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摘 要：碱骨料反应是指混凝土中的碱性成分与骨料中的碱活性矿物成分发生化学反应，生成膨胀物质，从而由内到外破坏混凝土结构的现象。由于骨料的广泛分布，混凝土一旦发生碱骨料反应，破坏将是整体性的，碱骨料反应往往与钢筋锈蚀、冷热干湿、冻融破坏等因素综合作用，导致混凝土工程使用寿命显著缩短，严重的可使混凝土完全丧失使用功能。南水北调工程河北境内段沿线分布着众多疑似碱活性骨料，本文以南水北调工程建设施工实例为基础，开展了碱活性抑制与砼配比优化方案研究。
关键词：水工混凝土； 碱活性； 抑制； 配合比优化
1.问题的提出
南水北调工程是国家“十二五”期间的重点工程，工程质量问题是关系到国计民生的大问题，用于箱涵工程的混凝土对其耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等有着更高的要求，同时，还要考虑到预防混凝土工程中碱骨料反应的发生，而在河北省西部太行山脉及主要河道开采、开挖的粗细骨料，存在着大量的疑似碱活性骨料，如何科学、合理、正确使用这些疑似碱活性骨料，是摆在建设单位、施工单位、科技工作者面前的一个重大技术难题，因此，通过技术手段降低混凝土中总碱含量来抑制混凝土碱活性是重大而意义深远的。
2.混凝土碱骨料反应的概念机理
2.1混凝土碱骨料反应概念
混凝土碱骨料反应也叫碱硅反应，是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的.因为碱骨料反应时间较为缓慢，短则几年，长则几十年才能被发现。而一旦发生了骨料碱活性反应，混凝土工程也就报废了，会给国家和人民财产造成重大损失。
2.2混凝土碱骨料反应应具备的三个条件
碱骨料反应是指混凝土中所含的碱（Na2O或K2O）与骨料的活性成分反应。在混凝土浇筑成型后的数年至数十年逐渐反应，反应生成物吸水膨胀，导致混凝土工程开裂，称为碱骨料反应破坏。
混凝土工程发生碱骨料损坏必须具备三个条件，才会发生碱骨料反应对工程的损害。
1）配制混凝土时由原材料带进混凝土中一定数量的碱。
2）要有一定数量的能与碱反应的活性骨料。
3）要有潮湿环境，可以提供反应生成物吸水膨胀所需的水分。
近年来，碱骨料反应对混凝土质量的危害和影响已经引起了工程界的高度关注。水工混凝土所处的潮湿环境为碱骨料反应创造了优良的环境条件，在碱骨料反应方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危害性，因此在决策使用碱骨料或疑似碱骨料时应具有更加审慎的态度。
2.3国内研究现状及存在问题
我国水利工程从50年代起就吸取了美国派克大坝等许多土建工程因碱骨料反应破坏而拆除重建的教训，明确规定凡较大水利工程开采骨料时都要求进行骨料碱活性检验及专家论证。但是针对南水北调工程碱活性抑制尚未开展专门性的、系统性的研究。我国一般水利工程的设计和施工人员对混凝土碱骨料反应问题比较生疏，即使某工程发生碱骨料反应特征的开、裂缝，也往往认为是养护不好、干缩裂缝、过早加载和水泥后期安定性不好等常见问题所造成，而水工混凝土自身特点决定了其长期处于水浸泡中或者处于潮湿环境中，较其他行业更易发生混凝土碱骨料反应。
3.影响混凝土碱骨料反应的因素
3.1混凝土中含碱量
研究表明：在混凝土孔隙溶液中，只有处于游离态的钾钠离子才能与骨料中的活性成分发生碱骨料反应。当使用活性骨料时，碱骨料反应程度、反应速度随碱含量的增大而增大。混凝土中含碱量较低时，虽可以发生碱骨料反应，但生成的碱-硅凝胶数量少，呈分散状态，膨胀率极低，不足以引起混凝土结构开裂；混凝土中含碱量增大时，碱硅凝胶数量增多并呈聚集状态，产生较大膨胀压力，导致混凝土结构开裂。
3.2骨料的活性
