这里，以一工程实例为例，从是否形成潜在的碱—骨料反应的“内、外因”上进行分析和评价。所谓内因，指混凝土中是否存在具有活性的骨料；而外因则指胶凝材料中的含碱量及其他环境介质（如水等）。

水东水电站位于福建闽江流域中游的尤溪支流上，地处亚热带湿润气候区。大坝为整体式碾压混凝土重力坝，最大坝高63m，采用薄层、连续、不分缝施工。碾压混凝土由水泥、粉煤灰、水、砂、石子及外加剂等6 种材料组成。共浇筑混凝土13.6 万m3，其中碾压混凝土约占1/2。

投入运行以来总的工况良好，但也出现了一些令人关注的问题，如坝体渗水量比较大（Q＞10L/s，1996～1999 年间）等。现场调查发现，上述渗水现象主要由两部分构成：一部分为碾压混凝土本身多孔隙面状散流；另一部分则为坝体施工层面缝隙状相对集中水流，由此引起了电站管理部门对坝体材料耐久性的关注。

已有的水质化验分析资料反映，坝前库水具有软水、溶出型侵蚀作用。显然，就坝体环境以及水质特征而言，是具备了发生碱—骨料反应的“外因”。

大坝所用水泥分别为425 号早强型水泥和425 号普通水泥，由当地4家水泥厂提供。根据资料，用于工程的每批水泥到达工地时均取样作物理—化学相关指标的测定；经检验合格，方可使用；主要使用425 号早强型水泥。大坝所用的粉煤灰分别为永安灰和长乐灰，由当地火电厂提供。经检验，上述两种粉煤灰的各项指标均符合国家标准。

工程所用骨料取自坝址附近的天然集料。经机械筛分和冲洗，分级使用。经试验和比较，三级配粗骨料比例为10%、30%和50%；二级配粗骨料比例为40%和60%；细骨料细度模量在1.4～3.1 之间。但在使用过程中，作了骨料（由砂和卵石组成）砂粒级配调整。其物理—化学试验成果（见表8.3.2～表8.3.3）表明，此类骨料的品质总体上是符合要求的。

表8.3.2　骨料的物理试验结果

表8.3.3　骨料的化学试验结果　单位：%

经对所取的部分碾压混凝土岩芯采用岩相鉴定法（见表8.3.4）可以得出：所含骨料主要为硅质岩；所含矿物主要为石英（包括玉髓等），次要矿物为正长石、角闪石、绿泥石、黑云母等。经进一步的微观鉴定发现，在所含的主要矿物——石英中，多数呈现结晶完好的晶形，如石英砂岩、石英岩及花岗斑岩中所含的石英矿物即是；少数石英则结晶不完整，如玉髓（具有隐晶质至微晶质）或呈隐晶质状或呈玻璃状，如细斑岩、石英斑岩、花岗斑岩基质中的石英大多即是。因此从岩相而言，认为骨料中具有潜在的发生碱硅酸反应的可能性。玉髓的碱活性反应表现为缓慢反应，其膨胀反应历程可持续很长时间（大于6 年甚至几十年），而隐晶—微晶质石英，在反应5 年期间，几乎没有膨胀反应的迹象，但5 年之后（或更长时间），持续突然膨胀。对此，应引起关注。

表8.3.4　碾压混凝土岩芯中骨料的岩性鉴定一览

研究表明，结晶完整的石英其碱活性很低，因而可以忽略不计；结晶不完整、或很差甚至不结晶（如玻璃质）的石英则具有碱活性，因而在一定条件下对工程具有危害性。一般，骨料中所含石英矿物的碱活性程度，可以从以下3个方面判定：①凡结构上无序度越高，或有序化（晶化）愈低，其碱活性越强；②凡组织结构越疏松，或结晶度愈低，其碱活性越强；③凡承受变质程度越强烈，产生位错和重结晶作用多而充分时，就构成了其潜在的碱活性。

对于结晶不完整的石英，在其表面通常有一层以上的O－，其化学结构见图8.3.1 和图8.3.2；遇水发生水化后在其表面形成硅醇基，见图8.3.3。硅醇基与碱反应能生成碱硅溶胶与凝胶，而这类溶胶或凝胶均是导致混凝土遭受破坏的物质。其代表性化学反应式为

式中：R 代表碱即钠或钾。

图8.3.1　纤维状晶质玉髓的化学结构

图8.3.2　隐晶质石英的化学结构

图8.3.3　石英结构表面水化状态(www.daowen.com)

上述碱硅酸反应及其发生膨胀的机理可归纳为如下两个方面。

1）混凝土孔隙中的碱性溶液对骨料中的活性硅酸盐物质的侵蚀作用反映为溶解作用。结晶不好的SiO2 具有较大的比表面积，当呈碱性的溶液与此类矿物表面接触时，可与分布于表面的硅烷醇基发生如下反应

随着液—固相之间接触时间的延长，这种碱性溶液将逐渐破坏其硅烷键，以致矿物结构解体，使独立的SiO2 单体逐步溶于溶液中。其反应式为

2）呈溶解状态的SiO2 单体或离子，在OH－的催化之下，将重新聚合成一定大小的SiO2 溶胶粒子，形成具有复杂结构的碱硅酸凝胶。因碱硅酸凝胶具有吸水膨胀性，故可导致混凝土结构破坏。

