浅析碱含量对水泥混凝土的影响及预防

浅析碱含量对水泥混凝土的影响及预防

赵阳惠

云南省公路科学技术研究院工程检测中心云南昆明650214

摘要：目前在我省公路建设市场中，桥涵结构物还是以混凝土为主。混凝土耐久性不足，严重影响着结构物的安全性和使用寿命。引起混凝土耐久性不足日渐显现的一个重要原因就是碱－骨料反应所导致开裂。因此，在现行的（JTG/TF50-2011）《公路桥涵施工技术规范》中不仅对原材料的碱含量有了相关的规定，并对总碱量作出了要求。本文就碱含量对混凝土的影响进行分析。

关键词：碱含量；水泥混凝土；影响及预防

引言

如今“十三五”公路发展黄金机遇推动全省公路建设的高速发展，云南处于云贵高原桥隧比相对较高，而桥涵结构物还是以混凝土为主。而各地集料的品种、矿物组成千变万化，若集料中含有活性碱骨料，再加上发生碱－骨料反应必备的足够湿度，混凝土中的碱会与集料中的活性碱骨料发生化学反应，使混凝土发生不均匀膨胀，产生裂缝，从而缩短混凝土的寿命，危及工程安全，相关的施工技术规范也进行了严格的规定，但在实际施工过程中，仅对集料进行碱活性进行检测，往往忽略外加剂、水泥以及混凝土总碱量的控制。本文就碱含量对混凝土品质影响及预防进行浅析，供大家探讨。

1碱的来源及对混凝土的危害

1.1来源

混凝土中的碱主要来自于水泥、骨料、外加剂、掺和料以及环境中的碱，其中骨料是否为碱活性材料最为关键，水泥中的有害成分包括碱含量，而混凝土中的碱主要由水泥的生产原料带入，也是混凝土中碱的主要提供者；环境中碱能补充混凝土自身对碱的消耗，进而促进碱－骨料反应。

1.2碱对混凝土含量的危害

水泥中的碱对混凝土结构的影响具有两面性。

（1）首先，是水泥属于偏碱性的材料，碱性成分是保证水泥水化、凝结和硬化的重要条件，使混凝土处于碱度环境下提高混凝土结构的抗碳化性从而防止钢筋的锈蚀。

（2）其次，当碱性成分含量偏高，有可能与集料中的活性氧化硅或活性碳酸盐在水的参与下，引发碱－骨料反应，对混凝土造成结构性破坏。一般钢筋受到周围混凝土的保护，并不会产生锈蚀，但如果混凝土密实性不足，产生裂缝后，再有一定的外力作用，钢筋周围的由碱形成钝化膜将遭到局部的破坏而发生锈蚀，从而缩短混凝土的寿命，危及工程安全。

（3）最后，水泥碱含量的高低对与外加剂的相容性和混凝土拌合物的性能也有影响，对于同种减水剂，水泥碱含量越高，混凝土所需用水量越大，混凝土试件强度越低；过高的碱含量混凝土还可能出现离散、泌水等现象，坍落度损失较快，严重影响混凝土（尤其是泵送混凝土）浇筑，对现场施工不利。另外要保证混凝土的初始坍落度，必然会提高减水剂用量或用水量，导致混凝土成本增加，混凝土因加水强度不够等问题，对工程管理和混凝土工程质量也不利。

因此在相关规范中规定水泥的碱含量以Na2O+0.658K2O计，不得超过0.6%。

1.3碱含量过高所产生的混凝土裂缝与钢筋数量、分布情况有关。

桥涵工程中大部分项目均为配筋混凝土，钢筋在其中也承受的主要的受力。由于钢筋限制，裂缝往往发生在顺筋方向钢筋与混凝土间粘结的薄弱部位。素混凝土或低配筋的混凝土，裂缝往往呈网状。