骨料的活性是指骨料的活性成分与水泥中的碱发生化学反应，导致混凝土膨胀开裂的性质。骨料中的活性成分主要是含有活性氧化硅的矿物，如蛋白石、玉髓、磷石英、微晶石英等。活性氧化硅的特点是所有的硅氧四面体呈任意网状结构，内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的硅氧键破坏使其解体，胶溶成硅胶或生成碱-硅凝胶。骨料的活性与骨料中活性氧化硅的含量、粒径大小等因素有关。在一定含碱量下，随着骨料中活性氧化硅含量的变化，混凝土碱骨料反应膨胀具有增大和减少两个过程。这是由于碱量一定的条件下，在低氧化硅含量范围内，氧化硅数量愈大，膨胀量也愈大；但在氧化硅含量较高时，活性颗粒越多，单位面积上所能作用的有效碱相应减少，降低了骨料表面的作用量和反应量，因而生成的碱-硅凝胶量也相应减少，膨胀率变小。与此同时，由于氢氧化钙的迁移率极低，在增加了活性骨料总表面积的情况下，提高了骨料界面处氢氧化钙与碱的局部浓度比，形成一种非膨胀的碱性硅酸钙产物。
3.3水灰比
试验表明：水灰比较低的条件下，随水灰比增大，混凝土内部孔隙率也越大，碱在水溶液中的迁移速度增大，因此会加快碱骨料反应速度，膨胀量增大；在水灰比较高的条件下，随水灰比增大，由于孔隙率增大，碱骨料反应产生的膨胀作用相应减小，膨胀量反而降低。
3.4外部环境条件
水在碱骨料反应过程中有3个作用：①水是碱离子化的基础。碱元素在水中很容易形成碱离子，与骨料中活性成分反应，形成碱-硅凝胶。②水是输送碱的载体。水泥石中的碱溶解在水中后形成碱金属离子，这些碱金属离子在水溶液中能够迅速地扩散到活性骨料的表面，与之发生反应。③水是碱骨料反应膨胀的源泉。碱骨料反应所生成的碱-硅凝胶具有极强的吸水性，而且吸水后体积膨胀。由此可知：碱骨料反应必须在有水的情况下才能进行。试验表明：越是潮湿多水的环境条件下，碱骨料反应速度越快、膨胀量增大，对混凝土结构损害程度越大。当混凝土结构处于干燥环境或环境相对湿度低于混凝土内部相对湿度，且混凝土内部相对湿度低于80%时，碱骨料反应会停止膨胀；当混凝土内部相对湿度低于75%时，碱骨料反应无法进行。环境温度对碱骨料反应也有一定程度的影响。对每一种活性骨料都有一个温度限值，在该温度限值以下，随环境温度的升高，膨胀量增大；当环境温度超过该温度限值时，膨胀量明显减小。这是因为高温下碱骨料反应速度加快，在混凝土未凝结之前即已完成了膨胀，且塑性状态的混凝土仍能吸收一定的膨胀压力。 3.5矿物掺合料
在混凝土中掺入部分矿物掺合料不仅改善混凝土孔隙结构，降低渗透性，还可取代部分水泥，起到“碱稀释剂”的作用，并通过离子交换降低混凝土孔隙溶液中K+、Na+离子的含量，生成分散性的碱硅凝胶，抑制碱骨料反应的发生。试验证明：矿物掺合料的硅含量越高，细度越大，抑制作用越好。
4.试验设计与安排
4.1原材料检测试验
结合南水北调工程的施工现场实际原材料，项目选用某厂家生产的P.O42.5等级的水泥，粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰，粗骨料粒径为5～20mm、20～40mm两种粒级，细骨料为天然河砂，所选用的各种材料必须符合南水北调中线干线工程建设管理局颁发的《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》的碱含量标准，既碱含量≤0.60%，外加剂中碱含量≤10%，粉煤灰中碱含量≤1.5%。
4.1.1胶凝材料
从对胶凝材料的检验结果上来看，普硅P·O42.5等级水泥为低碱水泥，所检项目技术性能均符合GB175-2007标准要求，粉煤灰所检项目技术性能均符合DL/T5055-2007Ⅱ级粉煤灰标准要求。
4.1.2骨料
项目研究所使用粗细骨料均采用《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）标准进行碱活性测试，均未检出碱活性，但由于碱骨料反应速度慢、潜伏期长、隐蔽性强等特点，因此，未检出碱活性不一定不是碱活性骨料，仍应予以重点关注和预防。骨料其他指标符合《水工混凝土施工规范》（DL5144-2001）中的各项要求。
