大坝混凝土碱骨料反应研究进展综述

李文伟 蒋文广 石妍 刘兆麟 李家正

摘 要：碱骨料反应（AAR）是影响大坝混凝土耐久性的重要因素之一。基于国内外研究成果，概述了大坝混凝土碱骨料反应的危害性与发生条件，从碱骨料反应破坏实例、碱骨料反应抑制方法以及碱骨料反应数值模拟等方面综述了大坝混凝土碱骨料反应的研究进展，提出了现阶段大坝混凝土碱骨料反应研究的不足及对未来研究的展望。

关键词：大坝混凝土；碱骨料反应；破坏案例；数值模拟；抑制措施

中图分类号：TV42                                                     文献标志码：A

0 引 言

碱骨料反应（Alkali Aggregate Reaction，AAR）是指混凝土中碱性物质与骨料中活性成分之间的反应，有碱硅酸反应（ASR）与碱碳酸反应（ACR）两种形式。1940年，Stanton[1]在对混凝土工程破坏事件研究中发现了涉及弱有序性硅引起的AAR现象，初次对碱骨料反应进行了全面描述。Levison等[2]研究表明，混凝土中骨料和水泥成分之间会发生化学反应导致混凝土结构膨胀，从而诱发开裂甚至耐久性失效，被称为混凝土的“癌症”[3]。

大坝混凝土中骨料粒径往往较大，四级配碾压混凝土中骨料粒径达到120 mm，且骨料比例极高。因而，大坝混凝土发生碱骨料反应，危害将极为严重。发生碱骨料反应需要三个因素，分别是骨料中含碱活性成分，孔隙溶液具有较高的pH值，混凝土处于相对湿度超过75%的高湿度环境[4]。大坝混凝土施工过程中，因经济原因或地域限制，通常就地取材，选用的骨料可能存在碱活性物质。由于长期与水接触，混凝土坝内部一直处于高湿度或者饱水状态，为碱骨料反应提供了环境条件，而且大坝服役寿命一般要求几十至上百年，也为碱骨料反应提供了充足时间。这些原因导致大坝混凝土更容易受到碱骨料反应的长期危害。国内外已发生多起碱骨料反应引起大坝混凝土建筑工程破坏的案例，例如：美国的Parker坝、Sulfur Creek坝，日本的Toyogawa坝，葡萄牙的Santa Luzia坝，中国的大黑汀坝等[5]。

综上所述，大坝混凝土的碱骨料反应问题必须引起高度的重视，工程建设中应采取有效的预防控制措施降低碱骨料反应发生的潜在风险，保证大坝混凝土建筑工程的长效安全运行。

1 碱骨料反应破坏实例

近几十年来，国内外部分大坝因混凝土碱骨料反应而发生破坏，有的经过维护维修过程继续使用，有的则因巨大的风险而拆除重建，有的甚至出现崩塌危及人民生命财产安全。

Falls坝位于美国爱达荷州，1927年完工并投入使用，然而，在建造后的几年里坝体部分区域逐渐出现了膨胀开裂的迹象。1960年初的取芯结果表明，坝体内水泥与细骨料产生的碱骨料反应是该坝劣化的主要原因。由于建设初期对这种劣化现象以及机理缺少认识，没有采用任何防护手段，因此混凝土强度和耐久性降低十分严重，只能被迫降低蓄水库容到设计值的66%左右，并且于1973年开工修建新坝。1978年新坝竣工后，旧有结构被拆除。至今40余年的使用过程中，新修建的构件也产生了破裂、剥落及其他老化现象。2020年初，美国垦务局再次开展新的Falls大坝维修和重建工作。

Seminoe大坝是美国北浦拉特河上的一座混凝土厚拱坝。1951年，大坝出现了轻微的ASR问题。1970年，大坝上部分7.62 m的区域产生了中度甚至重度损伤，ASR反应逐年加剧。2013年，在约23 m深度处检测到明显的碱骨料反应。2016年，开始了工程量巨大的维修工作，修建围堰并凿除受损的混凝土，最后用环氧树脂加压灌浆密封裂缝。

