水工混凝土的堿骨料反應問題

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堿骨料反應所導致的嚴重后果已逐漸被人們所認識。近年來，許多水利工程已經(jīng)開始重視堿骨料反應問題，越來越多的工程在開工前對骨料進行堿活性檢驗，并采取積極措施預防堿骨料反應的發(fā)生。但是，水工混凝土有其自身的特點，在許多方面不同于普通混凝土。正是由于這種差異，堿骨料反應在水工混凝土中也將表現(xiàn)出不同的行為。在這一方面，至今還沒有被人們所察覺。在大多數(shù)水利工程中，對堿骨料反應的判斷，對一些預防措施的決策，一般都是依據(jù)普通混凝土的一些研究結(jié)果。用普通混凝土的研究結(jié)果來分析水工混凝土堿骨料反應問題，很可能導致一些錯誤的認識，并作出一些錯誤的決策。對此，應該引起足夠的重視。本文首先分析水工混凝土與普通混凝土的差異，并進一步分析這些方面對混凝土堿骨料反應行為的影響。旨在對水工混凝土的堿骨料反應問題有更清楚的認識。
 

    1、水工混凝土與普通混凝土的差異
    從混凝土的堿骨料反應行為考慮，水工混凝土與普通混凝土至少存在以下5個方面的差異：
    (1)骨料粒徑較大。水工混凝土最大骨料粒徑一般為150mm，而且所占的比例較高，80～150mm骨料大約占骨料總量的30％以上。而普通混凝土最大骨料粒徑一般不超過40mm，一些水泥制品的骨料粒徑甚至不超過20mm。
    (2)混凝土強度等級較低。除了一些特殊部位外，水工混凝土的強度等級一般較低。特別是重力壩，混凝土強度等級更低。以三峽主體工程為例，大壩內(nèi)部混凝土90d齡期的設計強度僅為15MPa，大壩外部混凝土90d齡期的設計強度僅為20MPa，水位變化區(qū)外部混凝土90d齡期的設計強度僅為25MPa。而普通混凝土28d齡期的設計強度一般為30～40MPa。60MPa以上的高強混凝土也已經(jīng)較普遍地被采用。道路混凝土28d齡期的設計強度一般也在30MPa以上。
    (3)膠凝材料用量較少。由于考慮到水化熱，除了特殊部位外，水工混凝土的膠凝材料用量通常較低，一般不超過200kg/m³。而普通混凝土膠凝材料用量都在300kg/m³以上，甚至超過400kg/m³。?
    (4)長期處于潮濕環(huán)境中。由于水工建筑物的特殊性，水工混凝土一般長期處于飽水狀態(tài)。即便是在水上部份，由于水工建筑物體積特別大，內(nèi)部的水份難以擴散蒸發(fā)，僅僅由于膠凝材料的水化而消耗掉一部分拌合水，這是非常有限的。而且由于毛細管作用，下部的水也會擴散上來。而對于普通混凝土，由于大部分建筑物都處于地面以上，它們的干濕狀態(tài)受環(huán)境控制。在一些干燥地區(qū)，混凝土可能較長時間地處于干燥狀態(tài)。即便在一些多雨潮濕地區(qū)，混凝土也很難保持在飽水狀態(tài)下。
    (5)壽命要求較長。水工建筑物一般投資較大，建設期較長，因此，一般要求有較長的使用壽命。同時，由于水工建筑物的特殊重要性，通常對耐久性要求較高。三峽工程從1993年破土動工，到2009年結(jié)束，需花費17年的建設期。僅工程建設投資就高達500多億元。而且三峽大壩一旦出現(xiàn)問題，將會殃及長江下游的七省一市，其后果是不堪設想的。在這些方面，其它混凝土工程是無法與水電工程相比的。因此，水電工程所要求的使用壽命一般較長。三峽工程的使用壽命要求長達數(shù)百年。而建工、道路等部門對混凝土使用壽命的要求一般為100年。特別是道路混凝土，使用壽命僅要求40年。因為即便混凝土不發(fā)生堿骨料反應，路面經(jīng)20～30年的磨損，局部沖擊，基礎不均勻沉陷等因素，也需重建。從上述分析可以看出，在這5個方面，水工混凝土與普通混凝土有相當大的差異，這也將導致堿骨料反應行為的較大差異。

