水工混凝土碱-骨料反应研究综述

， ，

(1．长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010；

2．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002)

1 水工混凝土碱-骨料反应的危害

混凝土碱-骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction， AAR)是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料发生化学反应，引起混凝土的体积膨胀和开裂的现象。自1940年斯坦顿(T.E.Stanton)发现混凝土碱-骨料反应以来[1-2]，美国、加拿大、西班牙、印度等国陆续出现了碱-骨料反应破坏事例，如美国的Parker Dam、加拿大Mactaquac水电站、西班牙San Estaban 坝和印度Rihand 坝等。世界范围内已有数百座大坝遭受不同程度的碱-骨料反应而导致破坏[3]，碱-骨料反应已成为全球性混凝土工程毁坏的重要原因，引起了世界各国的重视。

混凝土碱-骨料反应是一个较缓慢的过程，有时需要几年、十余年甚至几十年时间，特别是对于一些低活性慢膨胀型的活性骨料，这一时间会更长。由于水利水电工程的设计使用寿命多达百年，且水工混凝土所处的潮湿环境为碱-骨料反应提供了充分的环境条件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的碱-骨料反应潜在风险[4]。碱-骨料反应一旦发生就难以阻止，且很难进行后期修补，因此，提前采取工程措施预防混凝土发生碱-骨料反应破坏，对确保混凝土工程安全运行起着十分重要的作用。

2 碱-骨料反应及分类

2.1 碱-骨料反应

混凝土碱-骨料反应是活性骨料(固相)和碱性溶液(液相)之间的反应，主要是水泥、矿物掺和料、化学外加剂及外部环境中释放的碱性成分与骨料中有害活性矿物成分发生反应产生膨胀，导致混凝土膨胀并开裂[5-6]。

2.2 碱-骨料反应分类

依据骨料碱活性成分的不同，碱-骨料反应一般可以归纳为3种反应类型：碱-硅反应(Alkali-Silica Reaction, ASR)、碱-碳酸盐反应 (Alkali-Carbonate Reaction, ACR)和碱-硅酸盐反应 (Alkali-Silicate Reaction, ASR)。但现在对于这一划分仍存有争议[7]，主要集中在是否应将碱-硅反应与碱-硅酸盐反应统一归为碱-硅酸反应。唐明述等[8]通过大量试验否定了碱-硅酸盐反应的存在，从反应实质分还是应该视为碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸盐(ACR)反应2类。

2.2.1 碱-硅酸反应(ASR)

碱-硅酸反应是迄今为止分布最广、破坏最多、研究最集中的一类碱-骨料反应。碱-硅酸反应是由混凝土中的碱性溶液与骨料中的活性二氧化硅矿物发生的化学反应，生成碱的硅酸盐凝胶引起混凝土膨胀开裂。碱-硅酸反应的特点是混凝土表面有无序的网状裂缝，骨料边界有反应环或反应边，混凝土内部有裂缝，空隙中充填有碱硅络合物。

在碱-硅酸反应体系中，活性二氧化硅包括蛋白石、燧石、玉髓、玛瑙、黑硅石、火山玻璃、鳞石英、方石英、具有较强波状消光的石英及微晶石英等，具体见表1[9]。

表1 岩石中活性二氧化硅的形式

2.2.2 碱-碳酸盐反应(ACR)

碱-碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩骨料发生的去白云化反应，引起混凝土地图状开裂。

碱-碳酸盐反应体系中，活性碳酸盐岩石是指像加拿大的Kingston黏土质白云石石灰岩或黏土质灰质白云岩，碱-碳酸盐反应的机理与碱-硅酸反应不同，岩石中白云石晶体颗粒外部，含有较多黏土基质，包裹在白云石颗粒表面，起着半渗透膜的作用，R+和OH-通过黏土和白云石产生去白云石化作用，生成的产物不能通过黏土出来，使骨料本身体积膨胀，造成混凝土膨胀开裂。其特点是反应较快，一般在混凝土浇注后半年就有膨胀或开裂现象，反应物中通常见不到凝胶产物，多呈龟裂或开裂。反应的岩石周边反应环界限不很清晰[10]。在水工混凝土中，碱-碳酸盐活性骨料较少见，碳酸盐骨料危害最普遍的是硅化石灰岩，活性成分是其中硅化的SiO2。

图1 骨料碱活性鉴定流程

3 碱-骨料反应试验方法及创新

解决碱-骨料反应问题的关键在于正确判断骨料是否存在碱活性，国内外对此开展了广泛的研究，目前已形成了一套系统、具有权威性的检测方法(见图1)[11]，同时根据大量的工程经验总结出了对骨料碱活性行之有效的判定方法，通过实践不断验证和完善，最终形成了各种测试碱-骨料反应的标准，如RILEM标准，美国材料与测试学会的ASTM标准，加拿大标准协会CSA(Canadian Standards Association)标准等。

