水泥堿含量對(duì)堿-骨料反應(yīng)影響的試驗(yàn)研究

樊李浩,包想軍,賀晶晶,3,4,盧浩丹,陳書軍,陳雙蠻

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024;3.壩道工程醫(yī)院西北水電分院,西安 710065;4.西安市清潔能源數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065)

0 前 言

堿骨料反應(yīng)(Alkali-aggregate reaction,AAR)是指發(fā)生在混凝土中的活性骨料(固相)和孔隙溶液中的堿液(液相)發(fā)生的反應(yīng),堿-骨料反應(yīng)膨脹機(jī)理[1]的觀點(diǎn)可以歸納為兩種:膠凝材料腫脹壓假說和單元滲透壓假說。后經(jīng)驗(yàn)證,絕大多數(shù)凝膠的膨脹量和膨脹力很小,對(duì)堿骨料反應(yīng)的影響有限;通過人為設(shè)置半滲膜進(jìn)行骨料的堿-硅酸反應(yīng),發(fā)現(xiàn)反應(yīng)液相產(chǎn)物在其周圍形成含鈣凝膠后,形成封閉的滲透單元而產(chǎn)生的滲透壓,最終導(dǎo)致無定形SiO2礦物不斷溶出與堿液反應(yīng),生成具有膨脹效應(yīng)的產(chǎn)物,其膨脹量與膨脹力均較大[2]。混凝土中的堿含量主要來源于水泥、礦物摻和料、化學(xué)外加劑及外部環(huán)境中[3],這些材料在遇到水時(shí)釋放的堿性成分(Na2O+K2O)與骨料中堿活性礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[4-5],反應(yīng)產(chǎn)物體積膨脹而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中,誘發(fā)混凝土膨脹或開裂,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能、耐久性能降低[6-7]?；炷恋腁AR破壞通常會(huì)加劇鋼筋銹蝕、混凝土鹽蝕、混凝土碳化等,給混凝土建筑物安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的威脅[8-9]?？梢?研究混凝土堿活性危害性對(duì)工程質(zhì)量控制、運(yùn)營管理具有重要意義。

自1940年Stanton[10]發(fā)現(xiàn)混凝土堿-集料反應(yīng)的危害現(xiàn)象以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)骨料堿活性檢驗(yàn)以及堿骨料反應(yīng)措施有效性[11-13]展開了大量試驗(yàn)研究,形成了系列標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)規(guī)則。目前,主要試驗(yàn)方法包括巖相法、化學(xué)法、砂漿棒快速法、砂漿長度法、巖石柱體法和混凝土棱柱體法[14],各種方法均有一定的適用范圍,且有相應(yīng)的評(píng)價(jià)規(guī)則。對(duì)于大多數(shù)工程而言,砂漿長度法、巖石柱體法和混凝土棱柱體法的試驗(yàn)周期從3個(gè)月到1 a時(shí)間不等,試驗(yàn)周期較長,而巖相法的檢測(cè)結(jié)果受取樣代表性、試驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)、難以定量分析等多種因素影響,試驗(yàn)準(zhǔn)確性不高,且一般只做堿活性類型判斷,需要進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)長試驗(yàn)以驗(yàn)證。因此,以上這幾種試驗(yàn)方法在使用時(shí)存在較大的限制條件。