根据表8.3.4，水东大坝碾压混凝土骨料中含有活性SiO2，故在一定条件下存在发生碱硅酸反应的可能。另一方面，由于含有这种活性的骨料所占百分比较低（21.65%），故认为即使发生此类型的碱—骨料反应，其影响范围也有限。

作为发生潜在碱—骨料反应的另一个必要条件，就是混凝土胶凝材料中的含碱量是否比较高，如高于0.6% （以Na2O当量计）（蒋元驹等，1996）。因此，许多国家规定，凡与水接触或潮湿环境中的混凝土，当使用活性骨料时，应有其安全含碱量的界限。即：①对于具有一般活性的硅质岩骨料，水泥安全含碱量不大于0.6%Na2O当量；②对于具有高活性的硅质岩骨料，水泥安全含碱量应不大于0.5%Na2O当量。

对于水电站大坝一类重要工程，为避免碱—骨料反应的发生其总含碱量应低于1.80kg/m3（蒋元驹等，1996）。水东碾压混凝土大坝中的总含碱量来自水泥、粉煤灰及减水剂等。由于后者的掺入量仅为水泥用量的0.1%，故其含碱量忽略不计。因而认为，大坝材料中的总含碱量主要来自水泥、粉煤灰这两种材料。根据施工资料，水泥用量在48～79kg/m3之间，粉煤灰的掺入量则在70～90kg/m3之间。所用水泥均为低碱水泥，如用量最多的美雁牌425 硅酸盐水泥的含碱量为0.18834% （以NaO当量计）。这里，粉煤灰的含碱量若以1% （此为上限值）计，则可推求碾压混凝土的总含碱量（表8.3.5）。计算结果表明，碾压混凝土大坝的总含碱量并未超过1.8kg/m3。实际上，粉煤灰中的含碱量有一部分还是无效碱，对于碱—骨料反应具有贡献的有效碱仅占15%左右。此外，粉煤灰的掺入对于碱—骨料反应尚具有抑制作用。综上所述表明，水东大坝碾压混凝土中的总含碱量还不至于引发碱—骨料反应。粉煤灰对于碱—骨料反应所具有的抑制作用，主要体现在如下3 个方面。

表8.3.5　不同材料中的含碱量统计　单位：kg/m3

注　表中双梅牌水泥的含碱量安全含碱量极限值以0.6%计。

（1）降低了混凝土胶凝材料中的碱的浓度。由于粉煤灰本身具有比较大的比表面积，可将碱性离子吸附其表面，而使孔隙溶液中碱的浓度降低，因而起到了抑制碱—骨料反应的效果。

（2）降低了碾压混凝土中的Ca（OH）2 的含量。Ca（OH）2 物质的参与是发生碱硅酸反应的必要条件，由于粉煤灰的掺入，减少了单位体积中的水泥用量，也减少了其水化产物Ca（OH）2 的含量。另外，粉煤灰本身所具有的二次水化反应，也在一定程度上抑制或缓解了碱—骨料反应的进行。

（3）降低了混凝土孔隙溶液中OH－的浓度。已有的研究表明，OH－浓度的降低不利于碱—骨料反应的进行。

另外，粉煤灰的不同掺入量对其有效抑制碱—骨料反应的功能也具有明显的影响。已有的研究表明，只有当粉煤灰的取代量不低于30%时，才能有效地抑制碱—骨料反应的发生，见图8.3.4。而由表8.3.5 知，水东大坝中胶凝材料中粉煤灰的掺入量大于30%，可见从掺入量来看，是具有抑制碱—骨料反应的功能的。

图8.3.4　粉煤灰抑制碱—骨料反应的功能

从现场调查来看，虽然该大坝坝体多处出现了不同颜色（如白色、棕红色、黑色及其过渡色等）的析出物，但未发现凝胶类物质。前者虽依附在表面，但很容易用水擦洗掉；而后者则为碱—骨料反应所致，稍具弹性，且用水不易擦洗掉。另外，从取出的混凝土岩芯经过镜下的仔细观察，未发现由碱—骨料反应产生的膨胀裂缝。

综上所述，就水东大坝碾压混凝土中的骨料而言，因含有活性SiO2 而具有潜在的发生碱—骨料反应的可能，反应类型为碱硅酸反应；但从胶凝材料中的总含碱量（0.99～1.26kg/m3）来看，认为发生这种碱硅酸反应的可能性较小；况且，粉煤灰的掺入对上述类型的碱—骨料反应具有抑制作用。由此并结合现场调查，以及根据发生碱—骨料反应的3 个必备条件，认为水东大坝在环境水作用下今后也不大可能发生上述类型的碱—骨料反应。

实际工作中，由于混凝土中的骨料因其岩性及岩相变化的复杂性若采用单一的岩相鉴定法则存在不确定性，而将控制混凝土胶凝材料中的总含碱量（如小于1.80kg/m3）作为一个判定指标则具有可靠性。可见，控制混凝土中的总含碱量应该是预防碱—骨料反应发生的最有效措施。