法国的Chambon坝，1931年开始修建，1935年建成，是一座由混凝土重力坝和拱坝构成的混合型坝，最大坝高90 m，弧长294 m。大坝混凝土体积约30万m3，骨料为片麻岩，骨料矿物成分主要包括石英、长石、黑云母等，所用的水泥碱含量为0.59%。运行约50 a开始出现膨胀，持续10 a后膨胀加剧，导致了泄洪闸门启闭受阻，大坝渗漏加剧，坝体出现畸形变形，上部向上游方向倾斜15 cm，沿大坝高度方向总膨胀量超过10 cm。

此外，西班牙的San Estaban坝和印度的Rihand坝，混凝土骨料为花岗岩和片麻岩，分别于建成后35 a和25 a左右发生碱骨料反应破坏。其中San Estaban坝为1955年建成的重力拱坝，监测发现，坝体逐年向库区偏左岸位移，1986年对混凝土芯样进行检查，证明膨胀开裂由碱骨料反应引起。巴西Moxoto坝，混凝土骨料由黑云母角闪石、片麻岩、闪云斜长花岗岩等岩石制成，水泥碱含量为1.0%，未掺掺和料。该坝混凝土自1980年来相继发现裂缝，1984—1990年的变形率为0.0068%，厂房10 m厚混凝土块年膨胀率为0.7 mm。通过混凝土钻取芯样进行检测发现，几乎所有试样都观察到深暗色反应环和数量不等的碱-硅凝胶产物，即发生了碱骨料反应。

中国水利水电工程吸取了国外许多工程碱骨料反应破坏的教训，从20世纪50年代起，对较大的水利水电工程混凝土所用骨料均进行碱活性檢验。对有碱活性的骨料，采用掺入大量混合材的水泥以及在现场掺入活性掺和料等措施，对防止碱骨料反应发生起到了积极的作用。20世纪80年代中期，中国水利水电科学研究院等单位对全国已建的32座混凝土高坝和40余座水闸的混凝土耐久性以及老化病害状态进行了调查，没有发现由于碱骨料反应引起工程破坏的实例。

2 碱骨料反应抑制方法研究

当前，工程上针对碱骨料反应的抑制措施主要包括：使用非活性骨料；隔绝水分；控制总碱含量，如采用低碱水泥；使用矿物掺合料，如粉煤灰、矿渣粉及其他火山灰质材料。

控制混凝土碱含量可以预防碱骨料反应这一结论在国际上已达成共识，其原理是当混凝土中的碱含量低于一定值时，混凝土孔溶液中K+、Na+和OH-浓度便会低于某临界值，碱骨料反应难于发生或者反应程度较轻，不足以导致混凝土破坏。混凝土中的碱主要来源于水泥，约占总碱量的99％，还有少部分来源于掺和料、外加剂及骨料中溶出的碱[6-7]。对于大坝混凝土，骨料占混凝土质量的80%左右，胶凝材料用量一般低于200 kg/m3，即使胶凝材料含碱量为1.0％，大坝混凝土的总碱含量仅2.0 kg/m3，很容易满足国内外对于混凝土总碱量的限制。因此，控制混凝土总碱含量措施较为简单易行。但也有人认为，大坝混凝土的总碱量要求应当更加严格，国内大坝如三峡大坝提出了混凝土总碱量小于2.5 kg/m3的限值[8-9]。

使用矿物掺和料取代部分水泥，不仅可以降低成本，改善混凝土工作性，而且能够有效地抑制碱骨料反应。工程实践也证明，使用掺和料是解决大坝混凝土碱骨料反应问题最经济、有效的途径。常用矿物掺和料主要包括粉煤灰、矿渣、硅灰、沸石等。除此之外，还有许多其它工业废渣或天然矿物材料，如磷渣、石粉、煤矸石等，尽管这些材料尚未得到广泛利用，但一些研究表明，这些材料对碱骨料反应也有一定的抑制效果[7]。由于粉煤灰、矿渣等常用矿物掺和料料源通常距离坝址较远，开发利用坝址附近的矿物掺和料来抑制碱骨料反应，对于水电站大坝建设具有重要的经济意义。