砂漿棒快速法因其鑒定硅質(zhì)骨料與工程數(shù)據(jù)有很好的一致性而被認(rèn)為是最精確、可靠的檢驗(yàn)方法[15],一般28 d便可獲得試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)周期短。然而,目前大多的試驗(yàn)是針對(duì)常規(guī)的單一水泥展開的,對(duì)此,不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥的要求不同,如:GB/T 14684-2022《建設(shè)用砂》[16]、GB/T 14685-2022《建設(shè)用卵石、碎石》[17]對(duì)試驗(yàn)用水泥提出了相關(guān)的要求,即:采用符合規(guī)定的硅酸鹽水泥,水泥中不得有結(jié)塊,并在保質(zhì)期內(nèi);而JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]對(duì)試驗(yàn)用水泥的要求為“水泥采用符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 175-2020《通用硅酸鹽水泥》要求的普通硅酸鹽水泥”;DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》[19]對(duì)試驗(yàn)用水泥的要求為“使用硅酸鹽水泥,按GB/T 750《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》檢驗(yàn),該水泥壓蒸膨脹率應(yīng)小于0.20%。水泥的堿含量為0.9%±0.1%,低于此值可摻濃度10%的NaOH溶液,使水泥的堿含量達(dá)到0.9%±0.1%”;SL/T 352-2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[20]對(duì)試驗(yàn)用水泥的要求為“水泥應(yīng)采使用硅酸鹽水泥或基準(zhǔn)水泥,用GB/T 750《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》檢測(cè),水泥壓蒸膨脹率應(yīng)小于0.20%,水泥堿含量應(yīng)為0.9%±0.1%(以Na2O計(jì),即Na2O+0.658 K2O),當(dāng)水泥堿含量較低時(shí),可外加NaOH調(diào)整”,與DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》中要求基本一致。以上5個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中,有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水泥品種為硅酸鹽水泥,有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水泥品種為硅酸鹽水泥或基準(zhǔn)水泥,有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的水泥品種為普通硅酸鹽水泥;有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥的堿含量不做要求,有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求水泥的堿含量為0.9%±0.1%?？梢?不同標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)骨料堿活性試驗(yàn)所需水泥有不同的要求,但針對(duì)不同水泥品種、不同水泥堿含量開展的比對(duì)影響性試驗(yàn)較少,給工程用水泥及判別對(duì)骨料堿活性影響帶來了一定困惑。

為此,本文將針對(duì)不同堿含量的3種水泥,分別與活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料展開快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)研究,分析不同堿含量的水泥在不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)骨料堿活性的影響規(guī)律,討論非活性骨料與疑似活性骨料發(fā)生堿-骨料反應(yīng)危害的堿含量條件,為工程用水泥的選擇及堿活性試驗(yàn)堿含量控制提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用撫順澳賽爾科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·I 42.5硅酸鹽水泥、西藏開投海通水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥、四川嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥。骨料采用西藏江達(dá)鄉(xiāng)達(dá)榮天然砂、西藏江達(dá)鄉(xiāng)索否溝人工砂和四川金川縣人工砂。水泥化學(xué)成分見表1,骨料礦物成分及前期堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 水泥化學(xué)成分表

表2 骨料礦物成分表

1.2 試驗(yàn)方案

采用不同堿含量的3種水泥(澳賽爾(A)、海通(H)、嘉華(J))以及3種不同活性狀態(tài)的骨料(達(dá)榮天然砂(D)、索否溝人工砂(S)、金川砂石系統(tǒng)人工砂(J))進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng)比對(duì)試驗(yàn)。

將3種水泥的堿含量分別在不調(diào)整堿含量的狀態(tài)以及調(diào)整堿含量到1.0%的狀態(tài)下與3種骨料進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn),分析不同堿含量的水泥在不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)骨料堿活性的影響規(guī)律;同時(shí)將(澳賽爾(A))水泥堿含量調(diào)整至1.2%、1.5%、2.0%的狀態(tài)下與非活性骨料(達(dá)榮天然砂(D))、疑似活性骨料(索否溝人工砂(S))進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn),分析超量液相堿下對(duì)骨料堿活性的影響規(guī)律。試驗(yàn)方案見表3。

表3 試驗(yàn)方案

依據(jù)表3方案,采用砂漿棒快速法展開堿活性試驗(yàn),檢測(cè)儀器采用外徑千分尺,具有足夠的精度進(jìn)行長度測(cè)量,見圖1。膨脹率計(jì)算按式(1),精確至0.001%。

圖1 外徑千分尺測(cè)長儀器

(1)

式中:∑t為試件t齡期的膨脹率,%;Lt為試件t齡期的長度,mm;L0為試件基準(zhǔn)長度,mm;V為測(cè)頭長度,mm。以每組試件測(cè)值平均值作為該組膨脹率。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:當(dāng)14 d膨脹率小于0.1%時(shí),在大多數(shù)情況下可以判定為無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害;當(dāng)14 d膨脹率大于0.2%時(shí),可以判定為有潛在堿-硅酸反應(yīng)危害;當(dāng)14 d膨脹率在0.1%～0.2%時(shí),不能最終判定有潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堿骨料反應(yīng)的影響分析

兩類標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于是否調(diào)整水泥初始?jí)A含量,將無需調(diào)整水泥初始?jí)A含量值稱為標(biāo)準(zhǔn)①;需要調(diào)整水泥初始?jí)A含量值的稱為標(biāo)準(zhǔn)②,即將初始?jí)A含量調(diào)整為某一值后,再展開試驗(yàn)研究。依據(jù)表3試驗(yàn)方案開展試驗(yàn)研究,表4給出了不同品種水泥與3種骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果。

