大壩混凝土堿骨料反應(yīng)研究進展綜述

李文偉 蔣文廣 石妍 劉兆麟 李家正

摘 要：堿骨料反應(yīng)（AAR）是影響大壩混凝土耐久性的重要因素之一?；趪鴥?nèi)外研究成果，概述了大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的危害性與發(fā)生條件，從堿骨料反應(yīng)破壞實例、堿骨料反應(yīng)抑制方法以及堿骨料反應(yīng)數(shù)值模擬等方面綜述了大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的研究進展，提出了現(xiàn)階段大壩混凝土堿骨料反應(yīng)研究的不足及對未來研究的展望。

關(guān)鍵詞：大壩混凝土；堿骨料反應(yīng)；破壞案例；數(shù)值模擬；抑制措施

中圖分類號：TV42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引 言

堿骨料反應(yīng)（Alkali Aggregate Reaction，AAR）是指混凝土中堿性物質(zhì)與骨料中活性成分之間的反應(yīng)，有堿硅酸反應(yīng)（ASR）與堿碳酸反應(yīng)（ACR）兩種形式。1940年，Stanton[1]在對混凝土工程破壞事件研究中發(fā)現(xiàn)了涉及弱有序性硅引起的AAR現(xiàn)象，初次對堿骨料反應(yīng)進行了全面描述。Levison等[2]研究表明，混凝土中骨料和水泥成分之間會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)膨脹，從而誘發(fā)開裂甚至耐久性失效，被稱為混凝土的“癌癥”[3]。

大壩混凝土中骨料粒徑往往較大，四級配碾壓混凝土中骨料粒徑達到120 mm，且骨料比例極高。因而，大壩混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)，危害將極為嚴重。發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要三個因素，分別是骨料中含堿活性成分，孔隙溶液具有較高的pH值，混凝土處于相對濕度超過75%的高濕度環(huán)境[4]。大壩混凝土施工過程中，因經(jīng)濟原因或地域限制，通常就地取材，選用的骨料可能存在堿活性物質(zhì)。由于長期與水接觸，混凝土壩內(nèi)部一直處于高濕度或者飽水狀態(tài)，為堿骨料反應(yīng)提供了環(huán)境條件，而且大壩服役壽命一般要求幾十至上百年，也為堿骨料反應(yīng)提供了充足時間。這些原因?qū)е麓髩位炷粮菀资艿綁A骨料反應(yīng)的長期危害。國內(nèi)外已發(fā)生多起堿骨料反應(yīng)引起大壩混凝土建筑工程破壞的案例，例如：美國的Parker壩、Sulfur Creek壩，日本的Toyogawa壩，葡萄牙的Santa Luzia壩，中國的大黑汀壩等[5]。

綜上所述，大壩混凝土的堿骨料反應(yīng)問題必須引起高度的重視，工程建設(shè)中應(yīng)采取有效的預(yù)防控制措施降低堿骨料反應(yīng)發(fā)生的潛在風(fēng)險，保證大壩混凝土建筑工程的長效安全運行。

1 堿骨料反應(yīng)破壞實例

近幾十年來，國內(nèi)外部分大壩因混凝土堿骨料反應(yīng)而發(fā)生破壞，有的經(jīng)過維護維修過程繼續(xù)使用，有的則因巨大的風(fēng)險而拆除重建，有的甚至出現(xiàn)崩塌危及人民生命財產(chǎn)安全。

Falls壩位于美國愛達荷州，1927年完工并投入使用，然而，在建造后的幾年里壩體部分區(qū)域逐漸出現(xiàn)了膨脹開裂的跡象。1960年初的取芯結(jié)果表明，壩體內(nèi)水泥與細骨料產(chǎn)生的堿骨料反應(yīng)是該壩劣化的主要原因。由于建設(shè)初期對這種劣化現(xiàn)象以及機理缺少認識，沒有采用任何防護手段，因此混凝土強度和耐久性降低十分嚴重，只能被迫降低蓄水庫容到設(shè)計值的66%左右，并且于1973年開工修建新壩。1978年新壩竣工后，舊有結(jié)構(gòu)被拆除。至今40余年的使用過程中，新修建的構(gòu)件也產(chǎn)生了破裂、剝落及其他老化現(xiàn)象。2020年初，美國墾務(wù)局再次開展新的Falls大壩維修和重建工作。