    2、骨料粒徑對堿骨料反應膨脹及開裂的影響

    在骨料粒徑對堿骨料反應膨脹的影響方面，目前普遍認為^[1,2]，對于硅質(zhì)骨料，當骨料粒徑為0.15～0.80mm時砂漿棒的膨脹值最大。當骨料粒徑增大時，砂漿棒的膨脹值顯著減小。作者還發(fā)現(xiàn)^[3]，當有粗骨料存在時，砂漿棒的膨脹將受到粗骨料的限制。從這些研究來看，似乎可以認為水工混凝土比普通混凝土更安全。但更深入的研究卻表明，這種認識是不正確的。
    (1)從骨料粒徑來看，盡管砂漿棒的膨脹隨骨料粒徑的增大而減小，但這種影響僅僅是當骨料粒徑小于2.5mm時是顯著的。當骨料粒徑超過2.5mm時，這一影響則不顯著^[3]。況且在水工混凝土中，也存在著較多的細骨料。如果這些細骨料是活性的話，仍然可能發(fā)生較嚴重的堿骨料反應，產(chǎn)生較大的膨脹。從這一點看，盡管水工混凝土的最大骨料粒徑可以比普通混凝土大好幾倍，但這并不足以使人們產(chǎn)生安全感。
    (2)從粗骨料對砂漿膨脹的作用來看，粗骨料可以約束砂漿的膨脹，但這是有條件的。這一條件就是在堿的作用下，粗骨料的自由膨脹小于砂漿的自由膨脹。在混凝土中，如果細骨料和粗骨料都是非活性的，這就不存在著堿骨料反應問題。如果細骨料是活性的，而粗骨料是非活性的，在這種條件下，顯然粗骨料的自由膨脹小于砂漿的自由膨脹。因此，粗骨料約束砂漿的膨脹是可能的。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，這種約束作用則較強，使得混凝土表現(xiàn)出較小的膨脹。但是，這種約束作用是以兩相變形的不一致性為前提的。這種變形的不一致性勢必在界面產(chǎn)生拉應力。如果這一拉應力超過界面的抗拉極限，粗骨料周圍則會產(chǎn)生周邊縫。粗骨料粒徑越大，周邊縫也將越長。這些較大缺陷的存在也將影響混凝土的許多性能。如果細骨料是非活性的，而粗骨料是活性的話，顯然粗骨料的自由膨脹大于砂漿的自由膨脹。因而，粗骨料不能約束砂漿的膨脹。相反，而是砂漿約束粗骨料的膨脹。在這種條件下，粗骨料越多，混凝土的膨脹也越大。水工混凝土中的粗骨料含量是較多的，因而可能造成較大的危害。如果粗、細骨料都是活性的，一般而言，在早齡期，砂漿的自由膨脹大于粗骨料的自由膨脹，粗骨料可能約束砂漿的膨脹。但在晚齡期，粗骨料的自由膨脹可以超過砂漿的自由膨脹。此時，粗骨料不再約束砂漿的膨脹，反而促進砂漿的膨脹。因此，粗骨料對堿骨料反應膨脹的作用僅僅是延緩。
    (3)從混凝土的開裂來看，對于不同粒徑的骨料，膨脹與開裂也是不一致的。作者曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)^[4]，對于0.15～0.80mm的骨料，當試件的膨脹率為0.175%時，用立體顯微鏡觀察試件，在試件表面沒有找到任何裂紋。當試件的膨脹率達到0.247%時，在部分試件表面觀察到裂紋。如果用5～10mm的骨料，試件的膨脹率不到0.040%時，所有試件都觀察到裂紋。這表明骨料粒徑較大時，盡管試件的膨脹率減小，但卻更容易開裂。由此看來，試件的膨脹率隨骨料粒徑增大而減小并不意味著安全性提高。原因在于：當粗骨料粒徑較小時，堿骨料反應所產(chǎn)主的膨脹應力能夠較均勻地分布在試件中，因而不一定產(chǎn)生開裂。但當骨料粒徑較大時，堿骨料反應所產(chǎn)生的膨脹應力則較強地集中在骨料周圍，局部應力可能超過基體相的抗拉極限，因而產(chǎn)生開裂。水工混凝土的骨料粒徑是較大的，一旦發(fā)生堿骨料反應，這種應力集中也將較強，因而開裂的可能性也較大。從上述分析可以看出，在水工混凝土中骨料粒徑較大，而且數(shù)量較多。盡管這些大骨料與堿的反應較慢，而且在適當?shù)臈l件下可以約束砂漿的膨脹，但這并不意味著水工混凝土比其它混凝土更安全。恰恰相反，無論是從粗骨料對砂漿的作用來分析，還是從混凝土的開裂來分析，正是由于水工混凝土中的骨料粒徑較大，而且數(shù)量較多，一旦發(fā)生堿骨料反應，水工混凝土將比普通混凝土更容易破壞。

