混凝土堿-硅酸反應(yīng)破壞機(jī)理及其進(jìn)程影響研究進(jìn)展

蘇懷智，楊立夫

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

作為目前用量最大的建筑材料，混凝土因其原材料來源廣、成本低、制備簡(jiǎn)便以及防火、防沖刷、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、港口碼頭、大壩等工程中。在混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役過程中，混凝土材料老化與劣化問題，不僅關(guān)乎混凝土結(jié)構(gòu)物本身的功能發(fā)揮和服役安全，甚至影響整個(gè)工程的安危。其中，被稱為混凝土“癌癥”的堿-骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate reaction，AAR)病變，一直是世界范圍內(nèi)混凝土耐久性研究的熱點(diǎn)問題。AAR是指在一定濕度條件下，混凝土中的活性骨料和孔隙溶液中的堿發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)。在濕度足夠的環(huán)境下，反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步膨脹，使得產(chǎn)物周圍內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土膨脹、開裂和力學(xué)性能的退化，進(jìn)而嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期運(yùn)行的功能性和安全性[1-3]。AAR按其骨料參與反應(yīng)的礦物成分不同分為堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction，ASR)和堿-碳酸反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction，ACR)[4]。由于ASR破壞形式較為常見，本文以其作為主要分析研究對(duì)象。

ASR的發(fā)生需三個(gè)必要條件，即適量的活性二氧化硅(主要來源于骨料)、有效堿(主要來源于膠凝材料)和充足的水(主要來源于工作環(huán)境)[5-6]。相較其他混凝土結(jié)構(gòu)，水工建筑物具有體積大、服役時(shí)間長(zhǎng)、工作條件惡劣等特點(diǎn)，大骨料、低水泥用量的水工混凝土因其良好的抗?jié)B、抗氣蝕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為水利工程(特別是大型水利工程)中最主要的建筑材料，常用于水工建筑物的擋水壩段、廠房、溢洪道等主體或核心部位。對(duì)照ASR發(fā)生的三個(gè)必要條件可知，骨料含量較多且長(zhǎng)期在水中服役的水工混凝土結(jié)構(gòu)，其工作狀況為ASR提供了有利的發(fā)展環(huán)境，因此存在更大的ASR病變風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。另一方面，隨著有限的非活性骨料不斷被開發(fā)利用，可開發(fā)骨料資源日漸枯竭且日益劣化；并且，非活性骨料存在空間分布不均的特點(diǎn)，考慮到運(yùn)輸成本，一些已建或擬建工程不得已就近選用活性骨料，如丹江口水電站、拉西瓦水電站、錦屏一級(jí)水電站等[9-11]。這些工程雖經(jīng)過大量的安全論證，但尚難高枕無憂。由此可見，預(yù)防、診斷與評(píng)估ASR病變可能帶來的工程隱患和危害，對(duì)于保障混凝土工程的安全運(yùn)行與支持國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文在闡述ASR典型破壞案例的基礎(chǔ)上，論述ASR破壞機(jī)理研究現(xiàn)狀，評(píng)述骨料特征、環(huán)境因素等對(duì)混凝土ASR進(jìn)程影響方面的研究進(jìn)展，以期為科學(xué)診斷已建和待建工程可能存在的ASR病變、評(píng)估其伴隨的工程隱患和危害提供參考。

2 混凝土工程堿-硅酸反應(yīng)典型破壞案例

世界范圍內(nèi)，北美在1940年最早發(fā)現(xiàn)ASR，丹麥在1950年代初發(fā)現(xiàn)ASR現(xiàn)象；1960年代初期，德國報(bào)道了ASR病害案例；1970年代中期，英國開始發(fā)現(xiàn)ASR破壞的案例；1980年代，日本和印度相繼報(bào)道了ASR破壞案例[12-13]。盡管ASR從1940年被發(fā)現(xiàn)至今，各國學(xué)者開展了大量研究，但其破壞案例仍時(shí)有發(fā)生。1997年竣工的韓國西海公路(Seohae Highway)，相繼在2001和2004年報(bào)道因ASR導(dǎo)致混凝土路面出現(xiàn)損壞[14]；英國建于1993年的克拉克頓海防工程(Clacton Coastal Defense Works)消能結(jié)構(gòu)因?yàn)锳SR出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)嗔?，?015年全部進(jìn)行了更換[15]。圖1展示了某混凝土重力壩的臺(tái)階式溢洪道與庫區(qū)堤岸擋土墻在ASR作用下的開裂現(xiàn)象[16]；圖2展示了南非共和國Idas Valley一級(jí)拱壩因ASR引起的相鄰壩段在壩頂位置出現(xiàn)的明顯相對(duì)位移[17]。

