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作者：龚诚仁
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▶混凝土碱-骨料反应，作为工程人您听过吗？◀
大约四五年前，公司同事找到我说，他的一位朋友，在上海松江做化工类产品。最近发现，车间里有个生产用罐体发生倾斜，似乎是罐体基础出了问题。
经现场车间踏勘，了解到这是一家主要生产过—硫酸氢钾复合物（单过硫酸氢钾盐）的化工企业。发生倾斜的罐体，肉眼目测就能看出，几乎就要碰到外套钢平台架。经与车间生产负责人沟通，除了这个罐体发生倾斜外，其他罐体并未发生异常情况，都在正常生产。
据了解，他们是租用已有厂房，厂房投入使用已经有七八年了。厂区内及附近，最近也没有进行市政管沟方面的施工作业，所以基本可以排除地面发生不均匀沉降的可能。
这样兜转一圈无果，仍然又回到这个罐体本身。我就让生产负责人再想想，这个罐体近期有什么改动。他想了一下说，大概一年前左右吧，这个罐体下面那个承装酸性液体的搅拌桶，曾经把周边清空，重新浇筑了一个多立方的混凝土。因为原来的嵌固不实，搅拌过程中搅拌桶会晃动，导致酸性溶液飞溅出来。
我在现场看到，罐体下面确实有个搅拌桶，但周边基本都被白色的粉末覆盖，看不清楚。于是叫人帮忙把白色粉末清理干净并冲洗，这时问题就显现出来了。很明显，后浇筑的混凝土发生了膨胀开裂，从而扰动了罐体基础，导致罐体发生倾斜。
虽然导致罐体倾斜的原因找到了，但我还是有一个疑惑并未消除。那就是他们自行浇筑混凝土，就算施工作业不规范，如后期养护不到位等等，但似乎也不至于发生如此严重的开裂啊？
于是我又问这位生产负责人，在浇筑混凝土过程中，还进行了哪些操作？
他又仔细回想了一下说，搅拌桶周边清空后，因为考虑原来生产中是有酸性溶液外溅出来的，担心酸性环境会影响浇筑混凝土的质量，于是就在搅拌桶周边撒了一些碱性剂，为的是中和一下……
至此，我突然觉得豁然开朗了，原来，这是一起典型的混凝土碱-骨料反应。
02
▶碱-骨料反应的特点◀
碱-骨料反应（Alkali-aggregate Reaction，AAR)，这个概念大家应该不会陌生。简单地概括，就是混凝土中的碱性物质（包括外界渗入的碱）与骨料中的碱活性矿物成分发生化学反应，导致混凝土膨胀开裂等现象[1]。
碱-骨料反应，是混凝土的重要耐久性指标之一，由于它具有反应过程缓慢，影响因素极为复杂，而一旦发生，其引起的起混凝土开裂、破坏过程几乎无法阻断，是不可逆的，所以素来就有“混凝土癌症”之称。
碱-骨料反应问题，是在1940年由美国科学家T.E.stanton首次公开提出，而后的几十年时间内，科学家及工程专家们又对碱-骨料反应的机理及预防进行了较为深入的研究。从研究成果上看，大致将碱-骨料反应划分为三种类型。
第一种类型 碱-硅酸反应
常温下，骨料中的活性二氧化硅SiO2与水泥水化析出在溶液中的Na 、K 、OH（或者外来渗入）发生反应，生成硅酸盐凝胶。硅酸盐凝胶在水的作用下产生膨胀，造成混凝土结构物开裂、损伤。
碱-硅酸反应被称为“经典的碱-骨料反应”，这也是人们最早认识到的碱-骨料反应。
这类反应的工程事故有三个明显特点——
1. 混凝土表面产生杂乱无章的网状裂缝。
2. 活性骨料出现反应环和反应边。
3. 在裂缝中及其附近的空隙中有硅酸盐（钾）凝胶，当其失水后可硬化或粉化，就是有析出物。
第二种类型 碱-硅酸盐反应
碱与某些层状硅酸盐骨料反应，使层状硅酸盐层间距离增大，骨料发生膨胀，造成混凝土膨胀、开裂。
不过近些年来，国际上渐渐把碱-硅酸反应与碱-硅酸盐反应统一起来，归为一类。我国唐明述院士有研究表明：这些层状结构硅酸盐矿物自身不具有碱活性，产生膨胀反应的是其中含有微晶石英或玉髓。所以本质上，碱-硅酸盐反应的实质仍属碱-硅酸反应[2]。
这类反应变现出的特点是：速度异常缓慢，但不停地进行，最后导致严重的破坏。
第三种类型 碱-碳酸盐反应
这种反应发现得较晚，是骨料中的某些微晶或隐晶的碳酸盐岩石（白云石、石灰石等）与水泥中的碱发生反应[3]。反应产物是方解石、水镁石和碳酸碱。生成的碳酸碱会与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成碳酸钙并使碱再生，从而使反应持续进行。
该反应生成的方解石和水镁石晶体，在受限的空间生长会产生结晶压力，这也是该反应膨胀的驱动力。外观上，碱-碳酸盐反应跟碱-硅酸反应并没有本质上的区别。
