海洋環境條件下堿骨料反應對海洋結構物性能影響的研究現狀、存在問題及其發展趨勢

袁 夢，朱鈺文，歐陽峰，趙 暉，陳 達

(1.河海大學海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

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海洋環境條件下堿骨料反應對海洋結構物性能影響的研究現狀、存在問題及其發展趨勢

袁 夢1,2，朱鈺文1,2，歐陽峰1,2，趙 暉1,2，陳 達1,2

(1.河海大學海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

海洋環境中有害物質侵蝕是造成海洋結構物性能劣化的主要原因。本文從影響堿骨料反應膨脹因素、氯離子與堿骨料反應共同作用對堿骨料反應膨脹行為影響、氯離子擴散與結合行為影響和力學性能損傷及損傷模型等方面出發，對海洋環境下堿骨料反應對結構物性能影響研究現狀進行總結。分析此研究領域存在問題。提出了需引入能更準確反映堿骨料反應下材料損傷程度的變量參數；需加強氯離子與堿骨料共同作用下多維應力狀態下混凝土長期力學性能演化規律研究；建立三軸應力狀態下混凝土損傷的本構模型等新的研究思路。

堿骨料反應； 海洋環境； 存在問題； 發展趨勢

1 引 言

水泥混凝土材料已廣泛應用于港口碼頭、海底隧道、跨海大橋等近海工程中。上世紀40年代以來，發達國家已建成并投人使用近海工程結構物已逐漸顯示出過早破壞和失效跡象，堿骨料反應是導致近海工程結構物使用性能降低的重要原因之一[1]。自從1940年Stanton等[2]發現堿骨料反應破壞以來，堿骨料反應對結構物耐久性的影響已引起了土木工程界的高度重視。1980年代有關調查結果表明，美國50萬座公路橋梁中有20萬座橋梁已損壞，其中不乏由混凝土堿骨料反應引起的破壞。英國的調查統計表明，數百座建筑物均遭受不同程度的堿骨料反應破壞[3]。1990年以來，我國相繼在機場、大型預應力混凝土、橋梁和工業建筑結構物上發現因堿骨料反應發生的破壞[4]。所謂堿骨料反應(Alkali-Aggregate Reaction，簡稱AAR)是指混凝土中高含量的堿與具有堿活性的骨料發生化學反應。因堿骨料反應一旦發生就很難阻止，被稱為混凝土的癌癥。

2 研究現狀

從1950年開始，國內外研究人員已對堿骨料反應對混凝土性能影響進行了大量的試驗研究。目前國內外此領域的研究熱點主要集中在以下四個方面上：

2.1 影響堿骨料反應膨脹的因素

2.1.1 混凝土材料的參數對堿骨料反應膨脹量的影響

混凝土中堿是決定堿骨料反應發生的三個關鍵因素之一。Chen[5]等研究了不同類型的堿激發劑對堿礦渣水泥砂漿的堿骨料反應膨脹的影響。從圖1可看到，不同類型堿激發劑的砂漿膨脹大小次序為：水玻璃>Na2CO3>Na2SO4>NaOH。Gifford等研究了[6]使用Na2CO3和Na2SiO3作為激發劑引起的混凝土中堿-硅酸反應膨脹，結果發現這兩種堿激發劑所產生的堿骨料反應膨脹沒有顯著差異。楊長輝等研究表明[7](如圖2所示)，隨著水玻璃細度模數的增加，堿骨料反應的膨脹值先增加后減少，當水玻璃細度模數為2.0時，砂漿堿骨料反應膨脹最大。Al-Otaibi的研究表明[8]當堿含量為4%或6%時，含有細度模數為1.65水玻璃的混凝土具有比摻加細度模數1.0水玻璃的混凝更低的堿骨料反應膨脹值。楊長輝等認為(圖3所示),隨著堿含量從3%增加到6%，含有水玻璃的砂漿堿骨料反應膨脹增加，對于含有Na2CO3和NaOH砂漿，當堿含量超過4%時沒有觀察到堿骨料反應膨脹有顯著變化。對于堿骨料反應膨脹而言，隨著堿含量提高堿骨料反應膨脹增加；當堿含量提高到某一水平后，反應產物堿硅比增大，堿硅凝膠黏度降低，膨脹能力下降，導致堿骨料反應膨脹反而降低。