Seminoe大壩是美國北浦拉特河上的一座混凝土厚拱壩。1951年，大壩出現(xiàn)了輕微的ASR問題。1970年，大壩上部分7.62 m的區(qū)域產(chǎn)生了中度甚至重度損傷，ASR反應(yīng)逐年加劇。2013年，在約23 m深度處檢測到明顯的堿骨料反應(yīng)。2016年，開始了工程量巨大的維修工作，修建圍堰并鑿除受損的混凝土，最后用環(huán)氧樹脂加壓灌漿密封裂縫。

法國的Chambon壩，1931年開始修建，1935年建成，是一座由混凝土重力壩和拱壩構(gòu)成的混合型壩，最大壩高90 m，弧長294 m。大壩混凝土體積約30萬m3，骨料為片麻巖，骨料礦物成分主要包括石英、長石、黑云母等，所用的水泥堿含量為0.59%。運行約50 a開始出現(xiàn)膨脹，持續(xù)10 a后膨脹加劇，導(dǎo)致了泄洪閘門啟閉受阻，大壩滲漏加劇，壩體出現(xiàn)畸形變形，上部向上游方向傾斜15 cm，沿大壩高度方向總膨脹量超過10 cm。

此外，西班牙的San Estaban壩和印度的Rihand壩，混凝土骨料為花崗巖和片麻巖，分別于建成后35 a和25 a左右發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞。其中San Estaban壩為1955年建成的重力拱壩，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，壩體逐年向庫區(qū)偏左岸位移，1986年對混凝土芯樣進行檢查，證明膨脹開裂由堿骨料反應(yīng)引起。巴西Moxoto壩，混凝土骨料由黑云母角閃石、片麻巖、閃云斜長花崗巖等巖石制成，水泥堿含量為1.0%，未摻摻和料。該壩混凝土自1980年來相繼發(fā)現(xiàn)裂縫，1984—1990年的變形率為0.0068%，廠房10 m厚混凝土塊年膨脹率為0.7 mm。通過混凝土鉆取芯樣進行檢測發(fā)現(xiàn)，幾乎所有試樣都觀察到深暗色反應(yīng)環(huán)和數(shù)量不等的堿-硅凝膠產(chǎn)物，即發(fā)生了堿骨料反應(yīng)。

中國水利水電工程吸取了國外許多工程堿骨料反應(yīng)破壞的教訓(xùn)，從20世紀50年代起，對較大的水利水電工程混凝土所用骨料均進行堿活性檢驗。對有堿活性的骨料，采用摻入大量混合材的水泥以及在現(xiàn)場摻入活性摻和料等措施，對防止堿骨料反應(yīng)發(fā)生起到了積極的作用。20世紀80年代中期，中國水利水電科學(xué)研究院等單位對全國已建的32座混凝土高壩和40余座水閘的混凝土耐久性以及老化病害狀態(tài)進行了調(diào)查，沒有發(fā)現(xiàn)由于堿骨料反應(yīng)引起工程破壞的實例。

2 堿骨料反應(yīng)抑制方法研究

當前，工程上針對堿骨料反應(yīng)的抑制措施主要包括：使用非活性骨料；隔絕水分；控制總堿含量，如采用低堿水泥；使用礦物摻合料，如粉煤灰、礦渣粉及其他火山灰質(zhì)材料。

控制混凝土堿含量可以預(yù)防堿骨料反應(yīng)這一結(jié)論在國際上已達成共識，其原理是當混凝土中的堿含量低于一定值時，混凝土孔溶液中K+、Na+和OH-濃度便會低于某臨界值，堿骨料反應(yīng)難于發(fā)生或者反應(yīng)程度較輕，不足以導(dǎo)致混凝土破壞?；炷林械膲A主要來源于水泥，約占總堿量的99％，還有少部分來源于摻和料、外加劑及骨料中溶出的堿[6-7]。對于大壩混凝土，骨料占混凝土質(zhì)量的80%左右，膠凝材料用量一般低于200 kg/m3，即使膠凝材料含堿量為1.0％，大壩混凝土的總堿含量僅2.0 kg/m3，很容易滿足國內(nèi)外對于混凝土總堿量的限制。因此，控制混凝土總堿含量措施較為簡單易行。但也有人認為，大壩混凝土的總堿量要求應(yīng)當更加嚴格，國內(nèi)大壩如三峽大壩提出了混凝土總堿量小于2.5 kg/m3的限值[8-9]。