圖1 某混凝土重力壩溢洪道因ASR出現(xiàn)裂縫[16]

圖2 Idas Valley一級(jí)拱壩相鄰壩段壩頂?shù)南鄬?duì)位移[17]

我國在吳中偉院士、唐明述院士等科研工作者的建議下，自1960年代治淮工程(梅山大壩、佛子嶺大壩)與“南水北調(diào)”工程(丹江口大壩)開始，吸取了國外ASR破壞工程的經(jīng)驗(yàn)，注意甄別骨料活性以及控制混凝土中堿含量等相關(guān)問題，很大程度降低了ASR破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在低堿膠凝材料廣泛應(yīng)用的背景下，一段時(shí)間里，我國料場(chǎng)所開采的骨料被認(rèn)為不存在明顯的ASR病害風(fēng)險(xiǎn)。但是，1984年建成的北京三元立交橋，在1989年發(fā)現(xiàn)處于潮濕部位的柱、梁結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹開裂，在1994年發(fā)現(xiàn)蓋梁完全開裂，經(jīng)檢驗(yàn)判定為ASR破壞[18]；河北省大黑汀大壩在1990年代出現(xiàn)了由ASR和凍融、凍脹等因素聯(lián)合作用引發(fā)的溢流面混凝土大面積剝蝕破壞和開裂現(xiàn)象[19]。由此可見，ASR并非針對(duì)某地區(qū)的骨料才出現(xiàn)的混凝土劣化現(xiàn)象，該病害在地域上具有普遍性。我國擁有數(shù)量眾多的大壩、水閘等涉水工程，其中混凝土結(jié)構(gòu)物是否會(huì)發(fā)生ASR、是否會(huì)引起結(jié)構(gòu)的破壞，值得長(zhǎng)期關(guān)注。

ASR會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開裂、材料性能退化、結(jié)構(gòu)整體位移等破壞行為，同時(shí)容易誘發(fā)或加速鋼筋銹蝕、滲漏溶蝕、凍融凍脹、化學(xué)侵蝕等其他老化病害[20-22]，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、預(yù)判不科學(xué)、處理不到位，將對(duì)結(jié)構(gòu)物的功能發(fā)揮和運(yùn)行安全造成極大危害。例如，ASR和凍融凍脹協(xié)同作用下導(dǎo)致了大黑汀大壩溢流面的開裂現(xiàn)象[19]，ASR和硫酸鹽侵蝕共同作用誘致了西班牙某混凝土重力壩壩體的開裂破壞(如圖3所示)[23]。關(guān)于ASR膨脹與鋼筋的相互作用方面，譚妮等[24]發(fā)現(xiàn)ASR膨脹會(huì)導(dǎo)致鋼筋-混凝土粘結(jié)強(qiáng)度隨膨脹出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，即對(duì)于鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度而言，存在“最劣膨脹點(diǎn)”。由于ASR自身的反應(yīng)與破壞過程本身即非常復(fù)雜，與其他混凝土老化病害(如凍融、溶蝕、鋼筋銹蝕等)之間的耦合作用更是研究的難點(diǎn)，該方向有待進(jìn)一步探究。

圖3 某混凝土重力壩在ASR和硫酸鹽侵蝕下的破壞形態(tài)[23]