1.4由于碱含量过高混凝土产生的裂缝处会溢出乳白色或其它颜色的胶体，干燥后变为粉状，这些胶体会对钢筋产生腐蚀，破坏混凝土内在质量。

2碱－骨料反应原理及条件

2.1碱活性骨料及碱-骨料反应

指能在一定条件下与混凝土中的碱发生化学反应导致混凝土产生膨胀、开裂甚至破坏的骨料。

混凝土的碱集料反应通常称作‘碱-骨料反应’，碱集料反应主要分为三类：碱-硅酸反应、碱-硅酸盐反应与碱-碳酸盐反应，一般碱-骨料反应多是指碱-硅酸盐反应。

在桥涵工程中的集料根据化学成分中氧化硅的含量可分为酸性集料和碱性集料，石灰石属于碱性集料，花岗岩和石英属于酸性集料。但材料的实际情况复杂的多，集料很少只含有一种成分，即是纯的矿物一般也同时存在酸性和碱性成分，只是含量多少而已。

根据母岩中SiO2含量判断集料的酸碱性

2.2从化学方面分析

碱分主要由Na2O和K2O即氧化钠和氧化钾组成。由于集料在混凝土中是均匀分布的，当混凝土中过量的碱与集料中的活性SiO2发生反应就会生成硅酸盐凝胶，该凝胶具有强烈的吸水膨胀能力，此胶体从周围介质中吸水膨胀，在混凝土内部产生较大的膨胀压，致使混凝土内部裂缝发展和破坏，混凝土本身是呈碱性的，如果遇到了酸性物质会发生反应，一旦空气中的水、二氧化碳、氧气进入混凝土中就提供了碱骨料反应的条件，并且会使得混凝土的钝化膜破坏加速混凝土碳化和钢筋锈蚀快速发展，从而降低混凝土的耐久性。

2.3从力学的方面分析

当骨料与碱发生反应时，硬化后的水泥石约束骨料产生膨胀力，当膨胀力超过当水泥石的约束力，即抗拉强度时，裂缝产生。外观上主要是表面裂缝、变形和渗出物。

2.4碱－骨料反应缺一不可的三个条件：

碱-骨料反应发生和产生破坏作用的三个必要条件为：

（1）集料中有活性SiO2的骨料存在。只有当集料中活性SiO2存在才可能发生碱-骨料反应。

（2）混凝土中含有一定数量的碱。混凝土本身是偏碱性的，这部分碱形成钝化膜保护钢筋不受锈蚀的必要条件；另一部分即为碱含量超标的碱，这部分碱就是形成碱－骨料反应另一条件。

（3）有足够的水分。当活性SiO2、碱都同时存在时，在水分这个外部条件作用下，发生碱－骨料反应。

从以上三条可以看出碱－骨料反应发生三个条件是相辅相成的。

3碱含量计算实例

XX高速公路XX项目部大桥C50混凝土配合比及各种原材料碱含量和总碱量计算如下：

3.1根据GB/T176-2008《水泥化学分析方法》测得水泥的碱含为0.45%；JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》测得细集料及粗集料采用岩相法检测均为非活性材料；按JTG/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》规定当采用非碱活性集料时，水可不检测碱含量；GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》测得总碱量为3.52%。

3.2配合比及碱含量统计表

混凝土碱含量=水泥用量（kg/m3）×水泥碱含量%+外加剂用量（kg/m3）×外加剂碱含量

（1）每立方水泥碱含量为：483×0.45%=2.174kg

（2）每立方减水剂碱含量为：5.796×3.52%=0.204kg

（3）每立方混凝土总碱含量为：2.174+0.204=2.378kg

该配合比用于XX项目部大桥，公路桥涵施工技术规范（JTG/TF50-2011）中规定：对于特殊大桥、大桥和主要桥梁不宜大于1.8kg/m3。在不考虑水和集料含碱的条件下，根据以上计算得知该配合比的总碱含量2.378kg/m3大于1.80kg/m3，已超标，其中水泥提供2.174kg/m3，其余主要由外加剂提供。从配合比用原材料可以看出使用的胶凝材料为P·O52.5水泥，其主要成分是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，其质量分数占80%～95%，而碱骨料反应中的碱也主要由水泥中的硅酸盐水泥熟料所提供。该配合比虽然使用了非活性骨料，不引起碱骨料反应，但混凝土总碱含量超标，高含碱量的混凝土会生成抗裂性能差的凝胶，加重混凝土后期的干燥收缩开裂，所以不论骨料是否有活性，都应当限制水泥和混凝土中的含碱量。

