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关于混凝土安全碱含量问题

文档作者：张承志周仲平王爱勤文档来源： 1．河南大学土木建筑学院 2．甘肃省建材国有资产经营有限公司 3．北京嘉华高强混凝土有限公司		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
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2004年第5期
10月
混凝土与水泥制品
CHINA CO CRE IE AND CEMENT PRODUCTS
2004 No5
October
关于混凝土安全碱含量问题
张承志 ，周仲平 ，王爱勤
(1．河南大学土木建筑学院，开封475001；2．甘肃省建材国有资产经营有限公司，兰州730000；
3．北京嘉华高强混凝土有限公司，100103)
摘要：控制混凝土碱含量是防止碱集料反应的一个重要措施，但它也是制约混凝土原材料选择和配合比设计的重要因素及
在实际工程中难以决策的一个重要问题。只有科学地控制混凝土的碱含量，才能既保证混凝土建筑物的安全性，又有效地利用资
源。本文分析了国内外在混凝土工程中控制碱含量的现状及发展趋向，在总结大量研究成果及一些试验结果的基础上提出了对控
制混凝土碱含量的一些看法。
关键词：混凝土碱含量；碱集料反应；安全性
Abstract：Controlling the alkali content in concrete is an important measure for preventing alkali—aggregate reaction．However，it also
becomes an important factor in restraining the selection of raw materials and the design of concrete proportion，an d so becomes an impo rtant
problem being difficult to make a strategic decision．Only the alkali content of concrete is controled scientifically，it is possible that both the safety
of concrete buildingsis ensuredand naturalresourceis utilized efectively．Inthe paper，the current situationandtrend of controllingthe alkali
content in concrete projects is analyzed．Besed on a large quantity of research results，some ideas in controlling the alkali content of concrete are
put forward．
Key words：Alkali content of concrete；Alkali—aggregate reaction；Safety
中图分类号："1"0528 文献标识码：A 文章编号：1O03 —4637(2OO4)05—03—04
0 引言
随着人们对碱集料反应问题认识的提高，混凝土
中的碱含量日益受到人们的重视。这对避免碱集料反
应给我们的建设事业带来不应有的惨重损失起到了
十分重要的作用。
诚然，控制混凝土碱含量是要付出代价的。低碱
水泥的生产对原材料有较高的要求。一些碱含量较高
的矿山资源将不得不受到限制 水泥生产过程中排出
的窑灰也不得不被限制使用。这一方面带来了资源的
浪费，另一方面由于窑灰的排放造成了新的环境污
染。因而，不符合我国可持续发展的国策。
但是，从长远利益考虑，对于一些重要工程和一
些大型工程，碱集料反应不可不防。否则将会给子孙
后代留下严重的后患。这同样也是不符合可持续发展
国策的。如何既最大限度地利用资源，又不留下后
患?这就需要依靠科学技术，在对碱集料反应问题更
深刻认识的基础上科学地把握混凝土的碱含量。然
而，对于这一问题，在一些工程技术人员的认识上存
在着一些误区。为此，本文将对这一问题进行一些分
析。
1 我国目前的研究与对控制混凝土安全碱含量认识
的现状
1993年，我国就提出了《混凝土碱含量限值标准》
CECS53：93。这一标准规定：“在集料具有碱一硅反应活
性时，依据混凝土所处的环境条件对不同的工程结构
分别采取表1中的碱含量限值或措施”。
表1 混凝土碱含量的限值
混凝土最大碱含~／(kg／rr?)