ASR病害工程的直接經(jīng)濟(jì)損失和后期除險(xiǎn)加固成本十分巨大。例如，巴西的Moxoto水電站，由于遭受嚴(yán)重的ASR破壞，迫使水輪機(jī)發(fā)生2 mm位移，導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；法國的Chambon壩，由于ASR導(dǎo)致該壩壩體變形、泄洪閘門啟閉受阻、滲漏問題嚴(yán)重，于1993年投資2.2億法郎對(duì)該壩進(jìn)行了為期5年的整治修補(bǔ)；ASR作用下，加拿大的Mactaquac水電站壩體和廠房均出現(xiàn)裂縫和可見變形(如圖4所示)，每年需花費(fèi)超過600萬加元來維持其基本正常運(yùn)行[25]；甚至一些大壩由于ASR造成的破壞和老化嚴(yán)重，不得不進(jìn)行重建。

圖4 Mactaquac水電站下游面和廠房ASR破壞情況[25]

3 混凝土堿-硅酸反應(yīng)產(chǎn)生及其破壞機(jī)理

ASR是一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，其進(jìn)程受內(nèi)外多種因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土發(fā)生緩慢、長(zhǎng)期的破壞行為。經(jīng)過科研工作者長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的攻關(guān)探索，關(guān)于ASR演化進(jìn)程與破壞機(jī)理的研究取得了較為豐碩的成果。

3.1 堿-硅酸反應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理ASR是指水泥中的堿性氧化物(Na2O、K2O)在一定的濕度條件下與骨料中活性二氧化硅(SiO2)發(fā)生的反應(yīng)。ASR進(jìn)程可簡(jiǎn)化為兩個(gè)階段。第一階段是由羥基離子引發(fā)的聚合硅氧烷網(wǎng)絡(luò)破裂產(chǎn)生堿硅酸和硅酸[26]，如下所示：

(1)

式中R表示堿金屬離子，如鈉和鉀離子(Na+和K+)。硅酸產(chǎn)生后立即與其他的羥基離子反應(yīng)，如下式所示：

(2)

由式(1)和式(2)產(chǎn)生的堿硅酸凝膠，具有無定形和吸濕的特點(diǎn)。

第二階段是堿硅酸凝膠吸收其附近的自由水，如下所示：

(3)

式中n為水分子的數(shù)量。

從硅離子結(jié)合、轉(zhuǎn)移的角度出發(fā)，可將ASR演化過程描述為：①亞穩(wěn)態(tài)硅溶解；②納米凝膠硅溶膠的形成；③溶膠凝膠化；④凝膠吸水[6]，即：

(4)

值得注意的是，眾多ASR試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，ASR凝膠一般先出現(xiàn)在骨料表面，即在ASR侵害的混凝土試件中，活性骨料周圍產(chǎn)生“反應(yīng)環(huán)”現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 ASR“反應(yīng)環(huán)”顯微鏡照片[27-28]

ASR在宏觀尺度上表現(xiàn)為混凝土試件的膨脹，因此，各國規(guī)范均推薦采用測(cè)長(zhǎng)法，即基于試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)(與膨脹閾值進(jìn)行比較)對(duì)骨料活性進(jìn)行分類；然而試件的宏觀膨脹無法深度反映ASR的反應(yīng)機(jī)理。ASR往往發(fā)生在含活性二氧化硅的骨料中，活性二氧化硅具備特殊的晶體結(jié)構(gòu)，因此，相關(guān)規(guī)范(如美國規(guī)范ASTM C295和我國《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2018))推薦使用巖相法，即通過電子顯微鏡觀察骨料中礦物晶體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)來判斷骨料活性[29-30]，然而巖相法存在一定程度的漏判和誤判，目前僅作為輔助診斷方法。隨著掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)等儀器的發(fā)展，越來越多的學(xué)者從微觀尺度觀察ASR凝膠的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而判斷骨料活性及揭示反應(yīng)機(jī)理[31-33]；這些高精度儀器雖然能觀察到ASR凝膠產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)或組成成分，但其研究成果無法對(duì)大壩等混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)起指導(dǎo)性作用。作為一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，ASR反應(yīng)過程在不同尺度上呈現(xiàn)出不同的表征特點(diǎn)，如何從不同尺度綜合揭示ASR反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而建立完備可靠的活性骨料診斷體系仍然是待解決的問題。