    3、混凝土強度與堿骨料反應破壞的關系
 
    與其它混凝土相比，在通常情況下，水工混凝土所要求的強度是較低的。而且水工混凝土通常是以90d齡期的強度作為設計標準，而其它混凝土通常是以28d齡期的強度作為設計標準。這表明水工混凝土在強度方面與其它混凝土有相當大的差別。混凝土強度的差別在較大程度上反映了混凝土中硬化水泥石強度的差別。水工混凝土強度較低表明水工混凝土中硬化水泥石的強度較低。用細觀力學的方法分析，硬化水泥石是基體相。當骨料與堿發(fā)生反應時，骨料產(chǎn)生膨脹，而硬化水泥石則約束骨料的膨脹。與此同時，硬化水泥石將受到一個拉應力。當這一拉應力超過硬化水泥石的抗拉強度時，將發(fā)生開裂。由此可得出下列判據(jù)： (1) 式中：ε_p為粒子相(骨料)的自由膨脹；ε_m為基體相(硬化水泥石)的自由膨脹；E_p為粒子相的彈性模量；E_m為基體相的彈性模量；k為粒子相體積因子，k=V^1/3_p；V_p為粒子相體積分數(shù)；R₁為基體相的抗拉強度。
    由此可以看出，水泥石的抗拉強度越低，所能承受的骨料膨脹值越低，這表明混凝土越容易開裂。水工混凝土強度遠低于普通混凝土，意味著水工混凝土抵抗堿骨料反應膨脹的能力較弱，對此不可掉以輕心。混凝土棱柱體方法是以普通混凝土為依據(jù)的，它的28d齡期強度超過30MPa。按照標準規(guī)定，以一年的膨脹值作為依據(jù)，其限度為0.04%。也就是說，當膨脹值不超過0.04%時，混凝土是安全的，不會開裂。這一判據(jù)對水工混凝土是否適合，值得研究。

    4、膠凝材料用量與堿骨料反應破壞的關系   表1  我國一些常態(tài)混凝土壩的膠材用量 壩名 壩型 膠材總量/(kg/m³) 壩名 壩型 膠材總量/(kg/m³) 壩名 壩型 膠材總量/(kg/m³) 佛子嶺
梅山
上猶江
黃壇口
古田一級
三門峽
新安江
柘溪
西津
青銅峽
劉家峽 連拱壩
連拱壩
空心重力壩
重力壩
寬縫重力壩
重力壩
寬縫重力壩
大頭壩
寬縫重力壩
閘墩壩
重力壩 120
123
164～190
150
159～177
137.5～142
129～141.8
170
133～141
161
130.7 陳村
丹江口
烏江渡
鳳灘
池潭
大黑汀
潘家口
大化
緊水灘
漫灣
龍羊峽 重力拱壩
寬縫重力壩
重力拱壩
空腹重力壩
寬縫重力壩
重力壩
寬縫重力壩
重力壩
三心拱壩
重力壩
重力壩 142.7～149
144
142.9
156.5
153.8
180
157～169
154～228.5
185
163
160 安康
東西關
漁洞
大河口
白石窯
二灘
故縣
過渡灣
東鳳
東江
平均 折線重力壩
閘壩
重力 壩
空腹重力壩

