混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展_王继敏.pdf

DOI:10.12170/20210805001王继敏，白银，丁建彤，等.混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展 J.水利水运工程学报，2023（2）：138-149.（WANG Jimin,BAI Yin,DING Jiantong,et al.A review of long-term expansion prediction model of concrete suffering alkali-aggregate reactionJ.Hydro-Science and Engineering,2023（2）:138-149.（in Chinese）混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展王继敏1，白 银2，丁建彤1，毛学工1，蔡跃波2(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)摘要:碱-骨料反应被称为混凝土的“癌症”，是影响混凝土寿命的重要因素。对于已经使用活性骨料的混凝土结构，如何预测碱-骨料反应引起的混凝土长期变形，并合理评价结构的整体安全性，是工程密切关心的问题。回顾了混凝土碱-骨料反应长期变形预测模型的研究进展，将现有模型归为宏观膨胀的数学拟合模型、结构宏观变形的唯象学模型、基于骨料膨胀的模型、考虑碱-硅酸反应（ASR）凝胶的模型、考虑物质迁移的模型等五大类，并分析了各种模型的优缺点和适用范围。认为 ASR 长期膨胀变形预测模型需重点考虑碱离子向骨料内部的扩散、SiO2的溶解及凝胶的组成，且需根据岩相分析来选择“反应环”模型或“凝胶袋”模型。关键词：混凝土；碱-骨料反应；碱-硅反应；模型；膨胀；凝胶袋；反应环中图分类号：TU528.04 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)02-0138-12 碱-骨料反应（alkali-aggregate reaction，AAR）是混凝土骨料中的活性组分、孔溶液中的碱及水发生的复杂的物理化学反应，每颗活性骨料周边都可能发生，且一旦发生就会持续不断进行，因此被称为混凝土的“癌症”。由于发生 AAR 的混凝土构件维修与加固非常困难，特别是体型较大的水工混凝土结构，有时需要拆除重建。如法国的 Chambon 坝1，建成于 1934 年，是一座 137 m 高的混凝土重力坝和拱坝混合型坝，大坝建成运行 50 年左右出现膨胀，导致泄洪闸门启闭受阻，19841994 年间坝顶纵向以每年 3.6 mm 的速度升高，压应力达到 26 MPa，为了释放压应力，坝顶采用切割开槽的方法处理，代价巨大。典型受 AAR 影响的水工结构还有美国的 Fontana 坝和 Hiwassee 坝、巴西的 Moxoto 坝和加拿大的 Beauharnois 坝等。AAR 在全球范围内造成了巨大的经济损失，因此，预防和抑制 AAR 有重要意义。对于已经使用活性骨料的混凝土工程，因 AAR 导致的混凝土长期变形发展趋势，可能对混凝土结构造成的影响，成为工程人员密切关注的问题。归纳或预测 AAR 所致混凝土变形发展规律，有助于分析混凝土结构的长期安全性。从典型案例观察发现，AAR 的发生需要较长时间，从发现 AAR 迹象到工程结构破坏往往需要十几年甚至几十年，预测 AAR 变形的长期发展趋势可以为判断结构整体安全性、判断抑制措施长期有效性、预测结构服役寿命、采取预防措施等提供科学依据，因此逐渐成为研究热点。在 AAR 预测模型建立过程中，研究人员采用了不同的骨料品种、试验条件等进行试验和总结，并采用了不同的理论假设和模拟方法。为清晰梳理 AAR 预测模型存在的不足和未来研究方向，有必要回顾 AAR 长期变形模拟方法的发展过程。