堿骨料反應(yīng)所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果已逐漸被人們所認(rèn)識。近年來，許多水利工程已經(jīng)開始重視堿骨料反應(yīng)問題，越來越多的工程在開工前對骨料進(jìn)行堿活性檢驗，并采取積極措施預(yù)防堿骨料反應(yīng)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(yīng)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(yīng)的判斷，對一些預(yù)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(yīng)問題，很可能導(dǎo)致一些錯誤的認(rèn)識，并作出一些錯誤的決策。對此，應(yīng)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(jìn)一步分析這些方面對混凝土堿骨料反應(yīng)行為的影響。旨在對水工混凝土的堿骨料反應(yīng)問題有更清楚的認(rèn)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(yīng)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(qiáng)度等級較低。除了一些特殊部位外，水工混凝土的強(qiáng)度等級一般較低。特別是重力壩，混凝土強(qiáng)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(shè)計強(qiáng)度僅為15MPa，大壩外部混凝土90d齡期的設(shè)計強(qiáng)度僅為20MPa，水位變化區(qū)外部混凝土90d齡期的設(shè)計強(qiáng)度僅為25MPa。而普通混凝土28d齡期的設(shè)計強(qiáng)度一般為30～40MPa。60MPa以上的高強(qiáng)混凝土也已經(jīng)較普遍地被采用。道路混凝土28d齡期的設(shè)計強(qiáng)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(kuò)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(xì)管作用，下部的水也會擴(kuò)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(shè)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(shè)期。僅工程建設(shè)投資就高達(dá)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(shè)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(dá)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(yīng)，路面經(jīng)20～30年的磨損，局部沖擊，基礎(chǔ)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(dāng)大的差異，這也將導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)行為的較大差異。
2、骨料粒徑對堿骨料反應(yīng)膨脹及開裂的影響
在骨料粒徑對堿骨料反應(yīng)膨脹的影響方面，目前普遍認(rèn)為[1,2]，對于硅質(zhì)骨料，當(dāng)骨料粒徑為0.15～0.80mm時砂漿棒的膨脹值。當(dāng)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(dāng)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(rèn)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(rèn)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(dāng)骨料粒徑小于2.5mm時是顯著的。當(dāng)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(xì)骨料。如果這些細(xì)骨料是活性的話，仍然可能發(fā)生較嚴(yán)重的堿骨料反應(yīng)，產(chǎn)生較大的膨脹。從這一點看，盡管水工混凝土的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(xì)骨料和粗骨料都是非活性的，這就不存在著堿骨料反應(yīng)問題。如果細(xì)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(qiáng)，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(yīng)力。如果這一拉應(yīng)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(xì)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(xì)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(jìn)砂漿的膨脹。因此，粗骨料對堿骨料反應(yīng)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(dāng)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(dāng)試件的膨脹率達(dá)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(dāng)粗骨料粒徑較小時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)主的膨脹應(yīng)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(dāng)骨料粒徑較大時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力則較強(qiáng)地集中在骨料周圍，局部應(yīng)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(yīng)，這種應(yīng)力集中也將較強(qiáng)，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(yīng)較慢，而且在適當(dāng)?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(yīng)，水工混凝土將比普通混凝土更容易破壞。
3、混凝土強(qiáng)度與堿骨料反應(yīng)破壞的關(guān)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(qiáng)度是較低的。而且水工混凝土通常是以90d齡期的強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而其它混凝土通常是以28d齡期的強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這表明水工混凝土在強(qiáng)度方面與其它混凝土有相當(dāng)大的差別?；炷翉?qiáng)度的差別在較大程度上反映了混凝土中硬化水泥石強(qiáng)度的差別。水工混凝土強(qiáng)度較低表明水工混凝土中硬化水泥石的強(qiáng)度較低。用細(xì)觀力學(xué)的方法分析，硬化水泥石是基體相。當(dāng)骨料與堿發(fā)生反應(yīng)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(yīng)力。當(dāng)這一拉應(yīng)力超過硬化水泥石的抗拉強(qiáng)度時，將發(fā)生開裂。由此可得出下列判據(jù)：
(1)
式中：εp為粒子相(骨料)的自由膨脹；εm為基體相(硬化水泥石)的自由膨脹；Ep為粒子相的彈性模量；Em為基體相的彈性模量；k為粒子相體積因子，k=V1/3p；Vp為粒子相體積分?jǐn)?shù)；R1為基體相的抗拉強(qiáng)度。
