袁 梦，朱钰文，欧阳峰，赵 晖，陈 达

(1.河海大学海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098)



海洋环境条件下碱骨料反应对海洋结构物性能影响的研究现状、存在问题及其发展趋势

袁 梦1,2，朱钰文1,2，欧阳峰1,2，赵 晖1,2，陈 达1,2

(1.河海大学海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

海洋环境中有害物质侵蚀是造成海洋结构物性能劣化的主要原因。本文从影响碱骨料反应膨胀因素、氯离子与碱骨料反应共同作用对碱骨料反应膨胀行为影响、氯离子扩散与结合行为影响和力学性能损伤及损伤模型等方面出发，对海洋环境下碱骨料反应对结构物性能影响研究现状进行总结。分析此研究领域存在问题。提出了需引入能更准确反映碱骨料反应下材料损伤程度的变量参数；需加强氯离子与碱骨料共同作用下多维应力状态下混凝土长期力学性能演化规律研究；建立三轴应力状态下混凝土损伤的本构模型等新的研究思路。

碱骨料反应； 海洋环境； 存在问题； 发展趋势

1 引 言

水泥混凝土材料已广泛应用于港口码头、海底隧道、跨海大桥等近海工程中。上世纪40年代以来，发达国家已建成并投人使用近海工程结构物已逐渐显示出过早破坏和失效迹象，碱骨料反应是导致近海工程结构物使用性能降低的重要原因之一[1]。自从1940年Stanton等[2]发现碱骨料反应破坏以来，碱骨料反应对结构物耐久性的影响已引起了土木工程界的高度重视。1980年代有关调查结果表明，美国50万座公路桥梁中有20万座桥梁已损坏，其中不乏由混凝土碱骨料反应引起的破坏。英国的调查统计表明，数百座建筑物均遭受不同程度的碱骨料反应破坏[3]。1990年以来，我国相继在机场、大型预应力混凝土、桥梁和工业建筑结构物上发现因碱骨料反应发生的破坏[4]。所谓碱骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR)是指混凝土中高含量的碱与具有碱活性的骨料发生化学反应。因碱骨料反应一旦发生就很难阻止，被称为混凝土的癌症。

2 研究现状

从1950年开始，国内外研究人员已对碱骨料反应对混凝土性能影响进行了大量的试验研究。目前国内外此领域的研究热点主要集中在以下四个方面上：

2.1 影响碱骨料反应膨胀的因素

2.1.1 混凝土材料的参数对碱骨料反应膨胀量的影响

混凝土中碱是决定碱骨料反应发生的三个关键因素之一。Chen[5]等研究了不同类型的碱激发剂对碱矿渣水泥砂浆的碱骨料反应膨胀的影响。从图1可看到，不同类型碱激发剂的砂浆膨胀大小次序为：水玻璃>Na2CO3>Na2SO4>NaOH。Gifford等研究了[6]使用Na2CO3和Na2SiO3作为激发剂引起的混凝土中碱-硅酸反应膨胀，结果发现这两种碱激发剂所产生的碱骨料反应膨胀没有显著差异。杨长辉等研究表明[7](如图2所示)，随着水玻璃细度模数的增加，碱骨料反应的膨胀值先增加后减少，当水玻璃细度模数为2.0时，砂浆碱骨料反应膨胀最大。Al-Otaibi的研究表明[8]当碱含量为4%或6%时，含有细度模数为1.65水玻璃的混凝土具有比掺加细度模数1.0水玻璃的混凝更低的碱骨料反应膨胀值。杨长辉等认为(图3所示),随着碱含量从3%增加到6%，含有水玻璃的砂浆碱骨料反应膨胀增加，对于含有Na2CO3和NaOH砂浆，当碱含量超过4%时没有观察到碱骨料反应膨胀有显著变化。对于碱骨料反应膨胀而言，随着碱含量提高碱骨料反应膨胀增加；当碱含量提高到某一水平后，反应产物碱硅比增大，碱硅凝胶黏度降低，膨胀能力下降，导致碱骨料反应膨胀反而降低。

图1 激发剂的类型对碱矿渣水泥砂 浆的碱骨料反应膨胀的影响[5]Fig.1 Effect of types of activator on AAR expansion of AASC mortars[5]

图2 水玻璃模数对AASC砂浆碱骨料反应膨胀的影响[7]Fig.2 Effect of the modulus of waterglass on AAR expansion of AASC mortars[7]

