2.3 内部物质膨胀因素
内部物质膨胀因素包括碱-骨料反应、冻融及钢筋锈蚀。
2.3.1 碱-骨料反应
1.碱-骨料反应机理
碱-骨料反应是指混凝土中的碱（包括外界渗入的碱）与骨料中的活性矿物成分发生的化学反应，会导致混凝土膨胀开裂等现象的发生。
碱-骨料反应机理如下：
1）水泥与水化学反应后形成的水泥石中含有碱性物质氢氧化钙。
2）氢氧化钙与砂子中的二氧化硅（SiO2）、微晶白云石、变形石英反应，生成碱性溶液（KOH和NaOH）。
3）碱性溶液与骨料中的活性物质发生化学反应形成胶凝体。
4）胶凝体吸水后体积会膨胀，达到原体积的3倍，从而对其周围的混凝土形成压力，当膨胀压力足够大时，胶凝体周围的混凝土将会被胀裂。
2.碱-骨料反应类型
碱-骨料反应有两种类型：碱-硅型和碱-碳型，即碱硅酸反应和碱碳酸反应。
（1）碱-硅酸反应 碱-硅酸反应是碱与具有活性的二氧化硅SiO2（微晶氧化硅）反应生成硅胶体。含有活性二氧化硅的骨料包括：蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英、黏土质等。
（2）碱-碳酸反应 碱-碳酸反应是指碱与碳酸盐骨料中的活性白云石晶体发生化学反应生成硅胶体的过程。
含有活性碳酸盐的骨料包括：白云质类石灰岩、黏土质页岩、白云石质、石灰石和含有方解石和黏土的细粒等。
2.3.2 冻融
把瓶子里装满水放在冰柜里冻，瓶子会胀裂，因为水结冰后体积增加9%，在封闭空间里会形成对周围约束体的压力。
混凝土冻融破坏的根本原因是混凝土孔隙里的水冻结膨胀，早期冻融破坏理论是：当混凝土孔隙内溶液体积大于孔隙容积91%时，就开始出现冻胀压力。
但由于混凝土内部分布着诸多大大小小的孔隙，许多孔隙是相通的，不是全封闭空间，裂缝形成机理比瓶子冻胀开裂更复杂一些。准确地说，冻融裂缝是静水压力和渗透压力联合反复作用的结果。
（1）静水压力 混凝土内的水结冰膨胀，会挤压毛细孔中未结冰的水向外迁移，如此产生静水压力，作用于水泥石孔壁上，反复作用后导致孔壁破坏。另外，骨料，特别是大颗粒骨料内的水结冰膨胀时，也会挤出尚未结冰的水，形成静水压力。
（2）渗透压力 混凝土孔隙内含有弱碱溶液，随着温度下降，大孔先结冰，孔内尚未结冰的水溶液的碱浓度提高，与毛细孔等小孔还未开始结冰（即碱浓度未提高）的水溶液形成浓度差，如此，形成了碱离子和水分子的相向运动，即大孔的碱离子向碱浓度小的小孔运动，小孔的水分子向碱浓度高的大孔运动，水分子和碱离子的渗透阻力和速率不同，水渗透得更快更多，大孔中水增加，渗透压力产生。
在静水压力和渗透压力联合作用下，混凝土开始出现细微裂缝。随着多次冻融反复作用，裂缝由细变宽、由短变长、由各自独立变成互相连通，如此疲劳作用，最终形成冻融破坏。
影响混凝土冻融性能的混凝土孔隙包括：
1）毛细孔，约占混凝土体积的10%~15%。
2）水化反应后多余水分蒸发时留下的孔隙。
3）混凝土搅拌、振捣过程中形成的气孔。
4）混凝土振捣泌水形成的孔隙。
5）振捣不好导致的蜂窝。
6）混凝土各种收缩裂缝。
7）混凝土各种膨胀裂缝，如碱-骨料反应裂缝等。
毛细孔是冻融破坏的主要发生点，是“作案”现场；而2）~7）的孔隙和裂缝使混凝土渗水，是冻融破坏的最重要因素——水——的通道。
冻融裂缝发生在潮湿和冻融交替频繁的环境中。有的建筑在向阳面反而发生冻融破坏，而更冷的背阴面却没有问题。
最容易发生冻融破坏的部位是混凝土构件边角部位、积雪积冰积水部位和水位变化区域。
混凝土孔隙越少，抗冻融性越好。混凝土毛细孔之外的孔隙和裂缝的多少与混凝土质量有直接关系。降低水灰比，掺加减水剂和粉煤灰，提高密实度、养护好是提高混凝土抗冻融性的主要措施。
构件和构造设计中，应对积雪积冰积水的部位设计好通畅的排水构造和防水构造，并尽可能避免小断面的凸出构造和尖角。
2.3.3 钢筋锈蚀因素
钢筋因氧化锈蚀生成铁锈，体积会膨胀2~4倍，如此会使钢筋保护层胀裂。从钢筋与混凝土的界面处裂开，由里及外，导致保护层脱落。
导致混凝土内钢筋锈蚀的原因包括：碳化作用、氯盐作用、保护层过薄、保护层混凝土不密实及其他原因裂缝等。
1.碳化
混凝土碳化机理在本章2.2.6节已经介绍了。碳化会导致混凝土收缩，更重要的是，碳化会降低混凝土碱性，破坏钢筋钝化膜，使钢筋容易锈蚀。
水泥是高碱性物质，水化反应后在钢筋表面生成钝化膜，保护钢筋不锈蚀。但钝化膜必须在高碱性环境中才会稳定，当pH值小于11.5时就开始不稳定了，当pH值小于8.5时，已经生成的钝化膜会逐渐破坏，钢筋锈蚀就会展开。
2.氯盐
氯离子对钢筋钝化膜具有很强的破坏性，是最危险的侵蚀介质。侵入混凝土内部的氯离子会依附在钢筋钝化膜处，使该处pH降到4以下，并在腐蚀处与未腐蚀钢筋之间形成电位差，即腐蚀电池作用，加剧腐蚀。氯离子还会加速阳性极化作用（即去极化作用），提高导电性，加剧腐蚀。
本书彩插图C-14就是海边混凝土柱因氯离子侵入导致严重锈蚀，把整个混凝土保护层都胀裂脱落的实例，可见氯盐侵蚀的危害性。
氯离子源于混凝土内部或外部。混凝土内部的氯离子与骨料和水有关，如使用海砂或氯离子含量高的水等。外部盐的侵蚀主要是盐碱地区的土壤侵蚀混凝土基础或海风海浪侵蚀混凝土所致。
3.钢筋保护层过薄
钢筋保护层过薄（小于设计规定的保护层厚度）缩短了碳化路径，使水分容易渗入，与钢筋发生氧化反应，导致钢筋锈蚀。
4.保护层不密实
钢筋保护层混凝土不密实使得二氧化碳和水分容易渗入，导致钢筋锈蚀。
5.其他原因形成的裂缝
各种收缩裂缝、膨胀裂缝和荷载作用形成的裂缝都可能成为进水通道，导致钢筋锈蚀胀裂。