水工混凝土的碱骨料反应问题

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碱骨料反应所导致的严重后果已逐渐被人们所认识。近年来，许多水利工程已经开始重视碱骨料反应问题，越来越多的工程在开工前对骨料进行碱活性检验，并采取积极措施预防碱骨料反应的发生。但是，水工混凝土有其自身的特点，在许多方面不同于普通混凝土。正是由于这种差异，碱骨料反应在水工混凝土中也将表现出不同的行为。在这一方面，至今还没有被人们所察觉。在大多数水利工程中，对碱骨料反应的判断，对一些预防措施的决策，一般都是依据普通混凝土的一些研究结果。用普通混凝土的研究结果来分析水工混凝土碱骨料反应问题，很可能导致一些错误的认识，并作出一些错误的决策。对此，应该引起足够的重视。本文首先分析水工混凝土与普通混凝土的差异，并进一步分析这些方面对混凝土碱骨料反应行为的影响。旨在对水工混凝土的碱骨料反应问题有更清楚的认识。
 

    1、水工混凝土与普通混凝土的差异
    从混凝土的碱骨料反应行为考虑，水工混凝土与普通混凝土至少存在以下5个方面的差异：
    (1)骨料粒径较大。水工混凝土最大骨料粒径一般为150mm，而且所占的比例较高，80～150mm骨料大约占骨料总量的30％以上。而普通混凝土最大骨料粒径一般不超过40mm，一些水泥制品的骨料粒径甚至不超过20mm。
    (2)混凝土强度等级较低。除了一些特殊部位外，水工混凝土的强度等级一般较低。特别是重力坝，混凝土强度等级更低。以三峡主体工程为例，大坝内部混凝土90d龄期的设计强度仅为15MPa，大坝外部混凝土90d龄期的设计强度仅为20MPa，水位变化区外部混凝土90d龄期的设计强度仅为25MPa。而普通混凝土28d龄期的设计强度一般为30～40MPa。60MPa以上的高强混凝土也已经较普遍地被采用。道路混凝土28d龄期的设计强度一般也在30MPa以上。
    (3)胶凝材料用量较少。由于考虑到水化热，除了特殊部位外，水工混凝土的胶凝材料用量通常较低，一般不超过200kg/m³。而普通混凝土胶凝材料用量都在300kg/m³以上，甚至超过400kg/m³。?
    (4)长期处于潮湿环境中。由于水工建筑物的特殊性，水工混凝土一般长期处于饱水状态。即便是在水上部份，由于水工建筑物体积特别大，内部的水份难以扩散蒸发，仅仅由于胶凝材料的水化而消耗掉一部分拌合水，这是非常有限的。而且由于毛细管作用，下部的水也会扩散上来。而对于普通混凝土，由于大部分建筑物都处于地面以上，它们的干湿状态受环境控制。在一些干燥地区，混凝土可能较长时间地处于干燥状态。即便在一些多雨潮湿地区，混凝土也很难保持在饱水状态下。
    (5)寿命要求较长。水工建筑物一般投资较大，建设期较长，因此，一般要求有较长的使用寿命。同时，由于水工建筑物的特殊重要性，通常对耐久性要求较高。三峡工程从1993年破土动工，到2009年结束，需花费17年的建设期。仅工程建设投资就高达500多亿元。而且三峡大坝一旦出现问题，将会殃及长江下游的七省一市，其后果是不堪设想的。在这些方面，其它混凝土工程是无法与水电工程相比的。因此，水电工程所要求的使用寿命一般较长。三峡工程的使用寿命要求长达数百年。而建工、道路等部门对混凝土使用寿命的要求一般为100年。特别是道路混凝土，使用寿命仅要求40年。因为即便混凝土不发生碱骨料反应，路面经20～30年的磨损，局部冲击，基础不均匀沉陷等因素，也需重建。从上述分析可以看出，在这5个方面，水工混凝土与普通混凝土有相当大的差异，这也将导致碱骨料反应行为的较大差异。