拱壩
重力壩
重力壩
拱壩
拱壩 155
148
196
171
166
174
220
168
164
182
161     前面已經(jīng)提到，水工混凝土的膠凝材料用量是極低的。表1給出我國一些常態(tài)混凝土壩的膠凝材料用量。從表中可以看出，我國大壩混凝土的膠凝材料用量最低可達120kg/m³，最高也僅為220kg/m³，平均為161kg/m³，僅相當于普通混凝土的40%～50%。當然，降低膠凝材料用量可以減少混凝土的放熱量，降低水化熱溫升，這對溫控防裂有著積極的作用，但也應該注意到它在堿骨料反應發(fā)生時所表現(xiàn)出的特殊行為。
    從堿骨料反應角度來講，混凝土中的膠凝材料有著兩方面的作用：一是為堿骨料反應提供堿：二是硬化水泥石作為連續(xù)相對堿骨料反應膨脹起到約束作用。膠凝材料所提供的堿是混凝土堿含量的主要來源。特別是由于窯外分解技術的采用，水泥的堿含量普遍提高，在混凝土總堿含量中膠凝材料所提供的堿更占據(jù)重要的地位。由于水工混凝土的膠凝材料用量較少，按照一般的概念，控制混凝土的堿含量小于3.0kg/m³，對于水工混凝土是不困難的，甚至控制混凝土的堿含量不超過2.0kg/m³也是容易做到的。例如，水泥的堿含量以1.0%考慮，膠凝材料用量取160kg/m³，不考慮摻用任何混合材，膠凝材料全部為水泥。另外，再考慮摻入0.7%的超塑化劑，超塑化劑的堿含量按10%計算。即便在這樣的條件下，混凝土的堿含量也僅為1.712kg/m³。僅從控制混凝土的堿含量來考慮，水工混凝土要比普通混凝土容易得多。由于這一原因，使得一些人認為，對于水工混凝土，防止堿骨料反應是件很容易的事，只需稍加控制一下水泥的堿含量，就可以使混凝土的堿含量降低到一個相當?shù)偷乃剑瑝A骨料反應就可以避免了。其實不然，在歐洲、北美等地，水工混凝土建筑物由于堿骨料反應而破壞的實例卻是較多的。其原因在于在相同的混凝土堿含量條件下，當堿骨料反應發(fā)生時，不同膠凝材料用量的混凝土所表現(xiàn)出的行為也是不同的，這一點卻一直被人們所疏忽。對于堿骨料反應而言，膠凝材料不僅僅是提供堿，它還可以約束堿骨料反應膨脹。膠凝材料越少，這種約束作用越弱，因而混凝土的膨脹也將越大。表2給出膠凝材料用量對混凝土膨脹的影響。試驗結(jié)果證明了這一觀點。水工混凝土的膠凝材料用量遠低于普通混凝土，可以肯定，在同等條件下，水工混凝土的膨脹大于普通混凝土。另一方面，由于水工混凝土膠凝材料用量較少，當堿骨料反應發(fā)生時，硬化水泥石將承受較大的拉應力。從這一意義上講，一旦堿骨料反應發(fā)生，水工混凝土比普通混凝土更容易破壞。 表2  水泥用量對混凝土膨脹率的影響 骨料類型 水泥用量/(kg/m³) 300 400 500 600 沸石化珍珠巖
碳酸巖骨料 0.119
0.148 0.104
0.135 0.090
0.121 0.076
0.108     注：混凝土堿含量為6kg/m³。       目前，混凝土堿含量的限量標準是在普通混凝土試驗基礎上提出來的，在混凝土棱柱體試驗方法中水泥用量為420kg/m³，相當于水工混凝土膠凝材料用量的2～3倍。在這樣的條件下得出的結(jié)論直接用于水工混凝土是否可靠，值得深思。

    5、潮濕條件對堿骨料反應膨脹的影響

    堿骨料反應發(fā)生的三個必要條件是：活性骨料的存在，混凝土中含有一定數(shù)量的堿，以及在混凝土中含有足夠的水份。在堿骨料反應過程中水有三個作用：（1）水是堿離子化的基礎。眾所周知，堿元素是非?；顫姷模谒?，它很容易形成堿離子。正是這種堿離子才能較容易地與骨料中活性組分反應，進入骨料中去，形成反應產(chǎn)物。如果以固—固相反應的形式完成堿骨料反應，那是相當困難的。（2）水是輸送堿的載體。水泥石中的堿溶解在水中后形成堿金屬離子，這些堿金屬離子在水溶液中能夠迅速地擴散到活性骨料的表面，與之發(fā)生反應。如果沒有水的存在，水泥石中的堿是不容易到達骨料表面的。（3）水是堿骨料反應膨脹的源泉。堿硅反應所形成的反應產(chǎn)物是堿硅凝膠，這種堿硅凝膠具有極強的吸水性，而且吸水后產(chǎn)生較大的膨脹。如果沒有水的存在，堿硅干凝膠是不產(chǎn)生體積膨脹的。如此看來，水在堿骨料反應過程中起到相當重要的作用。而恰恰是在這一方面，水工混凝土具備了極其優(yōu)越的條件。水工建筑物一般長期處于水中，在這種環(huán)境下，混凝土的拌和水是不可能蒸發(fā)而失去的。當然，由于水泥的水化作用，可以消耗掉一部分拌和水，但外部的水可以通過水泥石的孔源源不斷地給以補充。因此，水工混凝土可以長期處于飽水狀態(tài)。這一“優(yōu)越”的條件常常是其它混凝土所望塵莫及的。在這樣的條件下，混凝土中一旦存在著活性骨科和足夠數(shù)量的堿，它們便會充分地發(fā)揮其潛能去破壞混凝土結(jié)構(gòu)。由此看來，從環(huán)境條件上講，水工混凝土具有更大的危險性。