4.1.3在优选各种外加剂及外加剂与水泥匹配的情况下，选择了聚羧酸高效减水剂GK-3000和GK-9A（膏状）两种外加剂，其检测结果如下：
由上表知，聚羧酸高效减水剂及引气剂所检项目技术指标均符合JG/T223-2007及DL/T5100-1999标准要求。
混凝土碱活性的抑制从根本上来说主要是控制混凝土中的总碱含量，在南水北调泵送混凝土中主要为C30W6F150，本文主要针对此强度的混凝土进行碱活性抑制试验研究，因此，泵送混凝土C30W6F150的总碱含量需控制在南水北调碱骨料反应的相关技术要求范围内。
4.2混凝土配合比试拌方案与试验结果
混凝土配合比计算采用体积法，骨料以饱和面干状态为基准。二级配石子20～40mm与5～20mm石子选用质量比为6：4。
根据现场调整结果，在试验室进行进行拌合，并对其相关性能进行测试，优化后的配合比具有更强的适应性，更好的工作性，现场使用效果良好。
处于潮湿环境中的水工混凝土属于南水北调混凝土结构划分的第Ⅲ类工程，要求混凝土中的总碱量不大于2.5kg/m3，经过对优化后施工配合比混凝土中碱含量的进行计算，结果为：混凝土中碱含量=水泥用量（kg/m3）×水泥碱含量（%）+0.2×粉煤灰用量（kg/m3）×粉煤灰碱含量（%）+外加剂用量（kg/m3）×外加剂中碱含量（%）
=252×0.57%+0.2×71×1.41%+1.938×1.45%+0.00969×2.25%=1.66。结果显示混凝土中的总碱量为1.66 kg/m3<2.5 kg/m3，符合标准要求。
5.结论
本文对水工混凝土碱活性反应的概念、机理、预防措施进行了研究，并通过南水北调工程C30F6W150泵送混凝土为实例，进行了配合比优化方案设计，通过控制混凝土中的总碱含量指标来达到抑制碱活性的目的，解决了疑似碱活性骨料应用在类似工程中的应用难题。
参考文献
[1] GB8076-2008.混凝土外加剂[S]
[2] SL352-2006.水工混凝土试验规程[S]
[3] GB/T50733-2011.预防混凝土工程碱骨料反应技术规范[S]
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【文章编号】1627-6868（2015）05-0001-03
【作者简介】商东波，男，高级工程师，长期从事南水北调工程建设与管理工作。
关键词：水工混凝土； 碱活性； 抑制； 配合比优化
1.问题的提出
南水北调工程是国家“十二五”期间的重点工程，工程质量问题是关系到国计民生的大问题，用于箱涵工程的混凝土对其耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等有着更高的要求，同时，还要考虑到预防混凝土工程中碱骨料反应的发生，而在河北省西部太行山脉及主要河道开采、开挖的粗细骨料，存在着大量的疑似碱活性骨料，如何科学、合理、正确使用这些疑似碱活性骨料，是摆在建设单位、施工单位、科技工作者面前的一个重大技术难题，因此，通过技术手段降低混凝土中总碱含量来抑制混凝土碱活性是重大而意义深远的。
2.混凝土碱骨料反应的概念机理
2.1混凝土碱骨料反应概念
混凝土碱骨料反应也叫碱硅反应，是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的.因为碱骨料反应时间较为缓慢，短则几年，长则几十年才能被发现。而一旦发生了骨料碱活性反应，混凝土工程也就报废了，会给国家和人民财产造成重大损失。
2.2混凝土碱骨料反应应具备的三个条件
碱骨料反应是指混凝土中所含的碱（Na2O或K2O）与骨料的活性成分反应。在混凝土浇筑成型后的数年至数十年逐渐反应，反应生成物吸水膨胀，导致混凝土工程开裂，称为碱骨料反应破坏。
混凝土工程发生碱骨料损坏必须具备三个条件，才会发生碱骨料反应对工程的损害。
1）配制混凝土时由原材料带进混凝土中一定数量的碱。
2）要有一定数量的能与碱反应的活性骨料。
3）要有潮湿环境，可以提供反应生成物吸水膨胀所需的水分。