圖1 激發劑的類型對堿礦渣水泥砂 漿的堿骨料反應膨脹的影響[5]Fig.1 Effect of types of activator on AAR expansion of AASC mortars[5]

圖2 水玻璃模數對AASC砂漿堿骨料反應膨脹的影響[7]Fig.2 Effect of the modulus of waterglass on AAR expansion of AASC mortars[7]

混凝土中活性骨料類型、數量、礦物成分和粒度分布對堿骨料反應均有影響。García-Lodeiro等[9]對比NaOH激發粉煤灰砂漿堿骨料反應引發的膨脹，發現所有砂漿的膨脹值沒有超過0.1%，10%的蛋白石骨料和90%的硅質骨料組成砂漿有很小的堿骨料膨脹。Puertas等[10]發現含有活性硅質骨料砂漿有很高的膨脹，而活性鈣質骨料砂漿表現出較低的膨脹。Multon等研究發現[11]活性骨料的粒徑大于0.08 mm時，砂漿不會產生堿骨料反應膨脹，活性骨料粒徑在0.03～0.05 mm時堿骨料反應膨脹值最大。Chen等認為[12]活性骨料粒徑大小為0.15～0.75 mm時，隨著骨料含量增加，堿骨料反應膨脹增加；粒徑大小在0.08～2.5 mm的骨料，隨著骨料含量增加，堿骨料反應膨脹有所減少。楊長輝等認為[13]，無論堿含量是多少，石英玻璃的質量分數不超過5%，砂漿堿骨料反應膨脹值不會超出限值，石英玻璃活性骨料質量分數為50%時，砂漿的堿骨料反應膨脹最大，石英玻璃活性骨料的質量分數大于50%時，堿骨料反應膨脹有降低的趨勢，這表明存在著一個最不利活性骨料含量。Lu等發現[14](如圖4所示)普通水泥導致的堿骨料反應膨脹低于堿激發礦渣水泥產生的堿骨料反應膨脹，偏高嶺土中的活性氧化鋁和堿激發水泥中的粉煤灰能有效降低堿骨料反應膨脹。Gifford等發現[15]堿激發高爐礦渣水泥混凝土更容易發生堿-碳酸鹽反應膨脹，但不容易發生堿-硅酸鹽反應膨脹。楊長輝等研究[16]表明酸性礦渣砂漿的堿骨料反應膨脹顯著低于堿性礦渣砂漿的堿骨料反應膨脹。隨著水灰比減小，堿骨料反應膨脹值有增大趨勢，水灰比為0.4時膨脹量最大。此外砂漿試樣受外約束力作用越大，堿骨料反應膨脹開裂越小。

圖3 堿含量對AASC砂漿堿骨料反應膨脹的影響[7]Fig.3 Effects of alkali content on expansion of AASC mortars due to AAR[7]

圖4 在溫度為38 ℃和相對濕度為100%條件下 1年后混凝土材料中膠凝材料組成 對堿骨料反應的膨脹影響的對比結果[14]Fig.4 Comparative results obtained under condition T=38 ℃ and RH=100% after 1 year[14]

2.1.2 環境因素對堿骨料反應下混凝土膨脹量的影響

相關研究表明[17]，堿骨料反應膨脹率(ρ)隨溫度變化呈現如下次序:ρ40 ℃>ρ80 ℃>ρ20 ℃。Jones等研究[18]表明，與較低的溫度相比，在較高的溫度下堿骨料反應膨脹率下降更快。米倉亜州夫等[19]研究發現，80 ℃環境下堿骨料反應導致的膨脹最早發生,并且反應速度最快,而長期膨脹量小于60 ℃和40 ℃環境下的堿骨料膨脹量，在20 ℃時,混凝土沒有發生膨脹，溫度較高或較低都會抑制膨脹的發展。Kristjansson等研究發現[20](如圖5所示)砂漿棒的膨脹值和膨脹速率隨著相對濕度升高而增大，當溫度為23 ℃時、相對濕度為85%時砂漿棒停止膨脹；當溫度升高到38 ℃，停止堿骨料膨脹的相對濕度數值降低到接近70%。環境中相對濕度的降低可延緩早期堿骨料反應膨脹發生，堿骨料反應后期產生的膨脹會更加嚴重[21]。

