某隧道洞渣骨料堿活性評定及抑制技術(shù)

萬桂軍，穆松，謝德擎，張誠， 劉凱

(1.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

貴州某在建高速公路工程隧道占比40%以上，將產(chǎn)生數(shù)十萬噸洞渣，通常情況下，隧道洞渣經(jīng)過再加工處理，可以應(yīng)用在公路水穩(wěn)層、隧道明洞、仰拱回填等結(jié)構(gòu)部位中。 然而，第三方檢測機(jī)構(gòu)通過巖相分析發(fā)現(xiàn)該工程隧道洞渣存在潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。 該工程目前只能從周邊采購無堿-硅酸活性的優(yōu)質(zhì)骨料，大量洞渣露天堆積造成環(huán)境污染與資源浪費，遠(yuǎn)距離運輸導(dǎo)致成本增大、同時對途經(jīng)道路造成較大破壞。

選用砂漿棒快速法開展實驗， 評定該工程隧道洞渣骨料的堿-硅酸活性等級并研究對應(yīng)的抑制技術(shù)，在抑制技術(shù)方面，研究單摻粉煤灰以及共同使用粉煤灰與納米防腐劑的效果。

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用P·I 42.5 硅酸鹽水泥（基準(zhǔn)水泥），比表 面 積 為347 m2/kg，3 d、28 d 抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為29.9 MPa、48.1 MPa；粉煤灰采用工程現(xiàn)場使用的II級粉煤灰，細(xì)度為18.5%，需水量比為98.6%，燒失量為8.0%。 水泥與粉煤灰的化學(xué)組成如表1 所示，由表1 可知，基準(zhǔn)水泥與粉煤灰的有效堿含量分別為0.446%與3.06%， 基準(zhǔn)水泥中有效堿含量小于0.6%，屬于低堿水泥。

表1 水泥與粉煤灰的化學(xué)組成

納米防腐劑（簡稱RMA）采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的一種高性能混凝土耐腐蝕外加劑。 細(xì)骨料采用該工程某隧道洞渣破碎制成的機(jī)制砂。 氫氧化鈉試劑為分析純。

1.2 配合比

本試驗共設(shè)計了六個配比，具體如表2 所示。

表2 試驗用配合比信息

1.3 試驗方法

1.3.1 骨料堿-硅酸反應(yīng)活性等級與堿-硅酸反應(yīng)抑制有效性試驗

使用砂漿棒快速法測試骨料堿-硅酸反應(yīng)活性等級與評價抑制堿-硅酸反應(yīng)有效性，步驟如下：①按照表2 中所示配比拌和砂漿，裝入兩端埋有銅頭的砂漿棒試模，砂漿棒尺寸為25 mm×25 mm×280 mm；②養(yǎng)護(hù)（24±2） h 后脫模，立即測量試件的初始長度，作為測讀基準(zhǔn)長度的參照值， 之后將試件浸泡在（80±2） ℃的恒溫水浴箱中24 h；③從80 ℃水浴箱中取出試件，測量其基準(zhǔn)長度，之后將試件浸沒于1 mol/L NaOH 溶液的養(yǎng)護(hù)箱中， 并保持溶液溫度為（80±2） ℃；④自基準(zhǔn)長度測試之日起，于第3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 分別測量砂漿棒的長度，并按式（1）計算試件的膨脹率：

式中：εt—試件在t 天齡期的膨脹率，%；Lt—試件t天齡期的長度，mm；L0—試件基準(zhǔn)長度，mm；△—膨脹測頭的長度，mm。

堿-硅酸反應(yīng)活性等級的判據(jù)為：若ε14＜0.1%，則骨料為非活性骨料；若0.1%≤ε14＜0.15%，則骨料為低活性堿-硅酸骨料；若0.15%≤ε14＜0.3%，則骨料為中活性堿-硅酸骨料；若ε14≥0.3%，則骨料為高活性堿-硅酸骨料。

抑制措施對集料堿-硅酸反應(yīng)抑制效果的判據(jù)為：當(dāng)ε28＜0.1%時，該抑制措施對集料堿-硅酸反應(yīng)抑制效果評定為有效；否則，無效。

1.3.2 孔溶液中堿金屬離子濃度測試

去除表2 配合比中的砂含量， 成型尺寸為（45±0.5）mm×（850～1 000）mm 的凈漿試塊， 在相對濕度＞95%、溫度為（20±2）℃條件下養(yǎng)護(hù)28 d，利用水泥材料孔溶液提取儀提取凈漿試塊中的孔溶液，最后利用ICP 等離子光譜儀測試孔溶液的鈉與鉀離子含量，并換算出有效堿含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 洞渣機(jī)制砂堿活性等級

