骨料碱活性对混凝土微观结构的作用机制

引言

混凝土由水泥、骨料、水及外加剂按比例配制而成，其中骨料占比超 60% ，其性能对混凝土整体质量至关重要。随着基建工程向高耐久性、长服役周期发展，骨料碱活性引发的碱 - 骨料反应（AAR）逐渐成为制约混凝土结构寿命的核心问题。AAR 是骨料中活性成分（如活性硅、白云石）与水泥水化产生的 NaOH、KOH 等碱性物质发生化学反应，生成膨胀性产物，导致混凝土内部产生应力，进而引发微观结构破坏，最终表现为宏观开裂、强度衰减，甚至结构失效。

早期工程中，因对骨料碱活性重视不足，多地出现桥梁、大坝等混凝土结构因 AAR 提前劣化的案例。例如某水库大坝建成后 5 年，表面出现不规则网状裂缝，检测发现骨料中含大量活性硅，与水泥碱发生 ASR 生成膨胀凝胶，破坏了混凝土微观结构。因此，深入研究骨料碱活性对混凝土微观结构的作用机制，明确反应过程与微观劣化的关联，对指导工程中骨料选择、抑制 AAR 发生具有重要现实意义。

一、骨料碱活性的主要类型与反应特性

骨料碱活性指骨料中能与水泥浆体中碱性物质发生化学反应的能力，根据活性成分与反应机理差异，主要分为两类：

（一）碱 - 硅酸盐反应（ASR）

ASR 是最常见的 AAR 类型，发生于含活性硅的骨料（如蛋白石、玉髓、火山玻璃等）与水泥碱之间。水泥水化过程中，C3S、C2S 与水反应生成 Ca （OH）2，同时释放 Na+， 、 K+ ，使浆体 pH 值维持在 12.5-13.5 的强碱性环境。活性硅骨料表面的 Si-O 键在高碱环境下被破坏，生成可溶性硅酸钠（Na2SiO3）或硅酸钾（K2SiO3），随后与 Ca （OH） 2 反应生成碱硅凝胶（ Na2O^. CaO· SiO2· nH2O）。该凝胶具有强烈吸水性，吸水后体积膨胀（膨胀率可达 300%-500% ），若凝胶被包裹在混凝土内部无法自由膨胀，会产生内应力，引发微观结构破坏。

（二）碱 - 碳酸盐反应（ACR）

ACR 主要发生于含白云石（CaMg （CO3） 2）的碳酸盐骨料与水泥碱之间，反应条件更苛刻（需骨料含特定白云石结构、浆体碱浓度较高），因此工程中发生率低于 ASR。反应时，水泥浆体中的 OH - 优先与白云石中的 Mg2+ 反应，生成 Mg （OH） 2（ brucite）和 CaCO3，同时释放 CO32 - 与 Na+， 、 K+ 结合生成 Na2CO3。反应过程中，Mg （OH） 2 体积膨胀（较原白云石体积增加约 148% ），且 CaCO3 晶体在骨料 - 水泥石界面沉积，导致界面区应力集中，破坏微观结合状态。与 ASR 不同，ACR 无明显凝胶生成，其微观劣化主要源于固相产物膨胀与界面沉积。

二、骨料碱活性对混凝土微观结构的作用机制

混凝土微观结构包括水泥石（水化产物）、骨料及两者之间的界面过渡区（ITZ），其中 ITZ 是微观结构的薄弱环节，也是 AAR 的主要作用区域。骨料碱活性通过化学反应改变各微观区域的组成、结构与结合状态，最终导致整体劣化。

（一）对界面过渡区（ITZ）的破坏

ITZ 是骨料与水泥石之间厚度约 10-50μm 的薄层区域，初始状态下因骨料表面水膜较厚，水化产物排列松散，存在较多孔隙与微裂缝。当骨料含碱活性成分时，AAR 优先在 ITZ 发生：

ASR 对 ITZ 的影响：活性硅骨料与水泥碱反应生成的碱硅凝胶，首先在ITZ 聚集。凝胶吸水膨胀时，对周围水泥石产生挤压应力，导致 ITZ 原有孔隙扩大，同时产生新的微裂缝。随着反应持续，凝胶通过裂缝向水泥石内部渗透，进一步加剧 ITZ 与水泥石的分离，使骨料与水泥石的粘结强度下降。电镜观察显示，发生 ASR 的混凝土 ITZ 厚度较正常混凝土增加 2-3 倍，且界面处出现明显的凝胶填充与裂缝。