3.2 堿-硅酸反應(yīng)誘發(fā)破壞機(jī)理關(guān)于ASR引起混凝土膨脹開裂的機(jī)理，雖然自ASR被發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過數(shù)十年的研究探索，但尚未得到統(tǒng)一有效的解釋與證實(shí)。目前為止，關(guān)于ASR膨脹的機(jī)理，學(xué)術(shù)界較主流的兩種假說是“吸水膨脹”假說和“滲透壓”假說。

“吸水膨脹”假說認(rèn)為，ASR反應(yīng)產(chǎn)物作為一種多孔疏松凝膠材料，具有較強(qiáng)的親水/吸水性，在形成后將吸收孔溶液中的游離水，繼而發(fā)生體積膨脹，最終導(dǎo)致混凝土體積膨脹及開裂，如圖6所示。由于ASR反應(yīng)過程相當(dāng)緩慢，一般要經(jīng)過幾年到幾十年才表現(xiàn)出明顯的破壞現(xiàn)象[34]，因此，對(duì)ASR凝膠吸水過程的動(dòng)態(tài)捕捉具有較大的試驗(yàn)難度。然而，從ASR反應(yīng)必須在充足的水環(huán)境中才能進(jìn)行、試件質(zhì)量呈現(xiàn)出與ASR膨脹相似的增長(zhǎng)過程以及ASR凝膠親水性的特征，自ASR被發(fā)現(xiàn)以來，“吸水膨脹”假說被大部分學(xué)者所認(rèn)同[35-37]。

圖6 ASR吸水膨脹過程[34]

另一方面，部分學(xué)者認(rèn)為ASR膨脹力的直接原因是滲透壓[28，34，38-39]，即ASR凝膠反應(yīng)環(huán)作為一層半滲透膜，允許堿離子滲透到骨料中，但阻止反應(yīng)產(chǎn)生的水合堿硅酸鹽擠出骨料外；與此同時(shí)，隨著ASR反應(yīng)進(jìn)程的推進(jìn)，ASR凝膠內(nèi)外溶液中的離子濃度越來越高，內(nèi)外體系的液相化學(xué)勢(shì)能差越來越大，從而導(dǎo)致凝膠內(nèi)外滲透壓不斷增加，引起的膨脹力逐漸累積，最終引起反應(yīng)環(huán)、骨料或者砂漿的開裂。值得注意的是，近兩年有學(xué)者指出，ASR凝膠吸水可能不是導(dǎo)致水泥基材料膨脹的直接原因[40-41]，這引起學(xué)術(shù)界關(guān)于ASR膨脹機(jī)理新一輪的討論。

ASR危害的具體表現(xiàn)為：①混凝土表面產(chǎn)生雜亂的網(wǎng)狀裂縫[42]，如圖7(a)所示；②結(jié)構(gòu)發(fā)生整體或局部變形[42]，如圖7(b)所示；③混凝土強(qiáng)度下降[43-44]?，F(xiàn)有規(guī)范主要從試件膨脹值的角度診斷骨料活性，并將其作為量化ASR損傷/危害程度的指標(biāo)。然而，Yang等[45]指出，混凝土在ASR病害作用下，其強(qiáng)度損失與開裂形態(tài)相關(guān)而與宏觀膨脹量無直接關(guān)系。因此，單以膨脹量一個(gè)指標(biāo)無法全面有效地評(píng)估ASR病變的損傷程度。部分學(xué)者通過電子顯微鏡和數(shù)字成像技術(shù)，觀察ASR影響下試件的斷面，通過統(tǒng)計(jì)該斷面內(nèi)不同類型裂縫的數(shù)量，提出損傷等級(jí)指標(biāo)(Damage Rating Index，DRI)[46-48]，以此量化ASR損傷程度(如圖8所示)。由于ASR將導(dǎo)致混凝土試件發(fā)生變形、開裂、強(qiáng)度下降等多方面的破壞行為，因此有必要從不同角度對(duì)ASR破壞行為進(jìn)行評(píng)估與診斷分析，進(jìn)而建立科學(xué)全面的ASR損傷評(píng)估方法。