表4 不同品種水泥與不同種類骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于達(dá)榮天然砂,按照標(biāo)準(zhǔn)①進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.049%、0.042%、0.046%,按照標(biāo)準(zhǔn)②進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.050%、0.044%、0.045%;試驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)榮天然砂為非活性骨料。這6組試驗(yàn)結(jié)果中最大值為0.050%,最小值為0.042%,平均值為0.046%,與平均值的最大差值為平均值的8.7%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.003,變異系數(shù)為0.066。

對(duì)于索否溝人工砂,按照標(biāo)準(zhǔn)①進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.178%、0.183%、0.160%,按照標(biāo)準(zhǔn)②進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.183%、0.18%、0.164%;試驗(yàn)結(jié)果表明索否溝人工砂為疑似活性骨料。這6組試驗(yàn)結(jié)果中最大值為0.183%,最小值為0.160%,平均值為0.175%,與平均值的最大差值為平均值的8.6%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.010,變異系數(shù)為0.058。

對(duì)于金川人工砂,按照標(biāo)準(zhǔn)①進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.281%、0.273%、0.267%,按照標(biāo)準(zhǔn)②進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng),砂漿試件14 d膨脹率分別為0.293%、0.27%、0.272%;試驗(yàn)結(jié)果表明金川人工砂為有活性骨料。這6組試驗(yàn)結(jié)果中最大值為0.293%,最小值為0.267%,平均值為0.276%,與平均值的最大差值為平均值的6.2%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.010,變異系數(shù)為0.035。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合圖2～4可以看出,當(dāng)水泥堿含量不超過1.0%時(shí),在其他條件相同的情況下,不同堿含量水泥與3種骨料成型的砂漿棒試件各齡期的膨脹率較為接近,幾組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)較小,離散性較小,說明不同水泥品種及不同堿含量水泥對(duì)堿骨料反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果沒有明顯影響。這是由于當(dāng)混凝土/砂漿中的堿含量較少時(shí),骨料中的活性骨料能夠消耗掉參與反應(yīng)的堿。不僅如此,剩余的未完全參與反應(yīng)的活性骨料,其表面會(huì)出現(xiàn)坑洞或者分裂,從而使得骨料的比表面積增大,能夠吸附更多的OH-,致使分配給每個(gè)活性骨料顆粒的堿量減少,即n(Na2O)/n(SiO2)變小,堿-硅酸反應(yīng)的強(qiáng)度減弱,使溶解出來的SiO2減少,因此膨脹量無法達(dá)到極值。當(dāng)混凝土/砂漿的總堿含量保持不變時(shí),在水泥水化反應(yīng)過程中隨著膠凝材料CSH不斷生成,OH-的消耗量不斷增加,參與堿-硅酸反應(yīng)的OH-勢(shì)必減少,但SiO2的溶出量并不隨著OH-的消耗無限制地增長,這是因?yàn)镺H-不僅消耗在堿-硅酸反應(yīng)上,還有大量OH-被其他非活性顆粒吸附。大量OH-被吸附在顆粒表面將導(dǎo)致骨料內(nèi)外的滲透壓逐漸趨于平衡,活性骨料中的SiO2也不再溶出參與堿-硅酸反應(yīng),亦即只有部分的OH-參與了堿-硅酸反應(yīng)并且生成具有膨脹性的產(chǎn)物,這一現(xiàn)象與前文中堿-骨料反應(yīng)膨脹機(jī)理的觀點(diǎn)相一致。

圖2 達(dá)榮天然砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 索否溝人工砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4 金川人工砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)以上分析可知:

(1) 骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)中砂漿棒的膨脹率并未因?yàn)樗嗥贩N的不同而產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性變化,即不同品種的水泥對(duì)骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果沒有實(shí)質(zhì)影響。

(2) 不摻堿水泥與外加NaOH溶液調(diào)整水泥堿含量至1.0%的骨料快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致,因此當(dāng)水泥堿含量不超過1.0%時(shí),對(duì)骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。

