Page 120 - 2022年第53卷第11期

３ 混凝土碱－ 硅酸反应产生及其破坏机理

ＡＳＲ是一种复杂的物理化学反应，其进程受内外多种因素的影响，进而导致混凝土发生缓慢、长
期的破坏行为。经过科研工作者长达数十年的攻关探索，关于 ＡＳＲ演化进程与破坏机理的研究取得了
较为丰硕的成果。
３．１ 碱－ 硅酸反应产生机理 ＡＳＲ是指水泥中的碱性氧化物（ＮａＯ、Ｋ Ｏ）在一定的湿度条件下与骨料
２
２
中活性二氧化硅（ ＳｉＯ）发生的反应。ＡＳＲ进程可简化为两个阶段。第一阶段是由羟基离子引发的聚合
２
硅氧烷网络破裂产生碱硅酸和硅酸 ［２６］ ，如下所示：
＋ －
≡Ｓｉ － Ｏ － Ｓｉ ≡ ＋ Ｒ ＋ ＯＨ  →≡Ｓｉ － Ｏ － Ｒ ＋ Ｈ － Ｏ － Ｓｉ ≡ （１）

＋ ＋
式中 Ｒ表示碱金属离子，如钠和钾离子（Ｎａ和 Ｋ ）。硅酸产生后立即与其他的羟基离子反应，如下式
所示：
＋ －
≡
Ｒ ＋ ＯＨ ＋ Ｈ － Ｏ － Ｓｉ  →Ｒ － Ｏ － Ｓｉ ≡ ＋ Ｈ Ｏ （２）

２
由式（１）和式（２）产生的碱硅酸凝胶，具有无定形和吸湿的特点。
第二阶段是碱硅酸凝胶吸收其附近的自由水，如下所示：
－
Ｒ － Ｏ － Ｓｉ ≡ ＋ ｎＨ Ｏ  →≡Ｓｉ － Ｏ － （Ｈ Ｏ）＋ Ｒ ＋ （３）
２ 
ｎ
２
式中 ｎ为水分子的数量。
从硅离子结合、转移的角度出发，可将 ＡＳＲ演化过程描述为：①亚稳态硅溶解；②纳米凝胶硅溶
胶的形成；③溶胶凝胶化；④凝胶吸水 ［６］ ，即：
１ ２ ３ ４

２ 溶胶态 
２ 凝胶态 
２ 离子态 
（ＳｉＯ）  →（ＳｉＯ）  →（ＳｉＯ）  →（ＳｉＯ）  →凝胶吸水 （４）
２ 固态
值得注意的是，众多 ＡＳＲ试验均发现，ＡＳＲ凝胶一般先出现在骨料表面，即在 ＡＳＲ侵害的混凝
土试件中，活性骨料周围产生 “反应环” 现象，如图 ５所示。

图 ５ ＡＳＲ “反应环” 显微镜照片 ［２７ － ２８］
ＡＳＲ在宏观尺度上表现为混凝土试件的膨胀，因此，各国规范均推荐采用测长法，即基于试验经
验（与膨胀阈值进行比较）对骨料活性进行分类；然而试件的宏观膨胀无法深度反映 ＡＳＲ的反应机理。
ＡＳＲ往往发生在含活性二氧化硅的骨料中，活性二氧化硅具备特殊的晶体结构，因此，相关规范（如
美国规范 ＡＳＴＭ Ｃ２９５和我国 《水工混凝土试验规程》 （ＳＬ３５２—２０１８））推荐使用岩相法，即通过电子
显微镜观察骨料中矿物晶体的细观结构来判断骨料活性 ［２９ － ３０］ ，然而岩相法存在一定程度的漏判和误
判，目前仅作为辅助诊断方法。随着扫描电子显微镜（ ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）等仪器的发
展，越来越多的学者从微观尺度观察 ＡＳＲ凝胶的结构，进而判断骨料活性及揭示反应机理 ［３１ － ３３］ ；这
些高精度仪器虽然能观察到 ＡＳＲ凝胶产物的微观结构或组成成分，但其研究成果无法对大坝等混凝土
结构响应起指导性作用。作为一种复杂的物理化学过程，ＡＳＲ反应过程在不同尺度上呈现出不同的表
征特点，如何从不同尺度综合揭示 ＡＳＲ反应机理，进而建立完备可靠的活性骨料诊断体系仍然是待解
决的问题。

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