使用礦物摻和料取代部分水泥，不僅可以降低成本，改善混凝土工作性，而且能夠有效地抑制堿骨料反應(yīng)。工程實踐也證明，使用摻和料是解決大壩混凝土堿骨料反應(yīng)問題最經(jīng)濟、有效的途徑。常用礦物摻和料主要包括粉煤灰、礦渣、硅灰、沸石等。除此之外，還有許多其它工業(yè)廢渣或天然礦物材料，如磷渣、石粉、煤矸石等，盡管這些材料尚未得到廣泛利用，但一些研究表明，這些材料對堿骨料反應(yīng)也有一定的抑制效果[7]。由于粉煤灰、礦渣等常用礦物摻和料料源通常距離壩址較遠，開發(fā)利用壩址附近的礦物摻和料來抑制堿骨料反應(yīng)，對于水電站大壩建設(shè)具有重要的經(jīng)濟意義。

為了探索更有效的堿骨料反應(yīng)抑制措施，揭示其內(nèi)在機理，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量試驗研究。由于發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要較高pH值的堿環(huán)境，因此，可以通過降低pH值的方式抑制孔溶液中Na+、K+等堿金屬離子浸出，從而減小堿骨料反應(yīng)的影響。Plusquellec等[10]為了表征堿金屬浸出的全過程，針對服役達到50 a的挪威Votna I混凝土大壩，開展了堿金屬浸出對大壩混凝土長期服役過程中堿骨料反應(yīng)影響的研究。對于永久浸沒區(qū)、定期浸沒區(qū)、暴露區(qū)及遮擋區(qū)四個不同暴露位置處取芯采樣，結(jié)合冷水提取法、熱重分析（TGA）、微區(qū)X射線熒光（XRF）等技術(shù)手段，獲取了不同深度處堿金屬的分布信息，發(fā)現(xiàn)了堿金屬分布與堿骨料反應(yīng)損傷開裂的空間關(guān)系，實現(xiàn)了不同濕度環(huán)境條件下游離堿金屬浸出影響的定性與定量表征，量化了堿金屬從骨料到混凝土中的釋放（見圖1）。

錦屏一級大壩受客觀條件限制選用變質(zhì)石英砂巖骨料，具有潛在堿骨料反應(yīng)隱患。為此，李光偉等[11]利用現(xiàn)場材料開展了混凝土堿骨料反應(yīng)抑制措施的試驗研究，結(jié)果表明，組合骨料、高摻35%的粉煤灰以及控制總堿含量等措施有效抑制了混凝土中石英砂巖堿骨料反應(yīng)膨脹變形。董蕓等[12]針對錦屏一級大壩十余年堿骨料反應(yīng)抑制措施的有效性開展研究，驗證了“組合骨料+高摻粉煤灰+嚴控堿含量”抑制技術(shù)的有效性。

邵曉妹等[13]利用掃描式電子顯微鏡（SEM）對微觀形貌觀測的獨到優(yōu)勢，基于國內(nèi)某大型水電站砂巖骨料堿活性試驗，開展全級配大體積混凝土堿骨料反應(yīng)長齡期模擬試驗，驗證了骨料堿活性抑制效果的長期有效性。

Yang等[14]考慮到三峽大壩建設(shè)所選用的花崗巖骨料有發(fā)生堿骨料反應(yīng)的潛在風(fēng)險，開展三峽大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的長期研究，對已經(jīng)歷20～30 a的長齡期試件進行了跟蹤試驗。結(jié)果表明，長期堿骨料反應(yīng)影響下的混凝土膨脹率與齡期具有相關(guān)性，一般在澆筑后13～16 a達到峰值，三峽大壩混凝土中摻入的粉煤灰等礦物摻合料，有效抑制了堿骨料反應(yīng)。