    2、骨料粒径对碱骨料反应膨胀及开裂的影响

    在骨料粒径对碱骨料反应膨胀的影响方面，目前普遍认为^[1,2]，对于硅质骨料，当骨料粒径为0.15～0.80mm时砂浆棒的膨胀值最大。当骨料粒径增大时，砂浆棒的膨胀值显著减小。作者还发现^[3]，当有粗骨料存在时，砂浆棒的膨胀将受到粗骨料的限制。从这些研究来看，似乎可以认为水工混凝土比普通混凝土更安全。但更深入的研究却表明，这种认识是不正确的。
    (1)从骨料粒径来看，尽管砂浆棒的膨胀随骨料粒径的增大而减小，但这种影响仅仅是当骨料粒径小于2.5mm时是显著的。当骨料粒径超过2.5mm时，这一影响则不显著^[3]。况且在水工混凝土中，也存在着较多的细骨料。如果这些细骨料是活性的话，仍然可能发生较严重的碱骨料反应，产生较大的膨胀。从这一点看，尽管水工混凝土的最大骨料粒径可以比普通混凝土大好几倍，但这并不足以使人们产生安全感。
    (2)从粗骨料对砂浆膨胀的作用来看，粗骨料可以约束砂浆的膨胀，但这是有条件的。这一条件就是在碱的作用下，粗骨料的自由膨胀小于砂浆的自由膨胀。在混凝土中，如果细骨料和粗骨料都是非活性的，这就不存在着碱骨料反应问题。如果细骨料是活性的，而粗骨料是非活性的，在这种条件下，显然粗骨料的自由膨胀小于砂浆的自由膨胀。因此，粗骨料约束砂浆的膨胀是可能的。由于水工混凝土中粗骨料含量多于普通混凝土，因而，在水工混凝土中，这种约束作用则较强，使得混凝土表现出较小的膨胀。但是，这种约束作用是以两相变形的不一致性为前提的。这种变形的不一致性势必在界面产生拉应力。如果这一拉应力超过界面的抗拉极限，粗骨料周围则会产生周边缝。粗骨料粒径越大，周边缝也将越长。这些较大缺陷的存在也将影响混凝土的许多性能。如果细骨料是非活性的，而粗骨料是活性的话，显然粗骨料的自由膨胀大于砂浆的自由膨胀。因而，粗骨料不能约束砂浆的膨胀。相反，而是砂浆约束粗骨料的膨胀。在这种条件下，粗骨料越多，混凝土的膨胀也越大。水工混凝土中的粗骨料含量是较多的，因而可能造成较大的危害。如果粗、细骨料都是活性的，一般而言，在早龄期，砂浆的自由膨胀大于粗骨料的自由膨胀，粗骨料可能约束砂浆的膨胀。但在晚龄期，粗骨料的自由膨胀可以超过砂浆的自由膨胀。此时，粗骨料不再约束砂浆的膨胀，反而促进砂浆的膨胀。因此，粗骨料对碱骨料反应膨胀的作用仅仅是延缓。
    (3)从混凝土的开裂来看，对于不同粒径的骨料，膨胀与开裂也是不一致的。作者曾经发现^[4]，对于0.15～0.80mm的骨料，当试件的膨胀率为0.175%时，用立体显微镜观察试件，在试件表面没有找到任何裂纹。当试件的膨胀率达到0.247%时，在部分试件表面观察到裂纹。如果用5～10mm的骨料，试件的膨胀率不到0.040%时，所有试件都观察到裂纹。这表明骨料粒径较大时，尽管试件的膨胀率减小，但却更容易开裂。由此看来，试件的膨胀率随骨料粒径增大而减小并不意味着安全性提高。原因在于：当粗骨料粒径较小时，碱骨料反应所产主的膨胀应力能够较均匀地分布在试件中，因而不一定产生开裂。但当骨料粒径较大时，碱骨料反应所产生的膨胀应力则较强地集中在骨料周围，局部应力可能超过基体相的抗拉极限，因而产生开裂。水工混凝土的骨料粒径是较大的，一旦发生碱骨料反应，这种应力集中也将较强，因而开裂的可能性也较大。从上述分析可以看出，在水工混凝土中骨料粒径较大，而且数量较多。尽管这些大骨料与碱的反应较慢，而且在适当的条件下可以约束砂浆的膨胀，但这并不意味着水工混凝土比其它混凝土更安全。恰恰相反，无论是从粗骨料对砂浆的作用来分析，还是从混凝土的开裂来分析，正是由于水工混凝土中的骨料粒径较大，而且数量较多，一旦发生碱骨料反应，水工混凝土将比普通混凝土更容易破坏。