2.2 海洋環境條件下氯離子與堿骨料反應共同作用對混凝土膨脹行為的影響

氯鹽、堿骨料反應共同作用會加速或減緩混凝土本身膨脹。楊德斌等研究[22]發現氯化鈉、氯化鈣兩種去冰鹽存在會加劇堿活性反應膨脹。單煒等[23]研究結果表明(如圖6所示)氯化鈉水溶液濃度越高，堿骨料反應膨脹率越大。詹炳根等[24]發現表明NaOH與NaCl復合溶液作用下，低堿含量混凝土早期有低的堿骨料反應膨脹值，后期結果正好相反，高堿含量混凝土不論在早期還是后期都會導致更高的堿骨料反應膨脹值。Shayan等[25]認為NaCl溶液存在不會對堿骨料反應膨脹性能產生明顯的影響，環境溫度為38 ℃時砂漿具有比其他環境溫度下更大堿骨料反應膨脹值。Larbi等[26]研究發現，浸泡在熱氯化鈉溶液中的砂漿具有比浸泡在冷氯化鈉溶液中更高的堿骨料反應膨脹值。

圖5 濕度對砂漿棒中堿骨料反應膨脹的影響[20]Fig.5 Influence of humidity on mortar ASR expansion rate [20]

圖6 NaCl溶液濃度對砂漿堿骨料反應膨脹率的影響[23]Fig.6 Influence of concentration of sodium chloride solution on mortar AAR expansion rate[23]

2.3 海洋環境條件下氯離子與堿骨料反應共同作用對氯離子擴散與結合行為的影響

詹炳根等[27]研究結果表明，在氯離子-堿骨料反應共同作用下混凝土的氯離子擴散速度減慢、氯離子結合能力明顯降低，堿骨料反應所導致的開裂不會明顯提高氯離子侵入。Zhan[28]等發現在堿骨料反應作用下混凝土中氯離子擴散速度減慢，同時氯離子結合能力也明顯降低，混凝土對氯離子的結合表現為線性吸附關系。Berube等[29]通過對氯離子-堿骨料反應耦合作用下水化產物對有害介質固化能力、不同深度有害介質含量變化、孔溶液中OH-變化的研究發現，氯離子-堿骨料反應協同作用加速了氯離子在混凝土結構中擴散速度。Caré等[30]研究表明，氯離子-堿骨料反應協同作用下活性細骨料與骨料體積分數增加對砂漿中氯離子具有加速擴散作用。Page等[31]使用差熱分析、掃描電鏡等微觀分析手段研究了在堿骨料反應作用下，氯離子在混凝土中加速擴散機理。

