（翻译整理：李犇 编辑校对：张鑫）
碱骨料反应是混凝土的“癌症”，也是混凝土耐久性研究领域的热点与亟待解决的问题。水泥基中碱性氧化物含量较高时，会与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，并在骨料表面生成碱-硅酸凝胶。在温度、湿度等环境作用下，碱-硅酸凝胶吸水后产生较大的体积膨胀，导致混凝土胀裂破坏。近几十年来，国内外多个研究机构对碱-硅基骨料反应的膨胀机理开展了多项研究工作，主要集中在碱性离子与硅基骨料化学反应机理、活性硅酸盐中硅烷醇与硅氧烷键的破坏规律和碱-硅酸凝胶生成的反应动力学机理，极少从力学角度关注作为碱-硅基骨料反应的核心：碱-硅酸凝胶膨胀损伤与开裂劣化的物理力学过程。缺乏合适的多尺度力学模型或表征方程以及相应的更高精度多尺度试验手段限制了碱-硅基骨料反应的理论研究。
为探究碱-硅基骨料反应的力学机理，佛山科学技术学院李犇教授（第一作者、通讯作者）及其团队在《Construction and Building Materials》上发表了题为“Meso-mechanical research on alkali-silica reaction expansion in Pyrex glass and silica sand at different temperatures and curing times”的文章，研究了温度与固化时间耦合作用对碱-硅酸凝胶膨胀的影响（1.2% NaOH溶液养护环境, 基体骨料为硅砂SS与高硼玻璃PG），根据EPMA、BSE、MIP等测试结果，对不同条件下碱-硅酸凝胶的纳米结构进行了分析，结合细观力学、损伤力学对其膨胀劣化演变规律进行了讨论。
（1） 温度对碱-硅酸凝胶膨胀影响的细观表征
离子（羟基、碱基）从孔隙扩散到骨料周围，与活性的二氧化硅发生化学反应，生成碱-硅酸凝胶。碱-硅酸凝胶可以部分填充水泥基体的孔隙空间，并对骨料和水泥基体施加应力（gel pressure）。该应力逐步地推动碱-硅酸凝胶进入水泥基体的孔结构并导致孔隙结构累积损伤直至破坏，并最终引起材料的损伤与劣化。基于此，该研究首次提出了碱-硅酸凝胶膨胀的应变方程：
通过计算不同温度作用下碱-硅基骨料颗粒周围基体中孔结构的体积变化可以得到基体膨胀劣化的近似解：
（2） 不同温度作用下孔隙结构的变化
碱骨料反应过程中基体孔结构的变化如图1所示，结果表明：在温度为30度时，由于碱-硅基骨料膨胀作用，基体具有较高的孔隙率和较大的孔体积。基体的孔隙结构变化（疏松或致密）是基体水合与膨胀作用协同发展的结果，其受到外部环境作用、材料体系对温度环境的敏感性等诸多因素的影响。
(a) (b)
(c) (d)
图1 孔径分布（1.2％浓度@固化100天）：（a）30摄氏度;（b）40摄氏度;（c）60 摄氏度;（d）80摄氏度.
（3） Na与Si元素的摩尔浓度比
碱骨料反应过程中硅和钠的摩尔质量变化是非常关键的表征参数，其对膨胀后续的进展有着决定性的作用（直接影响静水压与离子迁移速率）。Na与Si的摩尔质量如图2所示，由EPMA实验结果表明：Si和Na元素含量的摩尔比值与SS和PG的占比具有线性相关。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
图2 Si /Na摩尔质量比（0-100天）. （a）SS100; （b）SS80PG20; （c）SS60PG40; （d）SS40PG60;（e）SS20PG80;（f）PG100.
（4） 碱-硅基骨料膨胀的理论计算结果与误差分析
图3 计算误差与误差的方差对比
通过理论计算与实验结果对比表明：该新模型作为预估不同温度作用下碱-硅基骨料膨胀值提供良好的支撑。该模型在计算30至60 摄氏度时具有较高的计算精度和稳定性。但是对于高温下膨胀结果的计算结果并不乐观。如何提高高温条件下的理论计算结果、对模型进行进一步地修正将是后续工作的重点内容。
参考文献：
B. Li et al. Meso-mechanical research on alkali-silica reaction expansion in Pyrex glass and silica sand at different temperatures and curing times. Construction and Building Materials, 223 (2019) 377–393.
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