为了探索更有效的碱骨料反应抑制措施，揭示其内在机理，国内外学者进行了大量试验研究。由于发生碱骨料反应需要较高pH值的碱环境，因此，可以通过降低pH值的方式抑制孔溶液中Na+、K+等碱金属离子浸出，从而减小碱骨料反应的影响。Plusquellec等[10]为了表征碱金属浸出的全过程，针对服役达到50 a的挪威Votna I混凝土大坝，开展了碱金属浸出对大坝混凝土长期服役过程中碱骨料反应影响的研究。对于永久浸没区、定期浸没区、暴露区及遮挡区四个不同暴露位置处取芯采样，结合冷水提取法、热重分析（TGA）、微区X射线荧光（XRF）等技术手段，获取了不同深度处碱金属的分布信息，发现了碱金属分布与碱骨料反应损伤开裂的空间关系，实现了不同湿度环境条件下游离碱金属浸出影响的定性与定量表征，量化了碱金属从骨料到混凝土中的释放（见图1）。

锦屏一级大坝受客观条件限制选用变质石英砂岩骨料，具有潜在碱骨料反应隐患。为此，李光伟等[11]利用现场材料开展了混凝土碱骨料反应抑制措施的试验研究，结果表明，组合骨料、高掺35%的粉煤灰以及控制总碱含量等措施有效抑制了混凝土中石英砂岩碱骨料反应膨胀变形。董芸等[12]针对锦屏一级大坝十余年碱骨料反应抑制措施的有效性开展研究，验证了“组合骨料+高掺粉煤灰+严控碱含量”抑制技术的有效性。

邵晓妹等[13]利用扫描式电子显微镜（SEM）对微观形貌观测的独到优势，基于国内某大型水电站砂岩骨料碱活性试验，开展全级配大体积混凝土碱骨料反应长龄期模拟试验，验证了骨料碱活性抑制效果的长期有效性。

Yang等[14]考虑到三峡大坝建设所选用的花岗岩骨料有发生碱骨料反应的潜在风险，开展三峡大坝混凝土碱骨料反应的长期研究，对已经历20～30 a的长龄期试件进行了跟踪试验。结果表明，长期碱骨料反应影响下的混凝土膨胀率与龄期具有相关性，一般在浇筑后13～16 a达到峰值，三峡大坝混凝土中掺入的粉煤灰等矿物掺合料，有效抑制了碱骨料反应。

白光等[15]、刘兴国等[16]利用具有火山灰活性的燧石粉，实现了对混凝土碱骨料反应的抑制，但对混凝土的工作性以及强度产生了一定负面影响。

高鹏等[17-18]通过快速砂浆棒法，比较了自研的硝酸盐AN-1与传统抑制剂Li2CO3对碱硅酸反应的长龄期抑制效果。结果表明，AN-1不仅价格低廉，而且在1.0%掺量的情况下，能有效保障碱硅酸反应的长期抑制。高鹏等[19]开展了引气剂对碱硅酸反应的抑制作用影响研究。结果表明，引气剂产生的气孔可为活性骨料与浆体界面发生碱硅酸反应形成的膨胀性碱硅凝胶提供膨胀迁移的缓冲空间，从而降低碱硅酸反应的膨胀率。

综上所述，针对碱骨料反应抑制方法的研究主要集中在降低混凝土的碱性、采用矿物掺合料、使用硝酸盐或锂盐、使用引气剂等方面。其中，采用矿物掺合料取代高碱含量的水泥是工程中最常见措施。

3 碱骨料反应的数值模拟研究

数值模拟是研究混凝土碱骨料反应发展、混凝土膨胀变形及力学损伤等的有效方法。碱骨料反应数值模拟模型主要有试件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（反应环）的模型、考虑碱硅酸反应凝胶的模型。试件宏观膨胀的数学拟合模型是采用数学表达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，预测碱骨料反应的趋势。结构宏观变形的唯象学模型主要是分析碱骨料反应膨胀变形对结构承载能力的影响规律，揭示混凝土碱骨料反应膨胀与环境、受力状态、活性等条件之间的关联。基于骨料膨胀（反应环）的模型则更多地关注骨料层面上的碱骨料反应机制，损伤过程的评估主要基于断裂力学理论。考虑碱硅酸反应凝胶的模型主要解释了碱硅酸反应现象对混凝土材料的影响，通过施加凝胶质量或体积的变化，解释混凝土膨胀和损伤之间的关系。