按照 AAR 反应机理的不同，一般将 AAR 分为碱-硅酸反应、碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应（alkali-aggregate reaction，ACR）三类，越来越多的研究表明，碱-硅酸盐反应的本质上也是碱-硅酸反应，因此将二者 收稿日期：2021-08-05基金项目：国家自然科学基金重点项目（51739008）作者简介：王继敏（1964），男，湖南湘潭人，正高级工程师，博士，主要从事水利水电工程技术研究与建设管理。E-mail： 通信作者：白银（E-mail：）第 2 期水利水运工程学报No.22023 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGApr.2023合称为碱-硅反应（alkali-aggregate reaction，ASR）。本文主要总结 ASR 的长期变形模拟方法。1 ASR 的基本过程一般将 ASR 简单描述为活性 SiO2与水泥中的碱发生反应，生成碱-硅凝胶，凝胶会吸水肿胀导致混凝土结构破坏2-3。经过多年的反复研究，国内外学者普遍认为 ASR 破坏是大量连续反应的结果，主要包括：亚稳态硅的溶解、硅溶胶的形成、溶胶凝胶化及凝胶肿胀或渗透压形成。在这些反应中，亚稳态硅的溶解、溶胶的形成、凝胶的形成和种类已研究得比较透彻，即对 ASR 化学反应的过程已经有了清晰解释，而凝胶导致混凝土膨胀开裂的机制还存在分歧。（1）亚稳态硅的溶解。硅酸盐岩石主要由硅氧四面体形成的三维网络组成，硅氧四面体通过顶点的氧（即桥氧）相互连接，形成硅氧烷键（SiOSi）。单个硅氧四面体内部的 OSiO 键角固定为 109，但是四面体之间的 SiOSi 键却从 100到 170变化，结果导致不同的硅结构存在，如石英、微晶石英或者无定形 SiO2等4。在碱环境下，OH逐步侵蚀SiO键，导致硅的网络结构解体4-5。亚稳态硅的溶解过程已经比较清楚，高 pH 下 OH离子对 SiO2的腐蚀导致骨料表面的部分硅溶解进入液相。硅的溶解常常是最慢的6，在正常的混凝土孔溶液 pH 下，硅的溶出需要几年甚至几十年，是控制ASR 反应速率的主要因素。硅的溶解度受 pH 值影响4,7，在高 pH 下，硅的溶解度会增加8。（2）溶胶形成和凝胶化。只要温度和 pH 值能够保持液相硅不过饱和，并且无 Ca2+存在，溶解的硅就会一直存在于液相中9，因为在高 pH 下，液态硅带负电，在“同电相斥”的作用下不会聚沉。在此情况下，骨料的溶解速度逐渐变慢，直至达到溶解极限时终止溶解10。但在真实的混凝土内部，不会出现这种情况，因为 Ca2+或其他高价阳离子11-12可以把各种硅相连接在一起形成聚硅酸盐4,13。一旦聚合而成的颗粒达到纳米级，就会形成硅溶胶，溶胶颗粒的尺寸一般为 1030 nm4。在混凝土孔溶液各种化合物尤其是 Ca(OH)2的作用下14，胶体颗粒在三维尺度上不断聚沉，逐步形成更大的凝胶结构15。因此，硅溶胶的形成及其凝胶化需要有阳离子的存在，阳离子的品种不同，凝胶的性质不同16，含 Na+、K+的凝胶具有高膨胀性；含 Ca2+的凝胶具有低膨胀性。实际 ASR 产物中存在含不同阳离子的凝胶17，也可以通过外加阳离子的方法改变凝胶的膨胀性18。（3）凝胶肿胀或渗透压。对于凝胶形成以后的发展进程，主要有吸水肿胀假说和渗透压假说两种。吸水肿胀假说认为，ASR 膨胀是由于骨料周边形成的高膨胀性凝胶吸水肿胀，导致固相体积增加而引起的10。渗透压假说认为，骨料周围的水泥浆体或钙-硅-碱络合物19有半渗膜的作用，能够阻止液态硅的溶出，但不会影响水分和 Na+、K+进入骨料，因此在骨料周边形成渗透压，导致膨胀甚至开裂。也有认为渗透压和肿胀压都可能存在20，是否膨胀取决于钙通过初始反应形成的膜层扩散到活性矿物内部的速率21，或者认为膨胀是在钙的参与下，进入活性矿物的物质数量大于扩散出来的数量而引起的22。可以看出，ASR 是一个非常复杂的过程，既有化学反应，也有物理过程，但核心的过程包含 OH、R+、Ca2+等离子向骨料内部的扩散、骨料中 SiO2的溶解、溶胶凝胶化、凝胶肿胀或渗透压形成等多种过程。