白光等[15]、劉興國等[16]利用具有火山灰活性的燧石粉，實現(xiàn)了對混凝土堿骨料反應(yīng)的抑制，但對混凝土的工作性以及強度產(chǎn)生了一定負面影響。

高鵬等[17-18]通過快速砂漿棒法，比較了自研的硝酸鹽AN-1與傳統(tǒng)抑制劑Li2CO3對堿硅酸反應(yīng)的長齡期抑制效果。結(jié)果表明，AN-1不僅價格低廉，而且在1.0%摻量的情況下，能有效保障堿硅酸反應(yīng)的長期抑制。高鵬等[19]開展了引氣劑對堿硅酸反應(yīng)的抑制作用影響研究。結(jié)果表明，引氣劑產(chǎn)生的氣孔可為活性骨料與漿體界面發(fā)生堿硅酸反應(yīng)形成的膨脹性堿硅凝膠提供膨脹遷移的緩沖空間，從而降低堿硅酸反應(yīng)的膨脹率。

綜上所述，針對堿骨料反應(yīng)抑制方法的研究主要集中在降低混凝土的堿性、采用礦物摻合料、使用硝酸鹽或鋰鹽、使用引氣劑等方面。其中，采用礦物摻合料取代高堿含量的水泥是工程中最常見措施。

3 堿骨料反應(yīng)的數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬是研究混凝土堿骨料反應(yīng)發(fā)展、混凝土膨脹變形及力學(xué)損傷等的有效方法。堿骨料反應(yīng)數(shù)值模擬模型主要有試件宏觀膨脹的數(shù)學(xué)擬合模型、結(jié)構(gòu)宏觀變形的唯象學(xué)模型、基于骨料膨脹（反應(yīng)環(huán)）的模型、考慮堿硅酸反應(yīng)凝膠的模型。試件宏觀膨脹的數(shù)學(xué)擬合模型是采用數(shù)學(xué)表達式對已經(jīng)完成的混凝土或者砂漿變形曲線進行擬合，通過外推，預(yù)測堿骨料反應(yīng)的趨勢。結(jié)構(gòu)宏觀變形的唯象學(xué)模型主要是分析堿骨料反應(yīng)膨脹變形對結(jié)構(gòu)承載能力的影響規(guī)律，揭示混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹與環(huán)境、受力狀態(tài)、活性等條件之間的關(guān)聯(lián)?；诠橇吓蛎洠ǚ磻?yīng)環(huán)）的模型則更多地關(guān)注骨料層面上的堿骨料反應(yīng)機制，損傷過程的評估主要基于斷裂力學(xué)理論?？紤]堿硅酸反應(yīng)凝膠的模型主要解釋了堿硅酸反應(yīng)現(xiàn)象對混凝土材料的影響，通過施加凝膠質(zhì)量或體積的變化，解釋混凝土膨脹和損傷之間的關(guān)系。

眾多學(xué)者基于上述模型開展了堿骨料反應(yīng)數(shù)值模擬研究，潘堅文等[20-21]考慮到界面過渡區(qū)的影響，建立了混凝土三相細觀模型，探明了堿骨料反應(yīng)作用下混凝土損傷與剛度退化規(guī)律。宋百姓等[22]基于顆粒元的方法，建立了混凝土三相細觀模型，實現(xiàn)了堿硅酸反應(yīng)作用下膨脹變形與裂縫擴展的模擬。李犇等[23]基于損傷力學(xué)和熱力學(xué)建立了砂漿堿骨料膨脹模型，提出堿骨料反應(yīng)的熱膨脹系數(shù)以及膨脹應(yīng)變計算方程，實現(xiàn)了細觀尺度的堿硅酸反應(yīng)破壞研究。上述模型均基于細觀層面，適用于分析堿骨料反應(yīng)引起的混凝土內(nèi)部細觀應(yīng)力分布和細觀損傷演化的規(guī)律。