环境条件— —
一般工程结构 重要工程结构 特殊工程结构
在CECS104：99《高强混凝土结构技术规程》中规
定：“为防止破坏性碱集料反应，当结构处于潮湿环境
且集料有碱活性时，每立方米混凝土拌合物(包括外加
剂)的含碱总量(Na20+0．658K20)不宜大于3kg，超过
时应采取抑制措施”。
这些规定表明，我国早就认识到控制混凝土碱含
量的重要意义。这些标准的出台，无疑对预防碱集料反
应的发生起到了积极的作用。但是，由于种种原因，特
别是由于人们对碱集料反应缺乏足够的betway必威官方网站
，对这些
规定缺乏清楚的认识，使之产生一些负面影响。这种负
面影响主要表现在两个方面：(1)按照这两个文件，在
通常情况下，混凝土的碱含量需控制在3．0kg／m3(以当
量Na20计)以下。因此，一些工程技术人员把3．Okg／m3
的碱含量看成是碱集料反应的安全线，认为只要混凝
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2004年第5期 混凝土与水泥制品 总第139期
土的碱含量低于3．0kg／ 就绝对安全了。事实上，一
些工程对控制混凝土的碱含量低于3．0kg／ 是很容
易做到的，但这些工程并不一定不发生碱集料反应：
例如，大坝混凝土。大坝混凝土的胶凝材料用量大约
为160kg／~ l】】，一般不超过200kg／m3，按胶凝材料碱含
量为1％计算，同时考虑掺0．8％的超塑化剂，并按碱
含量为20％计算，则混凝土的碱含量也只有2．32 ／
。尽管如此，仍然发现了大坝因碱集料反应破坏的实
例。(2)混凝土碱含量的限制将可能引起对原材料的
限制或对混凝土配合比的限制，使得一些资源的利用
受到限制。例如大流动度高强混凝土。这种混凝土的
胶凝材料用量一般都在450kg／m3以上，甚至超过
500kg／m3，而且都掺有相当数量的超塑化剂。如果胶凝
材料碱含量按0．6％ ，超塑化剂碱含量按10％且掺量
按0．7％考虑的话，即便胶凝材料用量为450kg／m3，混
凝土的碱含量也超过了3．0kg／m3，因而不得不采用低
碱水泥。当然，也可能通过掺入混合材的方法来抑制
碱集料反应，但混合材必须有足够的掺量，而较高的
混合材掺量有可能导致混凝土性能的降低。为了满足
混凝土性能的要求，一些工程技术人员则随意放宽了
混凝土的碱含量限值，甚至根本不控制混凝土的碱含
量。
由于这些问题的存在，人们自然会提出3．0kg／
碱含量是否一定安全?如果不安全，混凝土碱含量应
控制在什么水平才是安全的?混凝土碱含量必须要控
制在3．0kg／~ 以下吗?可以放宽否?这些问题一直困
扰着工程界，几乎成为每一个重大混凝土工程都要反
复讨论而又难以决策的老问题。
2 国际上的一些研究动态
尽管目前在碱集料反应膨胀取决于单位体积混
凝土内的碱含量而不是取决于水泥中的碱含量这一
点已取得了一致的认识，但对于混凝土安全碱含量问
题，国际上仍是有争议的。英国认为混凝土的碱含量
控制在3．0kg／m3以下是安全的。新西兰提出混凝土的
碱含量低于3．5kg／m3是安全的。南非则认为混凝土的
碱含量必须低于2．1kg／m3才是无害的。甚至有资料谈
到混凝土的碱含量要超过5．0kg／m3才是有害的。从这
些资料可以看出两个问题：(1)如果使用活性集料，混
凝土的碱含量必须有所控制。对于这一点，认识基本
上是统一的。(2)上述的混凝土碱含量控制指标是各
国在用本国集料进行研究的基础上提出来的。控制指
标的差别反映了各国集料的差别。
2003年4月，国际材料与结构研究试验联合会
(RILEM)提出了“减少混凝土中碱反应的国际标准草
案”l2】。在这一草案中，对于不同活性的集料提出了不
4
同的碱含量限制指标。对于低活性集料(相应于非活性
集料)，没有对混凝土碱含量的限度提出要求；对于中
等活性集料(碱临界值大于5．0kg／m3当量Na 0)，混凝
土碱含量的限度为3．0kg／m3或3．5kg／m3 Na20 ；对于
高活性集料，混凝土碱含量的限度应低于2．5kg／m3
Na2 。混凝土碱含量限度的控制原则是比试验室测定
的集料碱临界值少2．0kg／m3 Na2 。从这一控制原则
来看，国际上已经认识到集料的差异，改变了用一个指
标简单的控制混凝土碱含量的做法，而是把混凝土碱
含量的限度与集料的性能结合起来。这是一个十分重
要的发展趋势。
3 一些重要的研究结果
3．1关于混凝土碱含量限值的试验结果
2(】世纪90年代初，日本水泥协会混凝土专门委员
会曾经对碱集料反应膨胀与混凝土碱含量的关系进行