    3、混凝土强度与碱骨料反应破坏的关系
 
    与其它混凝土相比，在通常情况下，水工混凝土所要求的强度是较低的。而且水工混凝土通常是以90d龄期的强度作为设计标准，而其它混凝土通常是以28d龄期的强度作为设计标准。这表明水工混凝土在强度方面与其它混凝土有相当大的差别。混凝土强度的差别在较大程度上反映了混凝土中硬化水泥石强度的差别。水工混凝土强度较低表明水工混凝土中硬化水泥石的强度较低。用细观力学的方法分析，硬化水泥石是基体相。当骨料与碱发生反应时，骨料产生膨胀，而硬化水泥石则约束骨料的膨胀。与此同时，硬化水泥石将受到一个拉应力。当这一拉应力超过硬化水泥石的抗拉强度时，将发生开裂。由此可得出下列判据： (1) 式中：ε_p为粒子相(骨料)的自由膨胀；ε_m为基体相(硬化水泥石)的自由膨胀；E_p为粒子相的弹性模量；E_m为基体相的弹性模量；k为粒子相体积因子，k=V^1/3_p；V_p为粒子相体积分数；R₁为基体相的抗拉强度。
    由此可以看出，水泥石的抗拉强度越低，所能承受的骨料膨胀值越低，这表明混凝土越容易开裂。水工混凝土强度远低于普通混凝土，意味着水工混凝土抵抗碱骨料反应膨胀的能力较弱，对此不可掉以轻心。混凝土棱柱体方法是以普通混凝土为依据的，它的28d龄期强度超过30MPa。按照标准规定，以一年的膨胀值作为依据，其限度为0.04%。也就是说，当膨胀值不超过0.04%时，混凝土是安全的，不会开裂。这一判据对水工混凝土是否适合，值得研究。

    4、胶凝材料用量与碱骨料反应破坏的关系   表1  我国一些常态混凝土坝的胶材用量 坝名 坝型 胶材总量/(kg/m³) 坝名 坝型 胶材总量/(kg/m³) 坝名 坝型 胶材总量/(kg/m³) 佛子岭
梅山
上犹江
黄坛口
古田一级
三门峡
新安江
柘溪
西津
青铜峡
刘家峡 连拱坝
连拱坝
空心重力坝
重力坝
宽缝重力坝
重力坝
宽缝重力坝
大头坝
宽缝重力坝
闸墩坝
重力坝 120
123
164～190
150
159～177
137.5～142
129～141.8
170
133～141
161
130.7 陈村
丹江口
乌江渡
凤滩
池潭
大黑汀
潘家口
大化
紧水滩
漫湾
龙羊峡 重力拱坝
宽缝重力坝
重力拱坝
空腹重力坝
宽缝重力坝
重力坝
宽缝重力坝
重力坝
三心拱坝
重力坝
重力坝 142.7～149
144
142.9
156.5
153.8
180
157～169
154～228.5
185
163
160 安康
东西关
渔洞
大河口
白石窑
二滩
故县
过渡湾
东凤
东江
平均 折线重力坝
闸坝
重力 坝
空腹重力坝