    6、使用壽命要求與堿骨料反應的關系

    由于水電工程的巨額投資，較長的建設期，以及它的特殊重要性。因而對水電工程有較長的使用壽命要求，這是十分正確的。對于大型水電工程，使用壽命應該到達數(shù)百年。然而，也正是由于這一較長的使用壽命要求，為堿骨料反應贏得了足夠的時間。一般來說，堿骨料反應是一個較緩慢的過程，需要一個較長的時間。對于一些慢膨脹活性骨料，這一時間會更長。歐洲、北美等地出現(xiàn)的堿骨料反應破壞，通常也是建成后十幾年，甚至二十幾年后才出現(xiàn)。英國澤西島的Val-de-da-Mare大壩建于1960年6月至8月，1970年～1971年冬天發(fā)現(xiàn)由于堿骨料反應而開裂。英格蘭西南部的3個水電站也是在建成十幾年才發(fā)現(xiàn)混凝土地基由于堿骨料反應而開裂的。美國的布克壩建于1922年，10年后發(fā)生較嚴重的堿骨料反應。加拿大魁北克省的博赫爾洛依斯水電站建于1928年，從20世紀40年代后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)壩體因堿骨料反應而出現(xiàn)嚴重的地圖狀開裂，并導致壩體各部位發(fā)生不同程度的位移，壩體北側(cè)平均每年向北移動1.7mm，進水系統(tǒng)平均每年向下游移動1.9mm^[5]。法國的Chambon壩建于1929年～1934年間，1958年才出現(xiàn)混凝土變形，1970年～1972年平均高度增長3.5mm·年，1976達到膨脹最高峰，大約為140μm/m·年，現(xiàn)已因堿骨料反應而破壞，不能繼續(xù)使用，決定重建^[6]。如果混凝土的使用壽命僅要求20年（例如：一些道路工程，以及一些臨時建筑物），一些問題可能被掩蓋掉，或者稍采取一些措施，堿骨料反應還沒有造成嚴重破壞，建筑物已經(jīng)重建。但對于水電工程，這樣的要求是不夠的。在水電工程建設中，對堿骨料反應必須要有更清楚的認識，哪些措施可以抑制堿骨料反應，哪些措施僅僅是延緩堿骨料反應，對于一些抑制措施，能夠抑制到什么程度，能否從根本上杜絕堿骨料反應，等等。需要進行更深入的研究。切不可一看到膨脹減小了，甚至減小到規(guī)定的判據(jù)以下了，就斷定不會發(fā)生堿骨料反應。這樣的結(jié)論可能會留下無窮的后患，切不可掉以輕心。

    7、結(jié)束語

    上述比較了水工混凝土與普通混凝土的差異，并分析這些差異對堿骨料反應的影響。通過比較發(fā)現(xiàn)，在骨料粒徑、混凝土強度、膠凝材料用量、混凝土所處的環(huán)境以及建筑物使用壽命要求等方面，水工混凝土與普通混凝土有相當大的差異。這些差異以不同方式影響著水工混凝土堿骨料反應膨脹的行為。較大的骨料粒徑使堿骨料反應變慢，但若發(fā)生堿骨料反應，則易產(chǎn)生應力集中。較低的混凝土強度和較少的膠凝材料用量使得水工混凝土具有較弱的抵抗堿骨料膨脹反應的能力。水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為堿骨料反應創(chuàng)造了優(yōu)良的環(huán)境條件。水電工程較長的壽命要求為堿骨料反應提供了時間保證。這些都表明，在堿骨料反應方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危險性。因此，在決策時應持更加慎重的態(tài)度。
      由于水工混凝土與普通混凝土在這些方面的差異以及它們對堿骨料反應形成的影響一直沒有被人們所注意，對堿骨料反應的研究，以及一些評判方法及判據(jù)，混凝土安全堿含量等控制指標的提出也是以普通混凝土為基礎的。它們能否應用于之相差甚大的水工混凝土，如何應用于水工混凝土，對此還有待更深入的研究后才能作出科學的決定。