水工混凝土的碱骨料反应问题

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。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：εp为粒子相(骨料)的自由膨胀；εm为基体相(硬化水泥石)的自由膨胀；Ep为粒子相的弹性模量；Em为基体相的弹性模量；k为粒子相体积因子，k=V1/3p；Vp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。