近年来，碱骨料反应对混凝土质量的危害和影响已经引起了工程界的高度关注。水工混凝土所处的潮湿环境为碱骨料反应创造了优良的环境条件，在碱骨料反应方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危害性，因此在决策使用碱骨料或疑似碱骨料时应具有更加审慎的态度。
2.3国内研究现状及存在问题
我国水利工程从50年代起就吸取了美国派克大坝等许多土建工程因碱骨料反应破坏而拆除重建的教训，明确规定凡较大水利工程开采骨料时都要求进行骨料碱活性检验及专家论证。但是针对南水北调工程碱活性抑制尚未开展专门性的、系统性的研究。我国一般水利工程的设计和施工人员对混凝土碱骨料反应问题比较生疏，即使某工程发生碱骨料反应特征的开、裂缝，也往往认为是养护不好、干缩裂缝、过早加载和水泥后期安定性不好等常见问题所造成，而水工混凝土自身特点决定了其长期处于水浸泡中或者处于潮湿环境中，较其他行业更易发生混凝土碱骨料反应。
3.影响混凝土碱骨料反应的因素
3.1混凝土中含碱量
研究表明：在混凝土孔隙溶液中，只有处于游离态的钾钠离子才能与骨料中的活性成分发生碱骨料反应。当使用活性骨料时，碱骨料反应程度、反应速度随碱含量的增大而增大。混凝土中含碱量较低时，虽可以发生碱骨料反应，但生成的碱-硅凝胶数量少，呈分散状态，膨胀率极低，不足以引起混凝土结构开裂；混凝土中含碱量增大时，碱硅凝胶数量增多并呈聚集状态，产生较大膨胀压力，导致混凝土结构开裂。
3.2骨料的活性
骨料的活性是指骨料的活性成分与水泥中的碱发生化学反应，导致混凝土膨胀开裂的性质。骨料中的活性成分主要是含有活性氧化硅的矿物，如蛋白石、玉髓、磷石英、微晶石英等。活性氧化硅的特点是所有的硅氧四面体呈任意网状结构，内表面积很大，碱离子较易将其中起联结作用的硅氧键破坏使其解体，胶溶成硅胶或生成碱-硅凝胶。骨料的活性与骨料中活性氧化硅的含量、粒径大小等因素有关。在一定含碱量下，随着骨料中活性氧化硅含量的变化，混凝土碱骨料反应膨胀具有增大和减少两个过程。这是由于碱量一定的条件下，在低氧化硅含量范围内，氧化硅数量愈大，膨胀量也愈大；但在氧化硅含量较高时，活性颗粒越多，单位面积上所能作用的有效碱相应减少，降低了骨料表面的作用量和反应量，因而生成的碱-硅凝胶量也相应减少，膨胀率变小。与此同时，由于氢氧化钙的迁移率极低，在增加了活性骨料总表面积的情况下，提高了骨料界面处氢氧化钙与碱的局部浓度比，形成一种非膨胀的碱性硅酸钙产物。
3.3水灰比
试验表明：水灰比较低的条件下，随水灰比增大，混凝土内部孔隙率也越大，碱在水溶液中的迁移速度增大，因此会加快碱骨料反应速度，膨胀量增大；在水灰比较高的条件下，随水灰比增大，由于孔隙率增大，碱骨料反应产生的膨胀作用相应减小，膨胀量反而降低。
3.4外部环境条件
水在碱骨料反应过程中有3个作用：①水是碱离子化的基础。碱元素在水中很容易形成碱离子，与骨料中活性成分反应，形成碱-硅凝胶。②水是输送碱的载体。水泥石中的碱溶解在水中后形成碱金属离子，这些碱金属离子在水溶液中能够迅速地扩散到活性骨料的表面，与之发生反应。③水是碱骨料反应膨胀的源泉。碱骨料反应所生成的碱-硅凝胶具有极强的吸水性，而且吸水后体积膨胀。由此可知：碱骨料反应必须在有水的情况下才能进行。试验表明：越是潮湿多水的环境条件下，碱骨料反应速度越快、膨胀量增大，对混凝土结构损害程度越大。当混凝土结构处于干燥环境或环境相对湿度低于混凝土内部相对湿度，且混凝土内部相对湿度低于80%时，碱骨料反应会停止膨胀；当混凝土内部相对湿度低于75%时，碱骨料反应无法进行。环境温度对碱骨料反应也有一定程度的影响。对每一种活性骨料都有一个温度限值，在该温度限值以下，随环境温度的升高，膨胀量增大；当环境温度超过该温度限值时，膨胀量明显减小。这是因为高温下碱骨料反应速度加快，在混凝土未凝结之前即已完成了膨胀，且塑性状态的混凝土仍能吸收一定的膨胀压力。 3.5矿物掺合料
