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上海市土木工程学会
混凝土碱骨料反应产物和裂纹在
介观尺度的时空演变规律
导读
碱骨料反应(ASR)是世界范围内混凝土基础设施最有害的耐久性问题之一，它发生在混凝土中的碱性孔隙溶液和富含硅酸盐的骨料之间。ASR产物导致混凝土的变形和开裂。因此，广泛的结构造成重大的安全、经济和环境问题。
为了解决骨料碱活性带来的危害，自20世纪40年代首次发现ASR以来，研究人员使用传统的光学和电子显微镜技术发现了一些基本的ASR(开裂)机制，在骨料外的孔隙空间内存在ASR产物。这些研究工作致力于理解和预测ASR相关损害，仍未对其有全面的认识。在数据代表性(从不同标本观察和表征的不同时间点的特征)和数据可用性(考虑到需要在每个不同时间点进行调查的不同标本，数据集非常有限)方面都存在局限性，因此可靠的损害评估和预测尚不可行。这是因为反应的机制和相应的损伤劣化知之甚少，ASR复杂的多尺度特性，缺乏在介观尺度(几微米-几厘米)上的变形和裂纹扩展的认知，从而无法理解ASR产物的时空演变与裂纹之间可能存在的耦合关系。
在瑞士国家科学基金会（SNF）Sinergia项目（Nr.171018）中，Mahdieh Shakoorioskooie博士通过X射线断层扫描技术完成了ASR延时、完全无损和定量的裂解表征，在介观尺度上推进了对 ASR 化学、力学及各自损伤的理解。同时，为Sinergia项目Emil Gallyamov博士的ASR损伤演变细观力学有限元方法计算建模的研究提供了基本的输入数据。
Mahdieh Shakoorioskooie博士研究的主要目标是表征ASR产物和裂纹的时空演变，如图1和图2。他的研究发现：(1) ASR裂缝首先在集料中产生，然后扩展到水泥浆体中。随着裂缝的扩展，以延时方式观察ASR产物向水泥浆体的挤压过程。(2)挤压表明，在早期阶段，ASR产物可能是一种低粘度凝胶，它可以离开原始骨料，并在吸收钙离子后在其他地方积聚为更硬的物质。并且观察到ASR产物在被水泥浆包围的裂缝和空隙中逐渐积聚，随后从它们中吸收钙离子，从而使它们变硬。还观察到连续挤出的低粘度、低钙含量的产品被及时加入。(c)系统地观察到ASR产物在水泥浆体的空隙和裂缝中或在产物起源周围的集料的ITZ中积累。ASR产生的裂纹体积的很大一部分在后期仍然没有ASR产物。(d)裂缝体积分数随时间单调增加，水泥浆体中出现大量裂缝。(e)系统地观察到ASR产物广泛存在于聚集体之外。
图1 试样的层析成像切片上展示了ASR引起的裂纹和充满ASR产物的孔隙
图2 样品第1天、第55天、第145天和第250天的骨料内部空裂缝(青色)、水泥浆体体内部空裂缝(蓝色)、骨料内部整个孔隙空间(即空隙、多孔斑块和裂缝)内ASR产物(黄色)和骨料外部ASR产物(橙色)的三维组合渲染图
从图2可以观察到ASR产物在整个介结构中相当各向同性地传输，没有任何优先定向的迹。骨料内部的裂缝大部分是空的，只有少数几乎完全被产物填满。这一特征可以通过比较两个连续时间点(分别为55天和145天，图2 (b)和(c))的黄色(骨料内的产物)和青色(水泥浆内的产物)的体积来识别。在图2 (b)中，高宽比较大的黄色区域对应的是充满产物的裂纹，在这两个时间点之间没有明显的演化。然而，在骨料内部(青色体积)和膏体内部(蓝色体积)，空裂缝都显著增加，后者表明水泥膏体中也有大量裂缝只被部分填充。从第55天开始(图2 (b))，可以观察到直接在原始孔隙空间内部或附近有大量的产物积累。在145天(图2 (c))，可以检测到大量的产物，这发生在骨料内部和水泥浆中。这种产品积累的显著增加伴随着相当数量的开裂。最后，在第250天(图2 (d))，几乎在视野的每个区域都可以找到整体ASR产物的体积，并且裂缝网络渗透到该区域本身。
参考文献
1、Shakoorioskooie, M., Griffa, M., Leemann, A., Zboray, R., Lura, P. (2022). Quantitative analysis of the evolution of ASR products and crack networks in the context of the concrete mesostructured. Cem. Concr. Res. 162, 106992/1-14.
2、Shakoorioskooie, M. (2021). ETHZ PhD Thesis: \"The alkali-silica reaction damage in concrete at the mesoscale: characterization by X-ray tomography\".
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