了大量的研究0 。试验采用了六种集料配成混凝土，每
组混凝土试块碱含量不同，放在室外暴露养护。试件膨
胀与不膨胀分界点的碱含量值列于表2。从表中可以
看出，最小限值为4．2kg／m3，最大限值为8．5kg／~，差
别达4．3kg／m3，翻了一番。
表2 室外暴露混凝土中总碱量的限值
(13本水泥协会混凝土专门委员会研究结果) kg／nl
表3给出Rogers对加拿大慢膨胀活性集料的研究
结果0 。混凝土所用砂全为非活性砂。研究结果表明，
混凝土的碱含量对碱集料反应膨胀有相当显著的影
响。如果以膨胀率为0．04％作为界线的话，从这些试
验结果可以发现，对于不同的集料，混凝土碱含量的限
值也是有很大差异的。对于罗克工程和圭尔夫的集料，
即便碱含量超过9kg／ ，混凝土棱柱体的膨胀率仍然
小于0．04％ 。也就是说，这些集料的混凝土碱含量限
值大于9kg／m3。圭尔夫集料的混凝土碱含量限值可以
超过12．4kg／m3。普尔一里奇和雷恩博采石场的集料在
碱含量为9kg／m3左右时。混凝土棱柱体的膨胀率大约
0．04％ 。这些集料的混凝土碱含量限值大约为9kg／
m3。而对于亚当斯一迈恩、斯普林希尔、斯普雷兹及博
斯维尔的集料。当碱含量为5kg／m3左右时，混凝土棱
柱体的膨胀率远超过了0．04％。这些集料的混凝土碱
含量限值应低于5kg／m3，甚至可能低于3．0kg／m3。
从这些结果看。不同集料的混凝土碱含量限值是
不同的。而且差别非常大。由此看来，混凝土碱含量的
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张承志，周仲平，王爱勤 关于混凝土安全碱含量问题
表3 Rogers对加拿大慢膨胀活性集料的研究结果
限值是集料特性的反映。并非是有一个确定的混凝土
碱含量限值，而是对于不同的集料应该有不同的混凝
土碱含量限值。RILEM最近的提案正出于这一考虑。
3．2 关于混凝土膨胀率与配合比关系的试验结果
RILEM 的提案中混凝土碱含量限度是以集料的
碱临界值为依据的，而集料的碱临界值则是依据CSA
A23．2—14A方法的试验结果。在这一方法中，混凝土
中的水泥用量固定为420kg／~。然而，作者在研究水工
大体积混凝土的碱集料反应问题时发现，混凝土的膨
胀率与混凝土的水泥用量也有密切的关系。表4给出
了试验结果。试验时，混凝土的碱含量固定为6kg／~，
水灰比为0．6。试验结果表明，在碱含量相同的条件
下，混凝土的膨胀率随水泥用量的减少而增加。换句
话说，当水泥用量少于420kg／ 时，混凝土的膨胀将
增大，相应的混凝土碱含量限度将减小。
表4 固定碱含量时不同水泥用量的混凝土膨胀率 ％
这些试验结果告诉我们，科学地控制混凝土碱含
量是一个非常复杂的问题，这就是在一些实际工程中
对于混凝土碱含量控制指标难以决策的问题之所在，
也是合理利用集料资源的关键之所在。
4 对于控制混凝土安全碱含量的一些看法
从国内外研究动态和一些研究结果可以发现，混
凝土碱含量不应该是混凝土的特征表现，而是更接近
于集料的特征表现。更明确地说，并不是混凝土的碱含
量低于某一数值就安全了，而是对于某一集料，只要控
制混凝土的碱含量不超过某一数值就安全了。长期以
来，相当数量的工程师们，甚至包括一些研究者，把混
凝土的碱含量限值理解为混凝土的特征表现，希望能
给出一个能保证不发生碱集料反应的混凝土碱含量限
值，在所有的工程中都严格地以这一限值来控制。事实
上，统一的混凝土碱含量限值是没有的。对于某一特定
的集料有它特定的碱含量限值，暂且称它为集料的特
征碱含量。从这一角度去理解，可以发现对于混凝土碱
含量问题的困惑和茫然，其原因就在于对混凝土碱含
量认识上的偏差。英国、新西兰等一些国家，由于地域
较小，地质结构相对简单，集料的特征碱含量值差别较
小。因此，可以在集料碱活性普查的基础上给出混凝土
碱含量限值。中国幅员辽阔，地质结构相当复杂，可以
说什么样的集料都有。因此，不可能找到一个确定的混
凝土碱含量限值。
既然混凝土碱含量限值，或日特征碱含量，是集料
的特征表现，就应该成为集料的评定内容。然而，正如
Grattan—Bellew博士1989年在第八届混凝土中的碱集
料反应国际会议上归纳和评价集料碱活性评定方法时
指出的：“现有的这些方法只能鉴别集料中是否含有活
性组分，是否含有发生碱集料反应的可能性，而不能断
定在实际工程中会不会发生反应以及反应的破坏程度
如何”。由此看来，集料的碱活性与集料的可用性是两
个完全不同的概念。集料的碱活性是指集料与碱反应