在混凝土中掺入部分矿物掺合料不仅改善混凝土孔隙结构，降低渗透性，还可取代部分水泥，起到“碱稀释剂”的作用，并通过离子交换降低混凝土孔隙溶液中K+、Na+离子的含量，生成分散性的碱硅凝胶，抑制碱骨料反应的发生。试验证明：矿物掺合料的硅含量越高，细度越大，抑制作用越好。
4.试验设计与安排
4.1原材料检测试验
结合南水北调工程的施工现场实际原材料，项目选用某厂家生产的P.O42.5等级的水泥，粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰，粗骨料粒径为5～20mm、20～40mm两种粒级，细骨料为天然河砂，所选用的各种材料必须符合南水北调中线干线工程建设管理局颁发的《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》的碱含量标准，既碱含量≤0.60%，外加剂中碱含量≤10%，粉煤灰中碱含量≤1.5%。
4.1.1胶凝材料
从对胶凝材料的检验结果上来看，普硅P·O42.5等级水泥为低碱水泥，所检项目技术性能均符合GB175-2007标准要求，粉煤灰所检项目技术性能均符合DL/T5055-2007Ⅱ级粉煤灰标准要求。
4.1.2骨料
项目研究所使用粗细骨料均采用《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）标准进行碱活性测试，均未检出碱活性，但由于碱骨料反应速度慢、潜伏期长、隐蔽性强等特点，因此，未检出碱活性不一定不是碱活性骨料，仍应予以重点关注和预防。骨料其他指标符合《水工混凝土施工规范》（DL5144-2001）中的各项要求。
4.1.3在优选各种外加剂及外加剂与水泥匹配的情况下，选择了聚羧酸高效减水剂GK-3000和GK-9A（膏状）两种外加剂，其检测结果如下：
由上表知，聚羧酸高效减水剂及引气剂所检项目技术指标均符合JG/T223-2007及DL/T5100-1999标准要求。
混凝土碱活性的抑制从根本上来说主要是控制混凝土中的总碱含量，在南水北调泵送混凝土中主要为C30W6F150，本文主要针对此强度的混凝土进行碱活性抑制试验研究，因此，泵送混凝土C30W6F150的总碱含量需控制在南水北调碱骨料反应的相关技术要求范围内。
4.2混凝土配合比试拌方案与试验结果
混凝土配合比计算采用体积法，骨料以饱和面干状态为基准。二级配石子20～40mm与5～20mm石子选用质量比为6：4。
根据现场调整结果，在试验室进行进行拌合，并对其相关性能进行测试，优化后的配合比具有更强的适应性，更好的工作性，现场使用效果良好。
处于潮湿环境中的水工混凝土属于南水北调混凝土结构划分的第Ⅲ类工程，要求混凝土中的总碱量不大于2.5kg/m3，经过对优化后施工配合比混凝土中碱含量的进行计算，结果为：混凝土中碱含量=水泥用量（kg/m3）×水泥碱含量（%）+0.2×粉煤灰用量（kg/m3）×粉煤灰碱含量（%）+外加剂用量（kg/m3）×外加剂中碱含量（%）
=252×0.57%+0.2×71×1.41%+1.938×1.45%+0.00969×2.25%=1.66。结果显示混凝土中的总碱量为1.66 kg/m3<2.5 kg/m3，符合标准要求。
5.结论
本文对水工混凝土碱活性反应的概念、机理、预防措施进行了研究，并通过南水北调工程C30F6W150泵送混凝土为实例，进行了配合比优化方案设计，通过控制混凝土中的总碱含量指标来达到抑制碱活性的目的，解决了疑似碱活性骨料应用在类似工程中的应用难题。
参考文献
[1] GB8076-2008.混凝土外加剂[S]
[2] SL352-2006.水工混凝土试验规程[S]
[3] GB/T50733-2011.预防混凝土工程碱骨料反应技术规范[S]
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【文章编号】1627-6868（2015）05-0001-03
【作者简介】商东波，男，高级工程师，长期从事南水北调工程建设与管理工作。