4预防和控制措施

从以上分析可以看出，虽然配合比中的原材料碱含量均未超标，但每立方混凝土总碱量亦超规范要求。可见对于混凝土中碱含量的控制除了从原材料方面进行外，对配合比设计时总碱含量进行控制。总之，碱-骨料反应是可以预防的。具体的建议及措施如下：

4.1采用非碱活性的骨料

集料的碱活性是预防碱－骨料反应的重要措施之一，必须加以重视。

水泥混凝土用集料碱活性检验现公路行业主要采用岩相法、砂浆长度法和抑制集料碱活性效能试验。

岩相法是判定集料有无活性的最基本方法。当集料评为碱活性集料或可疑时，应过行砂浆长度法等检验。

砂浆长度法是以砂浆试件膨胀率半年不超过0.1%或3个月不超过0.05%来评价水泥中的碱与活性集料间的反应引起的膨胀是否具有潜在危害。膨胀率超出规范要求的即可评为非活性集料。

4.2采用低碱水泥或降低水泥用量

从碱－骨料反应角度和上面的举例也可以看出也可以看出，胶凝材料所提供的碱是混凝土碱含量的主要来源，因此胶凝材料碱含量的控制尤为重要，虽然碱骨料反应必须在三个条件同时存在的情况下才会发生，但是，多余碱分促进混凝土收缩产生的裂缝造成混凝土结构物耐久性的降低，却是高碱量对混凝土更大的威胁。

4.3控制外加剂中的碱含量

4.4掺入合适数量的掺合料取代一部分水泥，如粉煤灰和矿粉等既降低了胶凝材料内的碱含量，也可以改善混凝土拌合物的工作性能等。

4.5加强施工和养护的控制，遵守施工规程，保证混凝土的密度

4.6控制混凝土构件的裂缝宽度

混凝土的裂缝宽度超过规范规定的数值，混凝土结构的耐久性会受到影响，钢筋被锈蚀，过宽的裂缝影响结构外观，还会引起人们心理上的不安，所以由于碱－骨料反应产生的裂缝也应进行严格的监控。JTG-D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中根据环境条件的不同，对裂缝宽度作了限值规定：

（1）钢筋混凝土构件。Ⅰ类和Ⅱ类环境：0.20mm；Ⅲ类和Ⅳ类环境：0.15mm；

（2）采用精轧螺纹钢筋的预应力混凝土构件。Ⅰ类和Ⅱ类环境：0.20mm；Ⅲ类和Ⅳ类环境：0.15mm；

（3）采用钢丝和钢绞线的预应力混凝土构件：

Ⅰ类和Ⅱ类环境：0.10mm；Ⅲ类和Ⅳ类环境不得进行带裂缝的B类构件设计。

混凝土构件在正常使用极限状态下的裂缝宽度不应超出以上的规定。

5结束语

综上所述，在实际施工过程中，由于各地材料的差异，只用单一指标或是原材料指标控制混凝土碱含量的做法是不全面的，需要把混凝土总碱含量与各原材的性能指标结合起来尽量预防碱－骨料反应，多种方法配合使用，使其得到控制；同时在施工过程中还需制定详细的施工技术方案，加强过程控制管理，确保混凝土的质量，提高其有效寿命。总之，混凝土的碱含量是可以进行预防的，随着人们对碱－骨料反应认识的提高，这也是混凝土耐久性问题研究的一个重要方面，我们也应在现有的基础上进一步加大研究深度及范围，这也将对提高混凝土的质量及耐久性方面有较大的提高。

参考文献

[1]张向北.总碱含量对混凝土工程的影响，2015.（4）.

[2]公路桥涵施工技术规范（JTG/TF50-2011）

[3]公路工程集料试验规程（JTGE42-2005）