圖7 捷克共和國某混凝土橋梁ASR影響現(xiàn)場(chǎng)觀察[42]

圖8 加拿大某橋梁混凝土取芯DRI結(jié)果[48]

4 混凝土堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程影響因素剖析

作為一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，ASR進(jìn)程的影響因素眾多，所誘發(fā)的混凝土破壞行為是多因子交錯(cuò)的化-力耦合結(jié)果。從內(nèi)部骨料特征和外部環(huán)境兩個(gè)視角，下面重點(diǎn)就骨料活性、骨料粒徑、骨料含量與級(jí)配以及環(huán)境溫度和環(huán)境相對(duì)濕度等因素對(duì)ASR進(jìn)程影響的研究現(xiàn)狀予以評(píng)述。

4.1 骨料活性對(duì)堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程的影響混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中是否會(huì)遭受ASR破壞以及ASR的具體演化進(jìn)程，根本上是由骨料中的活性二氧化硅含量及其晶體結(jié)構(gòu)決定的[49-50]。使用快速砂漿棒測(cè)長(zhǎng)法或者混凝土棱柱體法，根據(jù)試件在測(cè)試周期內(nèi)的膨脹值，可將骨料分為活性與非活性骨料。國外已將蛋白石(Opal)[51-52]和來自加拿大的天然巖石Spratt等[6，53]骨料認(rèn)定為會(huì)引起ASR破壞的活性骨料。唐明述[54]、文梓蕓[55]、汪在芹等[56]、楊華全等[57]、蔡躍波等[58]、史才軍等[59]、錢春香等[60]一大批國內(nèi)科研工作者相繼對(duì)我國各地區(qū)的骨料進(jìn)行了系統(tǒng)的堿活性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)許多巖石類型和多種礦物具有潛在堿活性，其中常見的潛在活性骨料包括北京及其周邊地區(qū)的白云巖、新疆地區(qū)的礫石、南京地區(qū)的雨花石和長(zhǎng)江中下游的燧石等[18]。

雖然根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，直接選取非活性骨料是預(yù)防ASR破壞最根本且最有效的方法，但非活性骨料受空間分布、數(shù)量的限制，考慮到運(yùn)輸成本，一些工程項(xiàng)目不得已就近使用一些潛在活性骨料或活性骨料。例如，拉西瓦水電站建設(shè)過程中[10，61]，選用的骨料被檢測(cè)為具有潛在ASR危害的活性骨料。

對(duì)于含有活性骨料的結(jié)構(gòu)，一些學(xué)者認(rèn)為活性骨料本身可以作為抑制劑，抑制ASR引起的膨脹和損傷[61-63]。這種抑制措施是基于試驗(yàn)結(jié)果，即活性骨料的分布、含量和粒徑范圍對(duì)ASR的膨脹行為有影響，并且具有“最劣粒徑”行為。

4.2 活性骨料粒徑對(duì)堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程的影響不同的活性骨料因?yàn)榻M成礦物成分的不同，所引起的ASR膨脹行為存在較大差異[6，50]；另一方面，對(duì)于具有相同成分的活性骨料，ASR膨脹行為亦受骨料尺寸的影響[64-65]。通常來說，較小的活性骨料會(huì)引起更快的膨脹[66-69]，眾多學(xué)者用擴(kuò)散理論解釋這種現(xiàn)象[70-71]。在膨脹值方面，一些試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，足夠小的骨料粒徑展示了ASR抑制作用[61-63]。然而，在另一些ASR試驗(yàn)中，非常小的活性骨料甚至引起了顯著的膨脹[72]，或者根本未引起膨脹[12]。

大量ASR膨脹試驗(yàn)均觀察到“最劣粒徑”行為，即最終膨脹隨活性骨料粒徑的增加而增大，直到粒徑達(dá)到某一值，然后隨著活性骨料粒徑的增加而減小[70-71]，如圖9(a)所示。值得注意的是，一部分試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，受ASR侵害的砂漿試件呈現(xiàn)出膨脹的“最劣粒徑”的同時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度同樣存在“最劣粒徑”現(xiàn)象，如圖9(b)所示。