混凝土中活性骨料类型、数量、矿物成分和粒度分布对碱骨料反应均有影响。García-Lodeiro等[9]对比NaOH激发粉煤灰砂浆碱骨料反应引发的膨胀，发现所有砂浆的膨胀值没有超过0.1%，10%的蛋白石骨料和90%的硅质骨料组成砂浆有很小的碱骨料膨胀。Puertas等[10]发现含有活性硅质骨料砂浆有很高的膨胀，而活性钙质骨料砂浆表现出较低的膨胀。Multon等研究发现[11]活性骨料的粒径大于0.08 mm时，砂浆不会产生碱骨料反应膨胀，活性骨料粒径在0.03～0.05 mm时碱骨料反应膨胀值最大。Chen等认为[12]活性骨料粒径大小为0.15～0.75 mm时，随着骨料含量增加，碱骨料反应膨胀增加；粒径大小在0.08～2.5 mm的骨料，随着骨料含量增加，碱骨料反应膨胀有所减少。杨长辉等认为[13]，无论碱含量是多少，石英玻璃的质量分数不超过5%，砂浆碱骨料反应膨胀值不会超出限值，石英玻璃活性骨料质量分数为50%时，砂浆的碱骨料反应膨胀最大，石英玻璃活性骨料的质量分数大于50%时，碱骨料反应膨胀有降低的趋势，这表明存在着一个最不利活性骨料含量。Lu等发现[14](如图4所示)普通水泥导致的碱骨料反应膨胀低于碱激发矿渣水泥产生的碱骨料反应膨胀，偏高岭土中的活性氧化铝和碱激发水泥中的粉煤灰能有效降低碱骨料反应膨胀。Gifford等发现[15]碱激发高炉矿渣水泥混凝土更容易发生碱-碳酸盐反应膨胀，但不容易发生碱-硅酸盐反应膨胀。杨长辉等研究[16]表明酸性矿渣砂浆的碱骨料反应膨胀显著低于碱性矿渣砂浆的碱骨料反应膨胀。随着水灰比减小，碱骨料反应膨胀值有增大趋势，水灰比为0.4时膨胀量最大。此外砂浆试样受外约束力作用越大，碱骨料反应膨胀开裂越小。

图3 碱含量对AASC砂浆碱骨料反应膨胀的影响[7]Fig.3 Effects of alkali content on expansion of AASC mortars due to AAR[7]

图4 在温度为38 ℃和相对湿度为100%条件下 1年后混凝土材料中胶凝材料组成 对碱骨料反应的膨胀影响的对比结果[14]Fig.4 Comparative results obtained under condition T=38 ℃ and RH=100% after 1 year[14]

2.1.2 环境因素对碱骨料反应下混凝土膨胀量的影响

相关研究表明[17]，碱骨料反应膨胀率(ρ)随温度变化呈现如下次序:ρ40 ℃>ρ80 ℃>ρ20 ℃。Jones等研究[18]表明，与较低的温度相比，在较高的温度下碱骨料反应膨胀率下降更快。米倉亜州夫等[19]研究发现，80 ℃环境下碱骨料反应导致的膨胀最早发生,并且反应速度最快,而长期膨胀量小于60 ℃和40 ℃环境下的碱骨料膨胀量，在20 ℃时,混凝土没有发生膨胀，温度较高或较低都会抑制膨胀的发展。Kristjansson等研究发现[20](如图5所示)砂浆棒的膨胀值和膨胀速率随着相对湿度升高而增大，当温度为23 ℃时、相对湿度为85%时砂浆棒停止膨胀；当温度升高到38 ℃，停止碱骨料膨胀的相对湿度数值降低到接近70%。环境中相对湿度的降低可延缓早期碱骨料反应膨胀发生，碱骨料反应后期产生的膨胀会更加严重[21]。

2.2 海洋环境条件下氯离子与碱骨料反应共同作用对混凝土膨胀行为的影响

氯盐、碱骨料反应共同作用会加速或减缓混凝土本身膨胀。杨德斌等研究[22]发现氯化钠、氯化钙两种去冰盐存在会加剧碱活性反应膨胀。单炜等[23]研究结果表明(如图6所示)氯化钠水溶液浓度越高，碱骨料反应膨胀率越大。詹炳根等[24]发现表明NaOH与NaCl复合溶液作用下，低碱含量混凝土早期有低的碱骨料反应膨胀值，后期结果正好相反，高碱含量混凝土不论在早期还是后期都会导致更高的碱骨料反应膨胀值。Shayan等[25]认为NaCl溶液存在不会对碱骨料反应膨胀性能产生明显的影响，环境温度为38 ℃时砂浆具有比其他环境温度下更大碱骨料反应膨胀值。Larbi等[26]研究发现，浸泡在热氯化钠溶液中的砂浆具有比浸泡在冷氯化钠溶液中更高的碱骨料反应膨胀值。