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▶碱-骨料反应的分析和预防◀
碱-骨料的反应机理比较复杂，一般认为混凝土加水搅拌后，水泥中的碱类不断溶解，水泥浆中铝酸钙和硅酸盐吸收水使碱液变浓。在使用高碱水泥混凝土时，这种碱液具有很强的腐蚀性，在凝结以后的养护期中与活性骨料中的硅酸物质起反应，生成硅酸碱类。此硅酸碱类似胶体状，并从周围介质中吸水膨胀（体积可增大3倍以上），当膨胀受到周围已硬化水泥石的限制而发生较大的膨胀压和渗透压时，就足以压坏混凝土了。
从上面的反应机理可以看出，碱-骨料反应造成混凝土结构开裂破坏，要具备以下三个条件：1.混凝土中骨料含有活性组分；2.混凝土中含有足够的碱；3.有水存在。
其中第2个因素，是关键因素。因为另外两个因素在混凝土中是普遍存在的，只有当第2个因素满足时，碱-骨料反应才更容易触发发生。
碱-骨料反应一旦发生，目前几乎没有行之有效的抑制手段，产生的混凝土破坏结果也非常严重，几无修补的可能。所以，现阶段，比较可靠的手段就是尽最大可能，避免反应的发生，通过事前控制达到抑制碱-骨料反应的目的。
关于碱-骨料反应的预防，施工作业规范中给出了这样几条建议，归纳如下：
1. 首先从原材料方面采取措施，尽量使用非活性骨料，这样反应的概率非常低。
2. 当使用活性骨料时，要严格控制混凝土中的总碱含量不要超标。水泥含碱量小于0.6％，这是控制发生碱-骨料反应的关键。
3. 水泥原料中，应使用低碳的硅石或砂岩代替碱量高的黏土，尽量降低混凝土 中水泥用量。
4. 在保证混凝土施工质量情况下，掺入掺合料以抑制碱-骨料反应，比如掺加粉煤灰、磨细矿渣粉、超细沸石粉等。但掺粉煤灰要适宜，一般掺30％左右低钙灰为好。
5. 掺加碱-骨料反应的抑制剂，常用的有锂盐、钙盐、2％～6％的碳酸钡 、硫酸钡、氯化钡等。合理使用抑制剂，也能在一定程度上抑制碱-骨料反应的发生。
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▶兄弟，混凝土没您想的那么简单◀
应该说，我国对碱-骨料反应危害性的重视和展开研究、预防还是比较早的。有资料显示，我国 1953年建设第一个大型水利工程佛子岭水库时，建材与土木工程专家吴中伟院士就建议预防碱-骨料反应。当时水利部也采纳了他的建议，制订了预防碱-骨料反应的操作规程。因而，中国建国后建设了几百座大中型水利工程，尚未发生一起碱-骨料反应损害，这在国际工程界上也是罕见的[4] 。
在普通民用工程领域，碱-骨料反应确实也不多见。因为商品混凝土及砂浆的大面积推广使用，现场水泥的使用量已经比以往大大减少。原来要分外小心的水泥安定性不合格、碱-骨料反应这类工程上比较棘手的问题，发生率已经大幅降低。
对于我来说，碱-骨料反应原本也只是停留在施工规范里的一个名词，属于那种“听说过没见过”的工程概念。但即便如此，我们也不能掉以轻心。因为商品混凝土及砂浆的大面积推广使用，本身也是一把“双刃剑”。因为这类产品中，往往要掺加多种外加剂进行和易性的调剂。
早强剂、防冻剂、膨胀剂等常用外加剂，一般均含有硫酸钠、亚硝酸钠等，使得商品混凝土中含碱量是偏高的，已经非常接近引发碱-骨料反应的临界值，这一点要引起充分重视。
何况施工现场，往往有一个很不好的现象，就是操作的随意性。比如在冬季浇筑混凝土，因为温度低的原因，混凝土的初凝时间都会延迟。但现场总想着要尽快进入下一道工序，往往要求搅拌站加倍添加早强剂，甚至于自行私自添加。这一点，很像前文所述化工厂里的用碱性剂去“中和”酸性环境的行为，太过“想当然”，质量安全隐患极大。一着不慎，满盘皆输。
混凝土，一种看似简单的生产工艺产品，是具有非常复杂的硬化机理的。现场施工作业，除了关注原材料本身质量，也要足够重视施工作业的工艺环境。否则一旦中招碱-骨料反应，恐怕就是“此恨绵绵无绝期”，最后只有推倒重来这一条死路作为退路了。
[1] GB／T 50733—2011,预防混凝土碱-骨料反应技术规范[S]. 中国建筑工业出版社,2011.
[2]唐明述,碱-集料反应分类[J]中国科学基金,1992年,第3期,P34.
[3]冯乃谦,顾晴霞,郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策第10章[M].北京： 机械工业出版社,2006.
[4]傅沛兴,碱-骨料反应——中国混凝土工程的一大隐患[J]建筑技术，1999年，第1期，P36.
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