圖9 ASR膨脹和劣化的“最劣粒徑”行為

在采用不同活性骨料的ASR膨脹試驗(yàn)中，最劣粒徑的大小存在較大差異。Dunant等[73]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一種來自瑞士阿爾卑斯山的活性骨料，2 ～ 4 mm的活性骨料產(chǎn)生了最大的膨脹；在French[74]的工作中，4 ～ 10 mm的活性骨料造成了最有害的膨脹；在Ramyar等[69]的實(shí)驗(yàn)中，0.25 ～ 0.5 mm和0.5 ～ 1.0 mm分別是兩種活性骨料的最劣粒徑。然而，并非所有的ASR試驗(yàn)均表征出“最劣粒徑”行為[75-76]?；钚怨橇狭綄?duì)ASR膨脹的影響尚未清晰探明，而水工混凝土具有骨料含量多、粒徑跨度大的特點(diǎn)，該問題值得更加密切關(guān)注。

4.3 活性骨料含量與級(jí)配對(duì)堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程的影響通常來說，混凝土試件的ASR膨脹率將隨著活性骨料含量的減少而降低。然而，一些ASR試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)部分骨料呈現(xiàn)出“最劣含量”現(xiàn)象[64，79]，即膨脹率隨著活性骨料含量的增加而增加，直到達(dá)到最大值，然后對(duì)于更高的活性骨料含量，ASR膨脹率隨活性骨料含量的增加而減小。是否發(fā)生“最劣含量”行為，不僅取決于骨料類型，還取決于可用堿含量[6]。例如，對(duì)于一種展示了“最劣含量”現(xiàn)象的活性骨料，如Flint和Opal[64，79-80]，當(dāng)活性骨料含量超過“最劣含量”時(shí)，試件膨脹降低的原因被解釋為活性二氧化硅的過剩，導(dǎo)致在混凝土完全硬化前，孔溶液中存在的堿離子被大量的二氧化硅消耗或中和[6，81-82]。這能較好地解釋Flint在不同文獻(xiàn)中會(huì)呈現(xiàn)[79]或不呈現(xiàn)“最劣含量”行為[83]。

骨料粒徑分布是混凝土的基本特征，也是混凝土呈現(xiàn)出各向異性的重要原因，其影響了混凝土的滲透性[84-85]、孔隙率[86]、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[87-88]等眾多性能?；炷翝B透性和孔隙率亦間接影響ASR進(jìn)程[89]。相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土中粗骨料的級(jí)配影響著ASR的膨脹過程[90]。隨著碾壓混凝土[91]、自密實(shí)混凝土[92]、堆石混凝土[93]等新型混凝土在水利工程中的應(yīng)用與發(fā)展，混凝土中骨料級(jí)配呈現(xiàn)出多樣性，當(dāng)這些混凝土使用了活性骨料時(shí)，ASR病害的表征形式將會(huì)更加復(fù)雜和多樣，值得進(jìn)一步研究。

4.4 溫度對(duì)堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程的影響在含活性骨料的混凝土中，環(huán)境因素對(duì)ASR進(jìn)程具有顯著的驅(qū)動(dòng)作用。從ASR試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度對(duì)膨脹速率和極限膨脹值均有影響。由于溫度對(duì)ASR進(jìn)程中化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用，更高的溫度將加快ASR膨脹速率，該促進(jìn)作用已被應(yīng)用到ASR加速試驗(yàn)中。例如，在美國活性骨料快速砂漿棒法評(píng)估規(guī)范ASTM C1260中，建議通過將溫度提高到80 ℃來加速ASR過程，這樣含活性骨料的砂漿棒試件在14 d內(nèi)即會(huì)呈現(xiàn)明顯的膨脹值。我國的《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)中，同樣推薦使用快速砂漿棒測(cè)長(zhǎng)法，在80 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)砂漿棒，以其14 d和28 d的膨脹率作為骨料堿活性的判斷指標(biāo)之一。