图5 湿度对砂浆棒中碱骨料反应膨胀的影响[20]Fig.5 Influence of humidity on mortar ASR expansion rate [20]

图6 NaCl溶液浓度对砂浆碱骨料反应膨胀率的影响[23]Fig.6 Influence of concentration of sodium chloride solution on mortar AAR expansion rate[23]

2.3 海洋环境条件下氯离子与碱骨料反应共同作用对氯离子扩散与结合行为的影响

詹炳根等[27]研究结果表明，在氯离子-碱骨料反应共同作用下混凝土的氯离子扩散速度减慢、氯离子结合能力明显降低，碱骨料反应所导致的开裂不会明显提高氯离子侵入。Zhan[28]等发现在碱骨料反应作用下混凝土中氯离子扩散速度减慢，同时氯离子结合能力也明显降低，混凝土对氯离子的结合表现为线性吸附关系。Berube等[29]通过对氯离子-碱骨料反应耦合作用下水化产物对有害介质固化能力、不同深度有害介质含量变化、孔溶液中OH-变化的研究发现，氯离子-碱骨料反应协同作用加速了氯离子在混凝土结构中扩散速度。Caré等[30]研究表明，氯离子-碱骨料反应协同作用下活性细骨料与骨料体积分数增加对砂浆中氯离子具有加速扩散作用。Page等[31]使用差热分析、扫描电镜等微观分析手段研究了在碱骨料反应作用下，氯离子在混凝土中加速扩散机理。

2.4 海洋环境条件下氯离子与碱骨料反应共同作用对混凝土力学性能损伤及损伤模型

海洋环境下碱骨料反应发生对混凝土力学性能损伤有加速作用。Puertas等发现[32]含有非活性钙质骨料砂浆体积虽没有明显变化，但砂浆力学强度却大幅提高。Ahmed等[33]研究结果表明，活性骨料对力学性能影响取决于活性骨料的类型，轴心抗拉强度和静态弹性模量是衡量骨料活性的最佳反映指标。刘晨霞等[34]试验结果表明，混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度和轴向拉伸强度随碱骨料反应膨胀量的增大而降低。Swamy等[35]研究结果表明碱骨料反应导致了钢筋混凝土简支梁的抗折强度、应变、位移等力学性能的下降。Rivard等[36]研究结果表明，尽管混凝土中碱骨料反应膨胀量很大，碱骨料反应下混凝土材料的损伤从混凝土表面开始。Saint-Pierre等[37]发现，超声波衰减法比超声脉冲法更加合适去评估碱骨料反应对混凝土损伤。以上这些研究都表明，混凝土材料发生碱骨料反应会对混凝土的抗拉强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、抗弯强度等力学性能造成不利影响，但对压缩或直接拉伸状态下抗压强度的影响较小。Farage等[38]建立了碱骨料反应下混凝土力学损伤的宏观模型，建立的宏观模型与实验数据具有良好的一致性。Capra等[39]基于混凝土与碱骨料反应主要物理参数概率，建立了碱骨料反应混凝土材料的理论模型。Huang等[40]使用非线性连续体理论去建立了碱骨料反应下的混凝土热力学损伤模型。李克非等[41]从热力学的理论出发，推导出混凝土碱骨料的化学-弹性模型和化学-弹塑性模型,确定并讨论了力学模型中各个材料参数的物理意义。Comi等[42]建立了碱骨料反应下混凝土的化学-热力学损伤模型，对发生碱骨料反应的坝体混凝土力学性能损伤的演化过程进行了分析。Liao等[43]和Yanagihara[44]等建立了遭受碱骨料反应的损伤混凝土多轴压缩本构模型，此本构模型与实验得到的应力-应变曲线具有很好的一致性。相关的研究表明，目前已建立了一些基于碱骨料反应的混凝土材料化学-热力学损伤模型，但有关碱骨料反应的损伤混凝土的压缩本构模型大多数是基于单轴应力状态上建立的，三轴应力状态下在氯离子与碱骨料共同作用下建立的混凝土损伤本构模型还较少。