众多学者基于上述模型开展了碱骨料反应数值模拟研究，潘坚文等[20-21]考虑到界面过渡区的影响，建立了混凝土三相细观模型，探明了碱骨料反应作用下混凝土损伤与刚度退化規律。宋百姓等[22]基于颗粒元的方法，建立了混凝土三相细观模型，实现了碱硅酸反应作用下膨胀变形与裂缝扩展的模拟。李犇等[23]基于损伤力学和热力学建立了砂浆碱骨料膨胀模型，提出碱骨料反应的热膨胀系数以及膨胀应变计算方程，实现了细观尺度的碱硅酸反应破坏研究。上述模型均基于细观层面，适用于分析碱骨料反应引起的混凝土内部细观应力分布和细观损伤演化的规律。

为克服混凝土变形问题，Itam等 [24]开展了多尺度膨胀的数值模拟研究（见图2、图3）。以混凝土重力坝宏观尺度与细观尺度的热学-化学-湿度-力学耦合模型为基础，以碱当量、硅当量、相对湿度、孔隙率、渗透率、外界荷载以及温度等因素为主要变量，开展了温度和相对湿度等环境条件的变化对混凝土重力坝热学-化学-湿度-力学模型影响的研究。研究表明，温度、相对湿度以及外部荷载均会影响碱硅酸反应的膨胀率，进而影响结构的膨胀或收缩。较高湿度条件下，碱硅酸反应的潜伏时间常数提高，造成碱硅酸反应引起混凝土結构更早破坏。该模型综合考虑众多因素的影响，适用于碱硅酸反应引起混凝土多尺度变形的模拟分析。

Blanco等[25-26]对服役60余年的混凝土大坝开展碱骨料反应研究。通过SEM与能量色散型X射线光谱仪（EDX）初步判定水化产物主要构成，得到碱硅酸反应与二次钙矾石反应的痕迹（见图4），并通过数值模拟手段，基于对流扩散方程，实现了温度传输仿真，还原了早期混凝土传热过程，证实了延迟钙矾石反应形成原因，揭示了碱硅酸反应与延迟钙矾石反应综合作用对大坝混凝土耐久性的影响。该研究主要从混凝土传热角度进行模拟分析，对于碱硅酸反应引起的变形与力学性能损伤分析相对不足。

综上所述，碱骨料反应数值模拟研究取得了一定的进展，从不同角度或不同尺度探究了碱骨料反应发展、混凝土性能损伤等的规律，但是碱骨料反应过程复杂，影响因素繁多，仍有待进一步的深入研究。

4 结束语

相比其他混凝土，大坝混凝土的原材料、配合比及服役环境等因素使之更易发生碱骨料反应，已引起国内外的高度重视，采取多种方法对其机理和危害性进行研究分析，并发现了多种抑制碱骨料反应的方法，例如组合骨料、加入掺合料、添加抑制剂等。

然而，现阶段研究仍存在一些不足。首先，当前大部分研究中关于大坝混凝土碱骨料反应的评判方法或判据是参照普通混凝土，大坝混凝土的服役环境复杂，多重环境因素综合作用下碱骨料反应判别难度提升，评判方法有待改进；其次，当前的抑制方法大多针对于碱硅酸反应，对于碱碳酸盐反应抑制方法的研究较少，为全面预防大坝混凝土碱骨料反应的发生，加强碱碳酸盐反应抑制方法的研究同样重要；此外，碱骨料反应的数值模拟研究局限性较明显，模拟模型往往无法综合考虑碱骨料反应全部的因素，导致模拟结果有所偏差，优化数值模拟模型也不容忽视。

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A Review of Research Progress on Alkali-Aggregate Reaction in Dam Concrete

LI Wenwei1，2，JIANG Wenguang1，SHI Yan1，LIU Zhaolin3，LI Jiazheng1

（1. Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；2. China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China；3. School of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：Alkali-aggregate reaction （AAR） is a crucial factor that affects the durability of dam concrete. Based on domestic and international researches，we present a comprehensive review on the harmfulness and occurrence conditions of AAR in dam concrete. Subsequently，we further examine the research progress of AAR in dam concrete in terms of damage examples，inhibition methods，and numerical simulations. Additionally，we discuss the current limitations of AAR research and put forward an outlook for future investigations.

Key words：dam concrete；alkali-aggregate reaction；damage cases；numerical simulation；inhibition methods