2.2 超量液相堿含量對(duì)骨料堿反應(yīng)的影響分析

結(jié)合2.1節(jié)的研究結(jié)果,針對(duì)澳賽爾水泥展開超量液相堿含量對(duì)非活性骨料、疑似活性骨料的堿骨料反應(yīng)試驗(yàn),表5給出了不同齡期的砂漿棒膨脹率測(cè)試結(jié)果。

表5 堿含量調(diào)整后,不同骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

由表5知,當(dāng)超量液相堿含量超過1.0%時(shí),加速了骨料中的活性成分與堿的反應(yīng),砂漿棒試件的膨脹率與液相堿含量超量值呈遞增關(guān)系,且隨液相堿含量的增加,該遞增關(guān)系越發(fā)明顯。圖5給出了不同液相堿含量對(duì)達(dá)榮天然砂砂漿棒膨脹率的影響規(guī)律;索否溝人工砂砂漿棒膨脹率也有類似的結(jié)果,如圖6所示。對(duì)于非活性骨料,當(dāng)液相堿含量超過2.0%時(shí),會(huì)產(chǎn)生堿-硅酸反應(yīng)危害。對(duì)于疑似活性骨料,當(dāng)水泥堿含量超過1.2%時(shí),會(huì)產(chǎn)生堿-硅酸反應(yīng)危害。

圖5 達(dá)榮天然砂不同齡期砂漿棒膨脹率

圖6 索否溝人工砂不同齡期砂漿棒膨脹率

這是因?yàn)榛炷?砂漿中的堿含量一部分參與了水化反應(yīng)生成膠凝材料,一部分被吸附在顆粒表面,剩余大量的OH-存在于混凝土/砂漿內(nèi)部,這些OH-參與了堿-硅酸反應(yīng)后仍有剩余,形成的滲透壓依然存在,導(dǎo)致骨料中的活性成分一直進(jìn)行反應(yīng),最終導(dǎo)致生成的膨脹性產(chǎn)物不斷增多,從而引起膨脹,這也就解釋了疑似活性骨料在提高液相堿含量后砂漿棒膨脹率大幅上升直至出現(xiàn)明顯的堿骨料反應(yīng)危害;而非活性骨料并非不存在任何活性成分,而是在一般件環(huán)境下無法表現(xiàn)出明顯的膨脹現(xiàn)象,但是由于液相堿含量的提高,少量的活性成分在滲透壓的作用下不斷與堿反應(yīng),直至完全消耗掉。此時(shí),如果非活性骨料中的活性成分達(dá)到一定數(shù)量,即產(chǎn)生的膨脹性產(chǎn)物達(dá)到一定數(shù)量也會(huì)引起較為明顯的堿-硅酸反應(yīng)。值得注意的是,即使非活性成分在滲透壓作用下,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生膨脹,所以對(duì)于非活性骨料而言,在同時(shí)具備一定量活性成分和大量液相堿的條件下也能夠出現(xiàn)明顯的堿骨料反應(yīng)危害。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)水泥堿含量不超過1.0%時(shí),水泥品種對(duì)骨料快速堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì),即對(duì)于活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料,水泥堿含量是否進(jìn)行調(diào)整對(duì)結(jié)果影響不大。同時(shí)也驗(yàn)證了不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于骨料堿活性的檢測(cè)方法均具有很好的適用性。

(2) 當(dāng)快速法砂漿棒試件中的液相堿含量超過1.0%時(shí),過量的堿對(duì)快速堿-硅酸反應(yīng)具有加速作用,即除去正常水化反應(yīng)及顆粒表面吸附的OH-外,還剩余足夠的堿與骨料中的活性成分繼續(xù)反應(yīng),最終導(dǎo)致生成足夠的膨脹性產(chǎn)物,從而引起試件繼續(xù)膨脹。本次試驗(yàn)中,當(dāng)水泥堿含量超過2.0%時(shí),無潛在活性骨料會(huì)產(chǎn)生堿-硅酸反應(yīng)危害;當(dāng)水泥堿含量超過1.2%時(shí),疑似活性骨料會(huì)產(chǎn)生堿-硅酸反應(yīng)危害。

(3) 混凝土或砂漿中存在過量液相堿含量會(huì)引起非活性骨料或疑似活性骨料發(fā)生堿-硅酸反應(yīng)危害反應(yīng),因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)注意控制混凝土或砂漿的總堿含量,在工程施工時(shí),應(yīng)該注意能夠引起混凝土或砂漿堿含量增大的環(huán)境因素或材料因素等。