要想较准确地预测 ASR 长期变形发展规律，应充分考虑上述过程。2 试件宏观膨胀的数学拟合模型简单的长期变形预测方法是采用数学公式对已经完成的混凝土或者砂浆变形曲线进行拟合，通过外推，预测 AAR 反应的趋势。如王军等23以 250 d（80）和 120 d（120）混凝土棱柱体测长结果为基础，通过幂函数表达膨胀率与反应时间之间的关系，见式（1）：第 2 期王继敏，等：混凝土碱-骨料反应长期膨胀变形预测模型研究进展139=kttn(1)ktktkt式中：为龄期 t 时的膨胀率；为幂函数的系数；t 为龄期；n 为特征常数。假设 是受温度影响的反应速率常数，根据 Arrhenius 方程将 表达为温度的函数，得到根据高温加速试验结果预测常温下膨胀变形发展曲线的方程。刘晨霞等24则采用双曲函数表达砂浆膨胀率（80、60、38 分别养护 110 d）与反应时间之间的关系，见式（2）：=uktt/(1+ktt)(2)uktktkt式中：为最终膨胀率；为幂函数的系数。同样假设 是受温度影响的反应速率常数，按照 Arrhenius 方程将 表达为温度的函数，从而得到某一温度下膨胀率随时间发展的函数关系。Larive25通过对大量 38 下混凝土棱柱体试件膨胀变形（400 d）规律的总结，认为混凝土 AAR 膨胀变形符合 S 型曲线特征，如图 1所示，并采用式（3）作为膨胀曲线的拟合函数。(t,T)=1exp(t/c(T)1+exp(t/c(T)+L(T)/c(T)(3)L(T)c(T)式中：T 为养护温度，和为表征温度 T 下S 型曲线的两个特征参数。可见，采用数学表达式对实测混凝土试件的膨胀变形曲线进行拟合，对描述膨胀过程、提取特征参数，或者对比不同配合比、不同骨料之间的差异，是很有帮助的。但也可以看出，所用数学函数中的参数缺少明确的物理意义，也难以与 AAR 的物理化学反应过程建立明确的对应关系，仅采用 Arrhenius 方程对函数中的某一参数进行物理阐述，还不足以描述 AAR 的复杂过程。同时，无论是混凝土棱柱体还是砂浆棒试件，所进行的试验龄期都很有限，加之物理意义不明确，用几百天试验结果得到的数学公式预测十几年甚至几十年的 AAR 膨胀过程，尚有难度。3 结构宏观变形的唯象学模型预测 AAR 膨胀变形发展规律的一个重要目的是分析 AAR 对结构承载能力的影响。因此，一些研究人员将 ASR 膨胀变形等效为热变形26，通过改变温度历程，使混凝土发生与 ASR 膨胀变形曲线类似的膨胀历程，将之施加到混凝土有限元模型上，以分析结构变形和性能劣化规律，并与试验或现场变形测量结果进行比较。通过这种分析，混凝土 AAR 膨胀与环境5、受力状态27、活性28等条件之间的关联逐渐被揭示。Lger 等28建立了一种模拟 ASR 影响的计算模型，考虑了湿度、温度、活性、压应力等 4 种因素，根据试验或观测结果分别建立了各因素对 ASR 的影响规律（图 2），输入至计算模型中，用实际观测的结构变形拟合模型中的未知参数，得到仿真计算模型，计算了某重力坝受 ASR 影响后的应力应变发展趋势。该模型输入参数较多，本质上是一种唯象学模型，即宏观膨胀规律总结模型。Capra 等29也认为 ASR 的变形受到化学反应、温度、湿度、应力等因素的影响，总应变表达式见式（4），利用线性断裂力学理论对 ASR 损伤进行评价。该模型中考虑的因素较多，虽然在一定程度上可以解释环境湿度、温度及应力对不同龄期下混凝土变形的影响，但也未涉及 ASR 的化学机理，因此还属于唯象学解释。aar(H,T,t)=(H)m0A0(1A0exp(k0exp(EaRTt)f()(4)0.20.40.61.00.800.20.40.60.81.0,/maxt/t0L2c 图 1 Larive 等碱骨料反应 S 型膨胀曲线25Fig.1 S-type expansion curve of AAR proposedby Larive et al25 140水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 4 月式中：aar为膨胀率；H 为相对湿度；T 为