值得特別關(guān)注的是，溫度對(duì)ASR極限膨脹的影響更加復(fù)雜。一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，較高的溫度將引起較大的極限膨脹[94-96]，如圖10(a)所示；與此相反的是，一些試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從38 ℃上升到60 ℃時(shí)，將導(dǎo)致ASR極限膨脹率減小[97-98]，如圖10(b)中Spratt骨料。眾多學(xué)者研究了在較高溫度下ASR極限膨脹降低的影響機(jī)制，并提出了如下可能的原因：①在較高溫度下混凝土中堿離子析出量增加[97，99-100]；②在較高溫度下干縮應(yīng)變?cè)黾覽97-98]；③混凝土/砂漿在較高溫度下孔隙率增加[99，101-103]；④在較高溫度下ASR凝膠的黏度下降使得凝膠更容易進(jìn)入周圍的孔結(jié)構(gòu)中而減少了膨脹應(yīng)力[104]。另一方面，對(duì)溫度升高引起的ASR極限膨脹增加的解釋包括：①在較高溫度下，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度增加，使得試件中存在更多的水分驅(qū)動(dòng)ASR[105]；②在較高溫度下試件中裂縫增加[106]；③更高的溫度促進(jìn)了骨料中硅酸物質(zhì)的溶解[107]；④更高的溫度加劇了堿離子對(duì)活性骨料的侵蝕[108]。

圖10 溫度對(duì)ASR膨脹的影響

可以發(fā)現(xiàn)，一部分解釋與混凝土性能的溫度依賴性有關(guān)，比如堿析出、干縮和孔隙率；一部分解釋與骨料或者ASR凝膠的溫度依賴行為相關(guān)，包括ASR凝膠的黏性、ASR反應(yīng)活性和骨料侵蝕。目前為止，對(duì)于上述因素對(duì)ASR溫度依賴性的影響機(jī)制，在科學(xué)界尚未達(dá)成共識(shí)。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)真實(shí)結(jié)構(gòu)中ASR引起的膨脹在變化溫度工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，是ASR理論模型研究中的重大挑戰(zhàn)。據(jù)此，Yang等[109]提出了在ASR模型中同時(shí)考慮溫度對(duì)ASR極限膨脹的正負(fù)效應(yīng)，以期將不同的試驗(yàn)成果推演到結(jié)構(gòu)分析中。

4.5 相對(duì)濕度對(duì)堿-硅酸反應(yīng)進(jìn)程的影響溫度對(duì)ASR演化過程有著顯著推進(jìn)作用，而足夠高的水分含量(或者說相對(duì)濕度值)是ASR演化進(jìn)程中的必要條件。相對(duì)濕度是指空氣中的水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的比值[110]，其表示了特定溫度下的相對(duì)水分含量。因此，在前述有關(guān)溫度對(duì)ASR極限膨脹影響可能原因剖析中，有學(xué)者認(rèn)為溫度是通過影響混凝土中的水分總含量進(jìn)而影響ASR極限膨脹[105]。

眾多試驗(yàn)結(jié)果表明，ASR膨脹將隨相對(duì)濕度的增加而變大，如圖11所示。通常來說，ASR的觸發(fā)條件要求在21 ℃時(shí)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度大于80%[111-112]，當(dāng)相對(duì)濕度小于60% ～ 80%時(shí)，ASR將明顯減慢甚至停止[2，113-114]。因此，ASR的觸發(fā)條件中存在“濕度閾值”，其不僅與溫度有關(guān)，也取決于活性骨料類型[111，115]。Deschenes等[115]發(fā)現(xiàn)濕度在較高溫度下對(duì)ASR膨脹的影響大于在較低溫度下的影響。此外，多個(gè)ASR試驗(yàn)均表明，當(dāng)相對(duì)濕度大于閾值時(shí)，膨脹率和極限膨脹均隨著相對(duì)濕度的降低而減小[114-116]。

圖11 相對(duì)濕度對(duì)ASR進(jìn)程的影響[116]