拱坝
重力坝
重力坝
拱坝
拱坝 155
148
196
171
166
174
220
168
164
182
161     前面已经提到，水工混凝土的胶凝材料用量是极低的。表1给出我国一些常态混凝土坝的胶凝材料用量。从表中可以看出，我国大坝混凝土的胶凝材料用量最低可达120kg/m³，最高也仅为220kg/m³，平均为161kg/m³，仅相当于普通混凝土的40%～50%。当然，降低胶凝材料用量可以减少混凝土的放热量，降低水化热温升，这对温控防裂有着积极的作用，但也应该注意到它在碱骨料反应发生时所表现出的特殊行为。
    从碱骨料反应角度来讲，混凝土中的胶凝材料有着两方面的作用：一是为碱骨料反应提供碱：二是硬化水泥石作为连续相对碱骨料反应膨胀起到约束作用。胶凝材料所提供的碱是混凝土碱含量的主要来源。特别是由于窑外分解技术的采用，水泥的碱含量普遍提高，在混凝土总碱含量中胶凝材料所提供的碱更占据重要的地位。由于水工混凝土的胶凝材料用量较少，按照一般的概念，控制混凝土的碱含量小于3.0kg/m³，对于水工混凝土是不困难的，甚至控制混凝土的碱含量不超过2.0kg/m³也是容易做到的。例如，水泥的碱含量以1.0%考虑，胶凝材料用量取160kg/m³，不考虑掺用任何混合材，胶凝材料全部为水泥。另外，再考虑掺入0.7%的超塑化剂，超塑化剂的碱含量按10%计算。即便在这样的条件下，混凝土的碱含量也仅为1.712kg/m³。仅从控制混凝土的碱含量来考虑，水工混凝土要比普通混凝土容易得多。由于这一原因，使得一些人认为，对于水工混凝土，防止碱骨料反应是件很容易的事，只需稍加控制一下水泥的碱含量，就可以使混凝土的碱含量降低到一个相当低的水平，碱骨料反应就可以避免了。其实不然，在欧洲、北美等地，水工混凝土建筑物由于碱骨料反应而破坏的实例却是较多的。其原因在于在相同的混凝土碱含量条件下，当碱骨料反应发生时，不同胶凝材料用量的混凝土所表现出的行为也是不同的，这一点却一直被人们所疏忽。对于碱骨料反应而言，胶凝材料不仅仅是提供碱，它还可以约束碱骨料反应膨胀。胶凝材料越少，这种约束作用越弱，因而混凝土的膨胀也将越大。表2给出胶凝材料用量对混凝土膨胀的影响。试验结果证明了这一观点。水工混凝土的胶凝材料用量远低于普通混凝土，可以肯定，在同等条件下，水工混凝土的膨胀大于普通混凝土。另一方面，由于水工混凝土胶凝材料用量较少，当碱骨料反应发生时，硬化水泥石将承受较大的拉应力。从这一意义上讲，一旦碱骨料反应发生，水工混凝土比普通混凝土更容易破坏。 表2  水泥用量对混凝土膨胀率的影响 骨料类型 水泥用量/(kg/m³) 300 400 500 600 沸石化珍珠岩
碳酸岩骨料 0.119
0.148 0.104
0.135 0.090
0.121 0.076
0.108     注：混凝土碱含量为6kg/m³。       目前，混凝土碱含量的限量标准是在普通混凝土试验基础上提出来的，在混凝土棱柱体试验方法中水泥用量为420kg/m³，相当于水工混凝土胶凝材料用量的2～3倍。在这样的条件下得出的结论直接用于水工混凝土是否可靠，值得深思。

    5、潮湿条件对碱骨料反应膨胀的影响

    碱骨料反应发生的三个必要条件是：活性骨料的存在，混凝土中含有一定数量的碱，以及在混凝土中含有足够的水份。在碱骨料反应过程中水有三个作用：（1）水是碱离子化的基础。众所周知，碱元素是非常活泼的，在水中，它很容易形成碱离子。正是这种碱离子才能较容易地与骨料中活性组分反应，进入骨料中去，形成反应产物。如果以固—固相反应的形式完成碱骨料反应，那是相当困难的。（2）水是输送碱的载体。水泥石中的碱溶解在水中后形成碱金属离子，这些碱金属离子在水溶液中能够迅速地扩散到活性骨料的表面，与之发生反应。如果没有水的存在，水泥石中的碱是不容易到达骨料表面的。（3）水是碱骨料反应膨胀的源泉。碱硅反应所形成的反应产物是碱硅凝胶，这种碱硅凝胶具有极强的吸水性，而且吸水后产生较大的膨胀。如果没有水的存在，碱硅干凝胶是不产生体积膨胀的。如此看来，水在碱骨料反应过程中起到相当重要的作用。而恰恰是在这一方面，水工混凝土具备了极其优越的条件。水工建筑物一般长期处于水中，在这种环境下，混凝土的拌和水是不可能蒸发而失去的。当然，由于水泥的水化作用，可以消耗掉一部分拌和水，但外部的水可以通过水泥石的孔源源不断地给以补充。因此，水工混凝土可以长期处于饱水状态。这一“优越”的条件常常是其它混凝土所望尘莫及的。在这样的条件下，混凝土中一旦存在着活性骨科和足够数量的碱，它们便会充分地发挥其潜能去破坏混凝土结构。由此看来，从环境条件上讲，水工混凝土具有更大的危险性。