2.4 海洋環境條件下氯離子與堿骨料反應共同作用對混凝土力學性能損傷及損傷模型

海洋環境下堿骨料反應發生對混凝土力學性能損傷有加速作用。Puertas等發現[32]含有非活性鈣質骨料砂漿體積雖沒有明顯變化，但砂漿力學強度卻大幅提高。Ahmed等[33]研究結果表明，活性骨料對力學性能影響取決于活性骨料的類型，軸心抗拉強度和靜態彈性模量是衡量骨料活性的最佳反映指標。劉晨霞等[34]試驗結果表明，混凝土的劈裂抗拉強度、抗彎強度和軸向拉伸強度隨堿骨料反應膨脹量的增大而降低。Swamy等[35]研究結果表明堿骨料反應導致了鋼筋混凝土簡支梁的抗折強度、應變、位移等力學性能的下降。Rivard等[36]研究結果表明，盡管混凝土中堿骨料反應膨脹量很大，堿骨料反應下混凝土材料的損傷從混凝土表面開始。Saint-Pierre等[37]發現，超聲波衰減法比超聲脈沖法更加合適去評估堿骨料反應對混凝土損傷。以上這些研究都表明，混凝土材料發生堿骨料反應會對混凝土的抗拉強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、抗彎強度等力學性能造成不利影響，但對壓縮或直接拉伸狀態下抗壓強度的影響較小。Farage等[38]建立了堿骨料反應下混凝土力學損傷的宏觀模型，建立的宏觀模型與實驗數據具有良好的一致性。Capra等[39]基于混凝土與堿骨料反應主要物理參數概率，建立了堿骨料反應混凝土材料的理論模型。Huang等[40]使用非線性連續體理論去建立了堿骨料反應下的混凝土熱力學損傷模型。李克非等[41]從熱力學的理論出發，推導出混凝土堿骨料的化學-彈性模型和化學-彈塑性模型,確定并討論了力學模型中各個材料參數的物理意義。Comi等[42]建立了堿骨料反應下混凝土的化學-熱力學損傷模型，對發生堿骨料反應的壩體混凝土力學性能損傷的演化過程進行了分析。Liao等[43]和Yanagihara[44]等建立了遭受堿骨料反應的損傷混凝土多軸壓縮本構模型，此本構模型與實驗得到的應力-應變曲線具有很好的一致性。相關的研究表明，目前已建立了一些基于堿骨料反應的混凝土材料化學-熱力學損傷模型，但有關堿骨料反應的損傷混凝土的壓縮本構模型大多數是基于單軸應力狀態上建立的，三軸應力狀態下在氯離子與堿骨料共同作用下建立的混凝土損傷本構模型還較少。

3 存在的問題

綜上所述，雖然國內外研究人員對海洋環境條件下堿骨料反應對海洋結構物性能影響已做出了初步研究與探索，但目前此方面的研究還存在以下問題：

(1)目前單一的混凝土材料參數、環境因素變化對于混凝土堿骨料反應膨脹性能的影響已有了較為深入的研究。但海洋環境條件下，氯離子與堿骨料反應共同作用下混凝土膨脹行為研究，主要是針對堿骨料反應快速試驗方法而不是從結構混凝土損傷劣化角度進行，且研究大都對砂漿進行，關于氯離子與堿骨料反應共同作用下混凝土長期堿骨料反應膨脹行為研究較少;

(2)海洋環境條件下氯離子與堿骨料反應共同作用下氯離子擴散與結合行為的研究方面雖有了初步成果，但堿骨料反應存在對混凝土中氯離子擴散行為是加速還是延緩還沒有統一的認識，需進行更加深入的研究。同時氯離子與堿骨料反應共同作用下，氯離子與水泥水化產物結合方式及定量關系方面的研究還剛剛開始;

(3)目前堿骨料反應對混凝土力學性能的影響研究還主要局限在現場混凝土取樣或實驗室加速實驗層次，且大多數研究成果集中在堿骨料反應對材料強度、彈性模量、體積膨脹量等主要參數的影響。缺少堿骨料反應對自然狀態下混凝土長期力學性能演化規律的研究，還沒有不同堿骨料反應水平和應力狀態水平對混凝土力學性能變化影響的研究成果;

(4)雖然國內外研究人員已建立一些基于堿骨料反應損傷的混凝土材料本構模型，但大多數模型主要是在單軸應力狀態上建立的，目前缺少關于三軸應力狀態下在氯離子與堿骨料共同作用下混凝土損傷的本構模型的研究，三軸應力下混凝土材料的強度、彈性和塑性等特征較單軸應力狀態下有較大差別。