值得注意的是，對(duì)齡期足夠大的混凝土而言，內(nèi)部的溫度和相對(duì)濕度分布主要受外部環(huán)境影響；而對(duì)于早齡期混凝土，內(nèi)部的溫濕度不僅受環(huán)境條件影響，也受內(nèi)部水泥水化反應(yīng)的影響。特別是對(duì)于大體積混凝土而言，水化反應(yīng)過程中的放熱效應(yīng)和自干燥影響將持續(xù)幾年到十幾年，從而使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈現(xiàn)明顯時(shí)空分布的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)，這將加劇ASR損傷的各向異性，因此有必要探明溫度、相對(duì)濕度和水泥水化反應(yīng)的耦合作用對(duì)ASR進(jìn)程的影響。

5 展望

ASR作為一種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，建立不同尺度的ASR判識(shí)方法，揭示ASR破壞機(jī)理，探究骨料特征和環(huán)境因素對(duì)ASR進(jìn)程的影響，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)診斷ASR病變的基礎(chǔ)與前提。盡管我國在高度重視ASR預(yù)防情況下，尚未出現(xiàn)大面積ASR破壞案例，但隨著非活性骨料的日益減少以及混凝土種類的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，ASR引起的工程隱患和危害風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)變大。因此，應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)ASR破壞機(jī)理及其影響因素的深入、全面探究，尤其在以下幾個(gè)方面值得進(jìn)一步探討，以期為我國混凝土工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

(1)我國石料礦產(chǎn)資源豐富，但存在地區(qū)分布不均且地域差異性大的特點(diǎn)，在已有成果的基礎(chǔ)上，宜積極推動(dòng)各地區(qū)石料堿活性檢測(cè)，建立全國礦石堿活性基因數(shù)據(jù)庫，分析活性骨料區(qū)域分布特點(diǎn)，從石料資源角度為重大混凝土工程選址提供依據(jù)與建議。

(2)對(duì)于ASR破壞機(jī)理的兩種解釋，即“吸水膨脹”假說和“滲透壓”假說，在科學(xué)界尚未達(dá)成一致認(rèn)知，需要進(jìn)一步開展有關(guān)ASR破壞機(jī)理的探究，在不同尺度上剖析ASR進(jìn)程的表征特點(diǎn)，基于不同尺度表征結(jié)果綜合揭示ASR產(chǎn)生和誘發(fā)破壞機(jī)理，建立完備可靠的活性骨料診斷體系。

(3)ASR將導(dǎo)致混凝土發(fā)生變形、開裂、強(qiáng)度下降等多方面的破壞行為，然而，現(xiàn)行規(guī)范主要從變形膨脹角度對(duì)ASR病害進(jìn)行評(píng)估分析，有必要從試件膨脹、裂縫數(shù)量、材料強(qiáng)度等不同角度對(duì)ASR破壞行為進(jìn)行評(píng)估與診斷分析，以建立科學(xué)全面的ASR破壞評(píng)估方法。

(4)水工混凝土結(jié)構(gòu)因長(zhǎng)期與水接觸的服役環(huán)境，成為ASR病害的主要工程類型，而水工混凝土具有骨料含量多、粒徑跨度大的特點(diǎn)，并且隨著碾壓混凝土、自密實(shí)混凝土、堆石混凝土等新型混凝土在水利工程中的應(yīng)用與發(fā)展，ASR病害的表現(xiàn)形式將會(huì)更加復(fù)雜和多樣，因此，需要進(jìn)一步研究骨料特征對(duì)ASR破壞行為的影響。

(5)對(duì)ASR膨脹行為的兩種截然相反的溫度依賴行為，在科學(xué)界和工程界尚未達(dá)成共識(shí)，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)所存在的溫濕度明顯非線性時(shí)空分布特點(diǎn)，這將不僅加劇ASR損傷的各向異性，也使精準(zhǔn)預(yù)測(cè)真實(shí)結(jié)構(gòu)中ASR誘致型破壞行為成為ASR數(shù)值仿真研究中的重大挑戰(zhàn)，為此，應(yīng)進(jìn)一步探究溫濕度對(duì)ASR進(jìn)程的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，構(gòu)建變化環(huán)境條件下ASR病害工程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)理論模型。