的能力，而集料的可用性则是集料对环境条件的适应
性。人们通常较多地注意集料碱活性的评定与研究，很
少注意到集料可用性的评定和研究。这不能不说是我
们研究工作的一个疏忽。只有对集料的可用性做出科
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学的评定，才算是掌握了集料的特性，才能既保证混
凝土建筑物的安全又充分地利用自然资源。
诚然，科学地评定集料的可用性并非是一件容易
的事，需要开展大量的研究工作。RILEM在“减少混凝
土中碱反应的国际标准草案” 中提出用CSA A23．2—
14A混凝土棱柱体方法确定混凝土碱含量临界值，且
不说这一方法需要较长的试验周期，仅从表4的试验
结果就可以看出这一方法具有一定的局限性。在这一
方法中水泥用量为420kg／m]，这与普通混凝土的情况
较接近。因此，用这一方法确定的混凝土碱含量临界
值对于普通混凝土来说或许是适合的。但是，对于水
工大体积混凝土就不一定适合了。根据统计资料，我
国常态大坝混凝土的胶凝材料用量为161kg／m]，仅为
CSA A23．2—14A方法中水泥用的的38．33％ 。从表4
的试验结果可知，在相同集料、相同碱含量情况下，水
工大体积混凝土的膨胀率要比CSA A23．2—14A方法
测得的结果大得多。因此，对于同一种集料，水工大体
积混凝土应该具有更低的临界碱含量值。这表明以
CSA A23．2—14A方法测定的结果来控制水工大体积
混凝土的碱含量是不安全的。对于高强混凝土，胶凝
材料通常远大于420kg／m~，甚至可能接近600kg／m3。显
然，混凝土的实际膨胀率将低于用CSA A23．2—14A
方法测得的结果。因此，它的临界碱含量也将可以高
于用CSA A23．2—14A方法测定的结果。
尽管临界碱含量受混凝土的配合比等因素影响，
但并非是说混凝土的碱含量不可控制。这需要在大量
研究工作的基础上，掌握规律，找出相应的对策。例
如，对于水泥用量的影响，可采取两种方法处理。一种
方法是各部门根据各自的特点制定相应的试验方法，
确定集料的临界碱含量。例如：普通混凝土的集料临
界碱含量试验方法、高强混凝土的集料临界碱含量试
验方法、碾压混凝土的集料临界碱含量试验方法等
等。另一种方法是采用固定的试验方法，然后，对于一
些影响因素，用修正系数的方法进行修正。例如：对于
水泥用量的修正，作者曾进行了一些研究。研究结果
表明， 当集料的弹性模量为硬化水泥石弹性模量的2
倍时，每增加100kg水泥，混凝土膨胀率减小13．5％ 。
对于普通混凝土，可按每增加100kg水泥，凝土膨胀率
减小10％考虑。也就是说，对于普通混凝土，每增加
100kg水泥，混凝土膨胀率乘0．9的系数；每减少100kg
水泥，混凝土膨胀率除上0．9的系数。当然，这仅仅是
一个初步的结果。对此可以开展更全面的研究，在大
量研究工作的基础上统计出一个更精确可靠的系
数。对于其它的影响因素，也可以采取类似的方法。
5 结束语
6
碱集料反应给混凝土工程带来的危害是众所周知
的，控制混凝土碱含量是防止碱集料反应的有效措施
之一。因此，为了有效地避免碱集料反应的危害，混凝
土碱含量不能不有所控制。
但是，不科学地控制混凝土的碱含量，有可能造成
资源的浪费，或者给混凝土配合比设计带来困难。因
此，在混凝土碱含量的控制上必须强调科学性。没有根
据地“从严控制混凝土的碱含量”的做法是不可取的。
为了既有效地预防碱集料反应又最大限度地利用
资源，深入地开展集料可用性的研究，并在此基础上建
立集料安全使用的条件和方法是我国可持续发展战略
所急需解决的一个重要问题。资源的枯竭、混凝土各种
病害的出现时时刻刻在提醒我们、警告我们：必须迅速
地解决这些问题，否则，将要付出沉重的代价!
参考文献
[11王爱勤，张承志．水工混凝土的碱骨料反应问题．水利学报．
2oo3(2)
[21 RILEM／TC，Draft International Specification to Minimise Damage from
Alkali Reaction in Concrete：Part 1 Alkali Silica Reaction．14th April，2003
【3】唐明述，韩苏芬．混凝土碱含量过高将导致严重碱骨料反应．
混凝土．1991(5)
收稿日期：2OO4—07—12
作者简介：张承志(1957一)，男，工学博士，教授。
通讯地址：开封市明伦街85号
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