由此可以看出，水泥石的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通混凝土，意味著水工混凝土抵抗堿骨料反應(yīng)膨脹的能力較弱，對此不可掉以輕心?；炷晾庵w方法是以普通混凝土為依據(jù)的，它的28d齡期強(qiáng)度超過30MPa。按照標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。
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(yīng)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(qiáng)度等級較低。除了一些特殊部位外，水工混凝土的強(qiáng)度等級一般較低。特別是重力壩，混凝土強(qiáng)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(shè)計強(qiáng)度僅為15MPa，大壩外部混凝土90d齡期的設(shè)計強(qiáng)度僅為20MPa，水位變化區(qū)外部混凝土90d齡期的設(shè)計強(qiáng)度僅為25MPa。而普通混凝土28d齡期的設(shè)計強(qiáng)度一般為30～40MPa。60MPa以上的高強(qiáng)混凝土也已經(jīng)較普遍地被采用。道路混凝土28d齡期的設(shè)計強(qiáng)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(kuò)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(xì)管作用，下部的水也會擴(kuò)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(shè)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(shè)期。僅工程建設(shè)投資就高達(dá)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(shè)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(dá)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(yīng)，路面經(jīng)20～30年的磨損，局部沖擊，基礎(chǔ)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(dāng)大的差異，這也將導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)行為的較大差異。
2、骨料粒徑對堿骨料反應(yīng)膨脹及開裂的影響
在骨料粒徑對堿骨料反應(yīng)膨脹的影響方面，目前普遍認(rèn)為[1,2]，對于硅質(zhì)骨料，當(dāng)骨料粒徑為0.15～0.80mm時砂漿棒的膨脹值。當(dāng)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(dāng)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(rèn)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(rèn)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(dāng)骨料粒徑小于2.5mm時是顯著的。當(dāng)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(xì)骨料。如果這些細(xì)骨料是活性的話，仍然可能發(fā)生較嚴(yán)重的堿骨料反應(yīng)，產(chǎn)生較大的膨脹。從這一點看，盡管水工混凝土的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(xì)骨料和粗骨料都是非活性的，這就不存在著堿骨料反應(yīng)問題。如果細(xì)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(qiáng)，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(yīng)力。如果這一拉應(yīng)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(xì)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(xì)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(jìn)砂漿的膨脹。因此，粗骨料對堿骨料反應(yīng)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(dāng)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(dāng)試件的膨脹率達(dá)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(dāng)粗骨料粒徑較小時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)主的膨脹應(yīng)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(dāng)骨料粒徑較大時，堿骨料反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力則較強(qiáng)地集中在骨料周圍，局部應(yīng)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(yīng)，這種應(yīng)力集中也將較強(qiáng)，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(yīng)較慢，而且在適當(dāng)?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(yīng)，水工混凝土將比普通混凝土更容易破壞。
3、混凝土強(qiáng)度與堿骨料反應(yīng)破壞的關(guān)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(qiáng)度是較低的。而且水工混凝土通常是以90d齡期的強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而其它混凝土通常是以28d齡期的強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這表明水工混凝土在強(qiáng)度方面與其它混凝土有相當(dāng)大的差別?；炷翉?qiáng)度的差別在較大程度上反映了混凝土中硬化水泥石強(qiáng)度的差別。水工混凝土強(qiáng)度較低表明水工混凝土中硬化水泥石的強(qiáng)度較低。用細(xì)觀力學(xué)的方法分析，硬化水泥石是基體相。當(dāng)骨料與堿發(fā)生反應(yīng)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(yīng)力。當(dāng)這一拉應(yīng)力超過硬化水泥石的抗拉強(qiáng)度時，將發(fā)生開裂。由此可得出下列判據(jù)：
(1)
式中：εp為粒子相(骨料)的自由膨脹；εm為基體相(硬化水泥石)的自由膨脹；Ep為粒子相的彈性模量；Em為基體相的彈性模量；k為粒子相體積因子，k=V1/3p；Vp為粒子相體積分?jǐn)?shù)；R1為基體相的抗拉強(qiáng)度。
由此可以看出，水泥石的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通混凝土，意味著水工混凝土抵抗堿骨料反應(yīng)膨脹的能力較弱，對此不可掉以輕心?；炷晾庵w方法是以普通混凝土為依據(jù)的，它的28d齡期強(qiáng)度超過30MPa。按照標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。