4 發展趨勢

(1)滿足海洋工程需要的堿骨料活性的檢測方法

目前堿骨料破壞鑒定方法有巖相法、快速砂漿棒法、混凝土柱法、快速混凝土柱法、碳酸鹽集料快速初選法等多種方法。世界各國使用的檢測骨料堿活性的檢測方法也不盡相同。僅憑上述其中的一種檢測方法很難對骨料的潛在的堿活性作出準確的鑒別，需要多種方法綜合使用來判斷骨料的堿活性。同時傳統的骨料堿活性檢測方法存在周期長、可靠性差等缺點，需建立基于高溫、高堿條件下的評估骨料堿活性的快速評價方法。

(2)準確反映堿骨料反應下混凝土材料損傷程度的變量(dcorrosion)

最常用的表征堿骨料反應對混凝土損傷程度指標為試樣的膨脹率。但是，以膨脹率作為混凝土材料損傷程度變量(dcorrosion)存在一定的缺陷，對于已發生堿骨料反應且正在服役的結構物來說，服役期的膨脹率很難測定。確定混凝土單位體積質量和堿骨料反應生產物(凝膠)質量函數作為dcorrosion更易于通過試驗方法確定，并且更利于將實驗室加速反應結果與自然狀態下堿骨料之間檢測數據和不同研究者、研究方案下取得的研究數據建立定量對比關系。

(3)考慮多種應力狀態下受堿骨料反應侵蝕的混凝土本構模型

需要建立符合實際工程需要的混凝土損傷模型。研究三軸應力狀態下堿骨料反應對混凝土材料本構關系的影響規律，并在此基礎上建立彈塑性-化學損傷理論模型，描述不同反應水平下混凝土的力學特性，為開展海洋工程中對具有潛在堿活性的海洋結構物的安全進行評估和結構預測分析提供理論依據。

5 結 論

(1)堿骨料反應是導致海洋結構混凝土劣化的重要原因之一。 目前國內外研究人員對混凝土材料參數、環境因素對混凝土膨脹性能的影響已有深入研究，取得了很多有價值的研究成果;

(2)海洋環境條件下堿骨料反應對氯離子擴散與結合行為和骨料反應對混凝土力學性能影響的研究方面還有很多矛盾和不深入的地方;

(3)需要加強堿骨料反應對多維應力狀態下混凝土結構的長期力學性能演化規律的研究，建立能更加準確反映堿骨料反應下混凝土材料損傷程度的變量參數;

(4)需要建立符合實際工程需要的混凝土損傷模型，即建立基于彈塑性-化學損傷理論和三軸應力狀態下的氯離子與堿骨料共同作用下混凝土損傷的本構模型。

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Research Status,Existing Problems and Development Tendency on Effects of Alkali-Aggregate Reaction on Property of Marine Structures in Marine-Environment

YUANMeng1,2,ZHUYu-wen1,2,OUYANGFeng1,2,ZHAOHui1,2，CHENDa1,2

(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence (Hohai University)，Ministry of Education，Nanjing 210098，China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The ingress of the harmful substance in the marine environment is main reason to cause the degradation of properties in the marine structures. This paper presents a review of research on the effect of the alkali-aggregate reaction on the properties of structures under marine environment from four aspects,i.e. the influence factors of the alkali-aggregate reaction expansion,the swelling behavior of alkali aggregate reaction,the chloride ion diffusion and chloride ion binding behavior,the mechanical properties damage and damage model under the combined action of the chloride ion and the alkali-aggregate reaction. Also,the existing problems in this study field are analyzed. The new research ideas on the effect of alkali- aggregate reaction on the properties of structures under marine environment are proposed. First,the new parameter must propose to more accurately reflect material damage degree under the alkali-aggregate reaction. Second,the study on the evolution of the long-term of the mechanical properties under the combined action of the chloride ion,the alkali-aggregate reaction and multi-dimensional stress need to increase. Finally,the constitutive model of concrete damage under three axis stress state is established.

alkali-aggregate reaction；marine environment；current problem;development trend

江蘇省杰出青年基金支持項目(2015-BK20150037)

袁 夢(1994-)，女，碩士研究生.主要從事近海工程混凝土結構耐久性方面的研究.

陳 達，教授，博導.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2885-07