3.1 骨料碱活性检测方法

国内外对骨料碱活性的鉴定方法进行了大量的研究，制定和发布了一系列标准，其中ASTM和RILEM标准提出的试验方法已成为许多国家制定标准的参考依据，详见表2所示。这些试验方法主要集中在3个方面：①对骨料的微观结构进行分析的岩相法;②骨料的活性成分进行化学反应分析的化学法;③以骨料与碱作用后产生膨胀作为判据的测长法。世界各国沿用上述这些方法，对指导工程实际，防止碱-骨料反应的发生，取得了一定的成效。

表2 ASTM与RILEM标准关于骨料碱活性检验与抑制方法列表

3.2 骨料碱活性试验方法创新

尽管ASTM标准和RILEM标准都提出了诸多可供参考的骨料碱活性鉴定和抑制有效性试验方法，但受地理条件、骨料品种、骨料分布等情况的影响，国际上尚无一个公认的普适性方法，实际应用过程中还是应根据各自的特点制定适用的试验方法标准。

长江科学院在开展碱-骨料反应试验方法研究同时，进行了大量抑制碱-骨料反应的试验研究，采用了强化试验的小棒快速法，延长压蒸时间研究花岗岩及其主要矿物的潜在反应；改进了ASTM C289化学法，延长反应时间至15d研究缓慢反应型骨料的碱活性；开展大尺寸试件碱-骨料反应模拟试验，掌握实际工程混凝土膨胀特性；系统研究了三峡等国内重点水电工程混凝土骨料的长期碱活性膨胀特性，最长观测龄期达30 a，积累了宝贵的资料；开展了在不同的养护温度条件下分析混凝土芯样的长期膨胀性能，结合微观分析，预测已建水利工程混凝土碱-骨料反应膨胀趋势，均取得了较好的效果。

3.3 微观测试方法在碱-骨料反应中的应用

碱-骨料反应传统测试方法周期长、可靠性差，不能直接反映遭受碱-骨料反应破坏的混凝土中反应产物及其膨胀机理。有不少学者将注意力集中在石英微结构研究上，以确定波状消光石英是否存在碱活性。1983年A.D.BUCK[12]等提出了波状消光与碱活性的定量判据：“当平均波状消光角大于15°的应变石英含量大于20%时，骨料为碱活性。”但这一结论受到较多非议，原因之一是消光角很难准确测定，其重现性较差。Grattan-Bellew[13]的实验证明，消光角的大小与碱活性并无密切的相关性。

采用XRD(X射线衍射)和IR(红外光谱)分别测定石英晶体的特征“五指峰”(得到半高宽指数FWHM)和微晶无序系数Cd值，可以明确判断骨料的碱活性程度。利用TEM透射电镜测定石英晶体位错的形式和密度，计算古应力值，可以定量判断骨料碱活性程度[6,9,14-15]。XRD，IR，TEM等微观测试技术的引入，为深入探测和揭示碱-骨料反应的发生条件、膨胀产物和作用机理提供了新的途径。

4 碱-骨料反应预防措施

混凝土碱-骨料反应的防治措施研究一直都是碱骨料反应研究的重点和热点。我国从20世纪50年代起在水利水电工程中就重视了碱-骨料反应的预防工作，并开展了许多试验研究工作。对大中型水利水电工程，从地质勘探、料场选择时就要求进行骨料的碱活性检测，尽量避免采用碱活性骨料。虽然有些水利水电工程的混凝土使用了碱活性骨料，但都采取了预防措施，如汉江的丹江口水电站、安康水电站、柘溪水电站、葛洲坝水利枢纽等。目前预防碱-骨料反应发生的措施主要包括：使用非活性骨料、控制混凝土总碱量、控制湿度、掺入抑制材料和化学外加剂等[6,8,16]。

4.1 使用非活性骨料

使用非活性骨料对预防碱-骨料反应而言是最安全可靠的措施，但由于活性骨料特别是硅质活性骨料分布广泛，且骨料资源亦非“取之不尽”的可再生资源，随着骨料资源的不断消耗和受工程造价等因素影响，骨料的可选择范围受到制约，当不得不使用活性骨料时，必须考虑采取有效的混凝土碱-骨料反应抑制措施。

4.2 控制混凝土总碱含量

控制混凝土碱含量主要是基于当混凝土总碱量低于一定值(通常认为3.0 kg/m3)时，混凝土孔溶液中OH-浓度低于某临界值，就不会产生危害性碱-骨料反应。在早期发生碱-骨料反应破坏严重的国家，如美国、英国、日本、新西兰等，曾广泛采用碱含量低于0.60%的水泥以降低混凝土总碱量，由于混凝土中碱能随水分的迁移而富集，此措施并不一定奏效。而且，对于混凝土孔溶液中OH-浓度临界值确认也尚未统一。