    6、使用寿命要求与碱骨料反应的关系

    由于水电工程的巨额投资，较长的建设期，以及它的特殊重要性。因而对水电工程有较长的使用寿命要求，这是十分正确的。对于大型水电工程，使用寿命应该到达数百年。然而，也正是由于这一较长的使用寿命要求，为碱骨料反应赢得了足够的时间。一般来说，碱骨料反应是一个较缓慢的过程，需要一个较长的时间。对于一些慢膨胀活性骨料，这一时间会更长。欧洲、北美等地出现的碱骨料反应破坏，通常也是建成后十几年，甚至二十几年后才出现。英国泽西岛的Val-de-da-Mare大坝建于1960年6月至8月，1970年～1971年冬天发现由于碱骨料反应而开裂。英格兰西南部的3个水电站也是在建成十几年才发现混凝土地基由于碱骨料反应而开裂的。美国的布克坝建于1922年，10年后发生较严重的碱骨料反应。加拿大魁北克省的博赫尔洛依斯水电站建于1928年，从20世纪40年代后陆续发现坝体因碱骨料反应而出现严重的地图状开裂，并导致坝体各部位发生不同程度的位移，坝体北侧平均每年向北移动1.7mm，进水系统平均每年向下游移动1.9mm^[5]。法国的Chambon坝建于1929年～1934年间，1958年才出现混凝土变形，1970年～1972年平均高度增长3.5mm·年，1976达到膨胀最高峰，大约为140μm/m·年，现已因碱骨料反应而破坏，不能继续使用，决定重建^[6]。如果混凝土的使用寿命仅要求20年（例如：一些道路工程，以及一些临时建筑物），一些问题可能被掩盖掉，或者稍采取一些措施，碱骨料反应还没有造成严重破坏，建筑物已经重建。但对于水电工程，这样的要求是不够的。在水电工程建设中，对碱骨料反应必须要有更清楚的认识，哪些措施可以抑制碱骨料反应，哪些措施仅仅是延缓碱骨料反应，对于一些抑制措施，能够抑制到什么程度，能否从根本上杜绝碱骨料反应，等等。需要进行更深入的研究。切不可一看到膨胀减小了，甚至减小到规定的判据以下了，就断定不会发生碱骨料反应。这样的结论可能会留下无穷的后患，切不可掉以轻心。

    7、结束语

    上述比较了水工混凝土与普通混凝土的差异，并分析这些差异对碱骨料反应的影响。通过比较发现，在骨料粒径、混凝土强度、胶凝材料用量、混凝土所处的环境以及建筑物使用寿命要求等方面，水工混凝土与普通混凝土有相当大的差异。这些差异以不同方式影响着水工混凝土碱骨料反应膨胀的行为。较大的骨料粒径使碱骨料反应变慢，但若发生碱骨料反应，则易产生应力集中。较低的混凝土强度和较少的胶凝材料用量使得水工混凝土具有较弱的抵抗碱骨料膨胀反应的能力。水工混凝土所处的潮湿环境为碱骨料反应创造了优良的环境条件。水电工程较长的寿命要求为碱骨料反应提供了时间保证。这些都表明，在碱骨料反应方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危险性。因此，在决策时应持更加慎重的态度。
      由于水工混凝土与普通混凝土在这些方面的差异以及它们对碱骨料反应形成的影响一直没有被人们所注意，对碱骨料反应的研究，以及一些评判方法及判据，混凝土安全碱含量等控制指标的提出也是以普通混凝土为基础的。它们能否应用于之相差甚大的水工混凝土，如何应用于水工混凝土，对此还有待更深入的研究后才能作出科学的决定。