圖1 顯示由該工程某隧道洞渣機(jī)制砂制成的砂漿棒，在80 ℃1mol/L NaOH 溶液中浸泡14 d 的膨脹率發(fā)展曲線，14 d 膨脹率為0.350%， 判定該隧道洞渣機(jī)制砂屬于高活性堿-硅酸骨料。 進(jìn)一步計算可知，0～7 d 與7～14 d 內(nèi)膨脹率增速均值分別為3.0×10-4/d 與2.0×10-4/d，后者降低了50%，由此可知基準(zhǔn)組早期膨脹率發(fā)展較快，后期發(fā)展過程放緩。

圖1 基準(zhǔn)組砂漿棒膨脹率的發(fā)展曲線

2.2 粉煤灰與納米防腐劑的抑制效果

圖2 顯示了基準(zhǔn)組及不同摻量粉煤灰 （10%、20%、30%）， 各組砂漿棒在80 ℃1mol/L NaOH 中的膨脹率發(fā)展過程，由圖2 可知：①當(dāng)粉煤灰摻量為10%與20%時，28 d 膨脹率分別為0.345%、0.162%，測試值大于0.1%，抑制骨料堿-硅酸反應(yīng)無效； ②當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，28 d 膨脹率為0.063%，測試值小于0.1%，抑制骨料堿-硅酸反應(yīng)有效，但保證率較低；③粉煤灰的摻量越大，砂漿棒28 d 的膨脹率越小， 提高粉煤灰摻量在一定程度上能抑制骨料堿-硅酸反應(yīng)。

圖2 基準(zhǔn)組及粉煤灰摻量對膨脹率的影響

圖3 則顯示摻30%粉煤灰、“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”對應(yīng)砂漿棒的膨脹率發(fā)展歷程，28 d 膨脹率分別0.063%、0.044%與0.018%。這三種技術(shù)均可有效抑制堿骨料反應(yīng)。相較于單摻30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA” 的28 d 膨脹率分別降低了30.2%與71.4%。 進(jìn)一步計算可知：摻30%粉煤灰、“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”時，砂漿棒在14~28 d 內(nèi)的膨脹率增速均值分別為0.39×10-4/d、0.25×10-4/d 與0.14×10-4/d；相較于單摻30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”砂漿棒在14~28 d 內(nèi)的膨脹率增速均值分別降低了36.0%與64.9%。 相較于單摻30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”抑制堿硅酸反應(yīng)的保證率更高。

圖3 納米防腐劑對膨脹率的影響

2.3 納米防腐劑的抑制機(jī)理分析

利用水泥材料孔溶液提取儀提取凈漿試塊中的孔溶液，采用荷載控制10 kN/s，設(shè)定最大荷載為1 000 kN。利用ICP 等離子光譜儀測試孔溶液的鈉與鉀離子含量，并換算出有效堿含量，結(jié)果如圖4所示。 由圖4 可知：①相較于基準(zhǔn)組，單摻30%粉煤灰時，孔溶液中有效堿含量可降低41.0%；②采用“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA” 時， 孔溶液中有效堿含量可降低58.3%與66.4%，降幅進(jìn)一步增大。 采用“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”可有效吸附固化混凝土中的堿金屬離子，使得孔溶液中有效堿含量降低，削弱堿硅酸反應(yīng)的速率，降低整體的膨脹幅度與開裂風(fēng)險。

圖4 孔溶液中有效堿含量

3 結(jié)論

（1）利用該工程隧道洞渣制備的砂漿棒在80 ℃1mol/L NaOH 溶液中浸泡14 d 的膨脹率為0.350%，試件表面出現(xiàn)大量白色膠體，具備典型的堿-硅酸反應(yīng)特征， 該洞渣機(jī)制砂為高活性堿-硅酸骨料。

（2）當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)30%時，抑制骨料堿-硅酸反應(yīng)方有效，但保證率較低；摻入10%的納米防腐劑可提升堿-硅酸反應(yīng)抑制效果， 相較于單摻30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”的保證率可提升約30%與70%。

（3）孔溶液分析結(jié)果顯示，采用“20%粉煤灰+10%RMA”與“30%粉煤灰+10%RMA”可有效吸附固化混凝土中的堿金屬離子，使得孔溶液中有效堿含量降低，削弱堿骨料反應(yīng)的速率，降低整體的膨脹幅度與開裂風(fēng)險。