对于混凝土安全碱含量问题，国际上仍存有争议。南非标准(SABS 0100-PartⅡ)中则规定混凝土的总碱量必须低于2.1 kg/m3才是无害的，新西兰水泥和混凝土协会规定混凝土的总碱量低于2.5 kg/m3是安全的，英国交通部和水泥学会认为混凝土的总碱量控制在3.0 kg/m3以下是安全的。国际材料与结构研究试验室联合会(RILEM)提出的《减少混凝土中碱-骨料反应的国际标准》中，对于低活性骨料，没有对混凝土的总碱量提出要求；对于中等活性骨料，混凝土总碱量的限值为3.0 kg/m3或3.5 kg/m3；对于高活性骨料，混凝土总碱量的限值为2.5 kg/m3。DL/T 5298—2013《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》根据水工建筑物级别和环境条件不同(干燥环境、潮湿环境、含碱环境)，针对2类不同碱-骨料反应(碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应)，分类对混凝土的总碱量提出要求。

混凝土骨料含有长石、云母等矿物，这些矿物中含有钾、钠等。这部分碱的其中一部分是可以溶出的，可以参与化学反应，称为可溶性碱。花岗岩骨料的总碱含量平均为6.54%，其中的可溶性碱含量占骨料总质量的0.02%～0.038 7%[17]，骨料在混凝土孔溶液中是否会分解溶出碱而引发碱-骨料反应，是研究碱-骨料反应时应该考虑的问题。

4.3 控制混凝土湿度

碱-骨料反应发生的必要条件之一是有充足的水分存在。有研究表明，混凝土内部相对湿度低于80%时，碱-骨料反应会停止膨胀；相对湿度低于75%时，碱-骨料反应就不会发生。鉴于混凝土服役环境的湿度多变，且反复干湿循环作用可能促使碱的迁移和富集，因此，对混凝土表面进行防水处理以隔断水分和空气进入才是控制混凝土湿度的有效手段之一。

4.4 活性掺和料

掺入活性掺和料抑制碱-骨料反应的实质是碱解聚活性颗粒的玻璃结构、消耗液相中的钙和碱以及使活化中心弥散，通过这一原理达到抑制混凝土碱-骨料反应的目的。目前采用的活性抑制材料可以分为2类，即玻璃态或无定形态的硅(铝)酸或硅铝酸盐材料，如粉煤灰、硅粉、矿渣粉等，以及具有强烈吸附和交换阳离子功能的矿物材料，如膨润土、蛭石、沸石等。

长江科学院自20世纪50年代就开始关注混凝土的碱-骨料反应，研究了多种抑制材料，提出了不同抑制材料的有效掺量，如酸性水淬高炉矿渣≥40%，硅藻土≥20%，煅烧高岭石≥20%，煅烧蒙脱石≥20%，火山灰≥40%，I级粉煤灰≥20%；粉煤灰等材料的品质也对碱-硅反应抑制效果有影响[18-19]。并先后在丹江口水电站采用低碱水泥、烧页岩和高炉矿渣，在万安水电站采用低碱水泥和烧黏土，在葛洲坝水电站和安康水电站采用中低热水泥和粉煤灰等抑制措施，取得了良好的工程效果；磷渣等矿物掺和料也可抑制混凝土的碱-骨料反应[20]。

4.5 掺入化学外加剂

部分研究表明，使用某些化学外加剂(如Li盐等)能有效抑制碱-骨料反应[21]。掺入化学外加剂降低混凝土液相的pH值，延缓碱骨料反应速率，并使反应产物分散，从而达到抑制碱-骨料反应的目的。该方法具有操作简便、掺量低、施工影响小等优点，因而在混凝土工程界被广泛接受。

5 结 语

水工混凝土所处环境相比其他混凝土结构发生碱-骨料反应的风险更大，应高度重视水工混凝土的碱-骨料反应，在工程预可研阶段应积极开展骨料碱活性检验及抑制有效性试验。

鉴于我国水电工程分布范围广、地质构造复杂、原材料波动性强等特点，难以提出普适、准确、快速判定骨料碱活性的试验方法及评判标准，但可以考虑建立各大流域附近骨料料源特征的数据库，供工程借鉴和参考。此外，水工混凝土服役环境的复杂性也在一定程度上加大了混凝土碱-骨料反应的甄别难度，进一步探索高效的骨料碱活性鉴别方法和水工混凝土碱-骨料反应防治综合措施是科研工作者要继续攻克的难关。

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