的相對濕度足以維持膨脹性AAR，因此在沙漠地帶的大多數公路、大壩以及乾燥氣候條件下的橋面和柱也可能保持內部濕度而斷續發生膨脹反應。同時，在控制環境條件下，室內的大型混凝土構件也能長期維持適當的相對濕度。因此雖然水是鹼-骨料反應發生的必要條件之一，但是並沒有好的方法預防這一點。

影響因素

1）混凝土鹼含量

鹼含量越高，鹼骨料反應膨脹開裂越嚴重；矽質集料的活性越高，其“安全總鹼含量”越低。

2）活性骨料含量與尺寸：每種活性骨料都存在一個最不利摻量範圍，這與混凝土中活性SiO2/鹼含量有關

3）礦物摻合料：可有效抑制鹼骨料反應對混凝土的破壞。

4）環境溫度與濕度：高溫、高濕環境對鹼骨料反應有明顯加速作用。

5）其它因素：

摻入引氣劑，可在一定程度上減小鹼骨料反應膨脹；

骨料顆粒級配的影響：對於不同的活性二氧化矽含量，存在一個不同的最不利顆粒尺寸，此時的膨脹壓力最大。

受力狀態：受外約束力作用越大，膨脹開裂越小。

預防措施

1、控制水泥含鹼量。自1941年美國提出水泥含量低於0.6%氧氣化鈉當量（即Na2O+0.658K2O）為預防發生鹼骨料反應的安全界限以來，雖然對有些地區的骨料在水泥含量低於0.4%時仍可發生鹼骨料反應對工程的損害，但在一般情況下，水泥含鹼量低於0.6%作為預防鹼骨料反應的安全界限已為世界多數國家所接受，已有二十多個國家將此安全界限列入國家標準或規範。許多國家如紐西蘭、英國、日本等國內大部分水泥廠均生產含鹼量低於0.6%的水泥。加拿大鐵路局則規定，不論是否使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含鹼量低於0.6%的低鹼水泥。

2、控制混凝土中含鹼量。由於混凝土中鹼的來源不僅是從水泥，而且從混合材、外加劑、水，甚至有時從骨料（例如海砂）中來，因此控制混凝土各種原材料總鹼量比單純控制水泥含鹼量更重要。對此，南非曾規定每m3混凝土中總鹼量不得超過2.1kg，英國提出以每m3混凝土全部原材料總鹼量（Na2O當量）不超過3kg，已為許多國家所接受。

3、對骨料選擇使用。如果混凝土含鹼量低於3kg/m3，可以不做骨料活性檢驗，如果水泥含鹼量高或混凝土總鹼量高於3kg/m3，則應對骨料進行活性檢測，如經檢測為活性骨料，則不能使用，或經與非活性骨料按一定比例混合後，經試驗對工程無損害時，方可按試驗規定的比例混合使用。

4、摻混合材。摻某些活性混合材可緩解、抑制混凝土的鹼骨料反應。根據各國試驗資料，摻S——10%的矽灰可以有效的抑制鹼骨料反應，據悉冰島自1979年以來，一直在生產水泥時摻5—7.5%矽灰，以預防鹼骨料反應對工程的損害。另外摻粉煤灰也很有效，粉煤灰的含鹼量不同，經試驗，即使含鹼量高的粉煤灰，如果取代30%的水泥，也可有效地抑制鹼骨料反應。另外常用的抑制性混合材還有高爐礦渣，但摻量必須大於50%才能有效地抑制鹼骨料反應對工程的損害，現美、英、德諸國對高爐礦渣的推薦摻量均為 50%以上。

5、隔絕水和濕空氣的來源。如果在擔心混凝土工程發生鹼骨料反應的部位能有效地隔絕水和空氣的來源，也可以取得緩和鹼骨料反應對工程損害的效果。