3 存在的问题

综上所述，虽然国内外研究人员对海洋环境条件下碱骨料反应对海洋结构物性能影响已做出了初步研究与探索，但目前此方面的研究还存在以下问题：

(1)目前单一的混凝土材料参数、环境因素变化对于混凝土碱骨料反应膨胀性能的影响已有了较为深入的研究。但海洋环境条件下，氯离子与碱骨料反应共同作用下混凝土膨胀行为研究，主要是针对碱骨料反应快速试验方法而不是从结构混凝土损伤劣化角度进行，且研究大都对砂浆进行，关于氯离子与碱骨料反应共同作用下混凝土长期碱骨料反应膨胀行为研究较少;

(2)海洋环境条件下氯离子与碱骨料反应共同作用下氯离子扩散与结合行为的研究方面虽有了初步成果，但碱骨料反应存在对混凝土中氯离子扩散行为是加速还是延缓还没有统一的认识，需进行更加深入的研究。同时氯离子与碱骨料反应共同作用下，氯离子与水泥水化产物结合方式及定量关系方面的研究还刚刚开始;

(3)目前碱骨料反应对混凝土力学性能的影响研究还主要局限在现场混凝土取样或实验室加速实验层次，且大多数研究成果集中在碱骨料反应对材料强度、弹性模量、体积膨胀量等主要参数的影响。缺少碱骨料反应对自然状态下混凝土长期力学性能演化规律的研究，还没有不同碱骨料反应水平和应力状态水平对混凝土力学性能变化影响的研究成果;

(4)虽然国内外研究人员已建立一些基于碱骨料反应损伤的混凝土材料本构模型，但大多数模型主要是在单轴应力状态上建立的，目前缺少关于三轴应力状态下在氯离子与碱骨料共同作用下混凝土损伤的本构模型的研究，三轴应力下混凝土材料的强度、弹性和塑性等特征较单轴应力状态下有较大差别。

4 发展趋势

(1)满足海洋工程需要的碱骨料活性的检测方法

目前碱骨料破坏鉴定方法有岩相法、快速砂浆棒法、混凝土柱法、快速混凝土柱法、碳酸盐集料快速初选法等多种方法。世界各国使用的检测骨料碱活性的检测方法也不尽相同。仅凭上述其中的一种检测方法很难对骨料的潜在的碱活性作出准确的鉴别，需要多种方法综合使用来判断骨料的碱活性。同时传统的骨料碱活性检测方法存在周期长、可靠性差等缺点，需建立基于高温、高碱条件下的评估骨料碱活性的快速评价方法。

(2)准确反映碱骨料反应下混凝土材料损伤程度的变量(dcorrosion)

最常用的表征碱骨料反应对混凝土损伤程度指标为试样的膨胀率。但是，以膨胀率作为混凝土材料损伤程度变量(dcorrosion)存在一定的缺陷，对于已发生碱骨料反应且正在服役的结构物来说，服役期的膨胀率很难测定。确定混凝土单位体积质量和碱骨料反应生产物(凝胶)质量函数作为dcorrosion更易于通过试验方法确定，并且更利于将实验室加速反应结果与自然状态下碱骨料之间检测数据和不同研究者、研究方案下取得的研究数据建立定量对比关系。

(3)考虑多种应力状态下受碱骨料反应侵蚀的混凝土本构模型

需要建立符合实际工程需要的混凝土损伤模型。研究三轴应力状态下碱骨料反应对混凝土材料本构关系的影响规律，并在此基础上建立弹塑性-化学损伤理论模型，描述不同反应水平下混凝土的力学特性，为开展海洋工程中对具有潜在碱活性的海洋结构物的安全进行评估和结构预测分析提供理论依据。

5 结 论

(1)碱骨料反应是导致海洋结构混凝土劣化的重要原因之一。 目前国内外研究人员对混凝土材料参数、环境因素对混凝土膨胀性能的影响已有深入研究，取得了很多有价值的研究成果;

(2)海洋环境条件下碱骨料反应对氯离子扩散与结合行为和骨料反应对混凝土力学性能影响的研究方面还有很多矛盾和不深入的地方;

(3)需要加强碱骨料反应对多维应力状态下混凝土结构的长期力学性能演化规律的研究，建立能更加准确反映碱骨料反应下混凝土材料损伤程度的变量参数;

(4)需要建立符合实际工程需要的混凝土损伤模型，即建立基于弹塑性-化学损伤理论和三轴应力状态下的氯离子与碱骨料共同作用下混凝土损伤的本构模型。

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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

江苏省杰出青年基金支持项目(2015-BK20150037)

袁 梦(1994-)，女，硕士研究生.主要从事近海工程混凝土结构耐久性方面的研究.

陈 达，教授，博导.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2885-07