ACR 对 ITZ 的影响：白云石骨料与水泥碱反应生成的 Mg（OH）2 晶体在ITZ 沉积，晶体生长过程中产生膨胀应力，挤压周围水化产物（如 C-S-H 凝胶），导致 ITZ 结构疏松；同时生成的 CaCO3 晶体在界面形成不规则堆积，破坏了水化产物与骨料表面的紧密结合，使 ITZ 成为应力集中区，易在外界荷载或温

度变化下产生宏观裂缝。

（二）对水泥石孔隙结构的改变

水泥石的孔隙结构（孔隙率、孔径分布）直接影响混凝土的强度与渗透性。AAR 通过生成膨胀产物或消耗水化产物，改变水泥石孔隙特征：

ASR 的作用：碱硅凝胶在水泥石内部孔隙中填充，初期可降低孔隙率，但随着凝胶吸水膨胀，会撑裂水泥石，产生贯通性孔隙。同时，反应消耗水泥浆体中的 Ca（OH）2 ，导致 C-S-H 凝胶因缺乏 Ca2+ 而发生分解，生成无胶结能力的 SiO2 凝胶，进一步增加水泥石孔隙率。试验表明，发生 ASR 的混凝土水泥石孔隙率较正常混凝土升高 5%-10% ，且大于 50nm 的有害孔隙占比显著增加。

ACR 的作用：ACR 生成的 Mg（OH）2 晶体体积膨胀，会挤压水泥石中的毛细孔，使小孔径孔隙转化为大孔径孔隙；同时反应消耗 OH-，抑制水泥后续水化，导致水化产物不足，水泥石结构更加疏松。此外，CaCO3 晶体在孔隙中沉积，虽能部分填充孔隙，但晶体间的间隙反而增加了水泥石的渗透性。

（三）对微观结合状态的劣化

混凝土的宏观性能依赖于水泥石、骨料及 ITZ 的微观结合状态。AAR 通过破坏三者的结合，导致整体性能下降：

骨料与水泥石粘结失效：AAR 引发的 ITZ 裂缝与结构疏松，使骨料与水泥石的机械咬合力和化学粘结力显著降低。例如，发生 ASR 的混凝土，其骨料- 水泥石粘结强度较正常混凝土下降 30%-50% ，在外力作用下易发生骨料剥离。

水泥石自身结构破坏：ASR 消耗 C-S-H 凝胶与 Ca （OH） 2，导致水泥石胶结能力下降；ACR 生成的 Mg （OH） 2 与 CaCO3 无胶结性能，替代了原有水化产物，使水泥石结构强度降低。微观力学测试显示，受 AAR 影响的水泥石弹性模量较正常水泥石下降 20%-30% ，易发生塑性变形。

三、当前研究存在的问题与调控方向

（一）现存问题

活性骨料识别精度不足：传统骨料碱活性检测（如岩相分析、快速砂浆棒法）对低活性骨料的识别准确率较低，易出现误判，导致工程中使用潜在活性骨料。

反应过程动态监测困难：AAR 是缓慢持续的过程，现有技术（如电镜、X 射线衍射）难以实时追踪微观结构变化，无法准确掌握反应发展阶段。

多因素耦合作用研究欠缺：实际工程中，AAR 常与冻融、碳化等因素共同作用，但当前研究多聚焦单一因素，对耦合作用下的微观劣化机制认识不足。

（二）调控方向

优化骨料筛选：采用 “岩相分析 + 加速老化试验” 组合方法，提高低活性骨料识别精度；优先选用非活性骨料（如花岗岩、石灰岩），减少活性骨料使用。

添加化学抑制剂：在混凝土中掺入锂盐（如 Li2CO3）、粉煤灰等抑制剂，锂盐可与活性硅反应生成非膨胀性产物，粉煤灰可吸收水泥浆体中的碱，降低碱浓度，抑制 AAR 发生。

改进微观结构设计：通过优化水灰比、掺入纳米 SiO2 等方式，改善 ITZ 结构，减少初始孔隙，提高混凝土对 AAR 的抵抗能力；同时采用纤维增强技术，抑制微观裂缝扩展，延缓宏观劣化。

四、结语

骨料碱活性通过引发碱 - 骨料反应（ASR、ACR），从界面过渡区破坏、水泥石孔隙结构改变及微观结合状态劣化三个维度，对混凝土微观结构产生显著负面影响，最终导致混凝土宏观性能下降与结构耐久性降低。明确这一作用机制，是解决工程中 AAR 问题的核心前提。

参考文献

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