為克服混凝土變形問題，Itam等 [24]開展了多尺度膨脹的數(shù)值模擬研究（見圖2、圖3）。以混凝土重力壩宏觀尺度與細觀尺度的熱學(xué)-化學(xué)-濕度-力學(xué)耦合模型為基礎(chǔ)，以堿當量、硅當量、相對濕度、孔隙率、滲透率、外界荷載以及溫度等因素為主要變量，開展了溫度和相對濕度等環(huán)境條件的變化對混凝土重力壩熱學(xué)-化學(xué)-濕度-力學(xué)模型影響的研究。研究表明，溫度、相對濕度以及外部荷載均會影響堿硅酸反應(yīng)的膨脹率，進而影響結(jié)構(gòu)的膨脹或收縮。較高濕度條件下，堿硅酸反應(yīng)的潛伏時間常數(shù)提高，造成堿硅酸反應(yīng)引起混凝土結(jié)構(gòu)更早破壞。該模型綜合考慮眾多因素的影響，適用于堿硅酸反應(yīng)引起混凝土多尺度變形的模擬分析。

Blanco等[25-26]對服役60余年的混凝土大壩開展堿骨料反應(yīng)研究。通過SEM與能量色散型X射線光譜儀（EDX）初步判定水化產(chǎn)物主要構(gòu)成，得到堿硅酸反應(yīng)與二次鈣礬石反應(yīng)的痕跡（見圖4），并通過數(shù)值模擬手段，基于對流擴散方程，實現(xiàn)了溫度傳輸仿真，還原了早期混凝土傳熱過程，證實了延遲鈣礬石反應(yīng)形成原因，揭示了堿硅酸反應(yīng)與延遲鈣礬石反應(yīng)綜合作用對大壩混凝土耐久性的影響。該研究主要從混凝土傳熱角度進行模擬分析，對于堿硅酸反應(yīng)引起的變形與力學(xué)性能損傷分析相對不足。

綜上所述，堿骨料反應(yīng)數(shù)值模擬研究取得了一定的進展，從不同角度或不同尺度探究了堿骨料反應(yīng)發(fā)展、混凝土性能損傷等的規(guī)律，但是堿骨料反應(yīng)過程復(fù)雜，影響因素繁多，仍有待進一步的深入研究。

4 結(jié)束語

相比其他混凝土，大壩混凝土的原材料、配合比及服役環(huán)境等因素使之更易發(fā)生堿骨料反應(yīng)，已引起國內(nèi)外的高度重視，采取多種方法對其機理和危害性進行研究分析，并發(fā)現(xiàn)了多種抑制堿骨料反應(yīng)的方法，例如組合骨料、加入摻合料、添加抑制劑等。

然而，現(xiàn)階段研究仍存在一些不足。首先，當前大部分研究中關(guān)于大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的評判方法或判據(jù)是參照普通混凝土，大壩混凝土的服役環(huán)境復(fù)雜，多重環(huán)境因素綜合作用下堿骨料反應(yīng)判別難度提升，評判方法有待改進；其次，當前的抑制方法大多針對于堿硅酸反應(yīng)，對于堿碳酸鹽反應(yīng)抑制方法的研究較少，為全面預(yù)防大壩混凝土堿骨料反應(yīng)的發(fā)生，加強堿碳酸鹽反應(yīng)抑制方法的研究同樣重要；此外，堿骨料反應(yīng)的數(shù)值模擬研究局限性較明顯，模擬模型往往無法綜合考慮堿骨料反應(yīng)全部的因素，導(dǎo)致模擬結(jié)果有所偏差，優(yōu)化數(shù)值模擬模型也不容忽視。

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A Review of Research Progress on Alkali-Aggregate Reaction in Dam Concrete

LI Wenwei1，2，JIANG Wenguang1，SHI Yan1，LIU Zhaolin3，LI Jiazheng1

（1. Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；2. China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；3. School of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：Alkali-aggregate reaction （AAR） is a crucial factor that affects the durability of dam concrete. Based on domestic and international researches，we present a comprehensive review on the harmfulness and occurrence conditions of AAR in dam concrete. Subsequently，we further examine the research progress of AAR in dam concrete in terms of damage examples，inhibition methods，and numerical simulations. Additionally，we discuss the current limitations of AAR research and put forward an outlook for future investigations.

Key words：dam concrete；alkali-aggregate reaction；damage cases；numerical simulation；inhibition methods