堿硅酸反應(yīng)對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響

陳 達(dá)，楊一琛，馮興國，歐陽峰

（河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

堿骨料反應(yīng)是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一，在各種堿骨料反應(yīng)中，堿硅酸反應(yīng)（ASR）是最為普遍的類型［1］，因而近年來出現(xiàn)了大量關(guān)于堿硅酸反應(yīng)的報(bào)道。劉晨霞等［2］在研究溫度對(duì)堿硅酸反應(yīng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹率與堿硅酸反應(yīng)時(shí)間之間存在雙曲線關(guān)系，且隨著溫度的升高試樣的膨脹速率明顯增加，但其對(duì)最終膨脹量無明顯影響。Lu等［3］研究了不同種類的堿液對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的影響，結(jié)果表明在相同的堿濃度下，NaOH溶液中混凝土試樣的硅酸反應(yīng)最強(qiáng)烈，KOH溶液次之，LiOH溶液中的混凝土試樣的堿硅酸反應(yīng)最弱。此外，研究表明在LiOH溶液中，骨料周圍生成的低膨脹性含Li反應(yīng)產(chǎn)物可以阻礙堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，因而LiOH有抑制混凝土中堿硅酸反應(yīng)的作用。Théodore等［4］研究了Al離子對(duì)混凝土堿硅酸反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)Al離子吸附在SiO2表面可降低其溶解速率，因而可對(duì)堿硅酸反應(yīng)起到抑制作用。Cyrille等［5］研究了骨料粒徑對(duì)堿硅酸反應(yīng)引起的膨脹率的影響，結(jié)果表明經(jīng)堿硅酸反應(yīng)后，骨料粒徑在4～8mm的混凝土試樣的膨脹率最大，其次是骨料粒徑在8～16mm的混凝土試樣。此外還發(fā)現(xiàn)混凝土的膨脹率在堿硅酸反應(yīng)早期由骨料的破裂方式?jīng)Q定，而后期的膨脹率由漿體相的破裂方式?jīng)Q定。Smaoui等［6］研究了NaOH對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)添加較多NaOH的混凝土更容易形成多孔洞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。近年來，出現(xiàn)了一些用粉煤灰等礦物添加劑抑制混凝土堿硅酸反應(yīng)的報(bào)道［7－9］。李北星等［7］研究了粉煤灰對(duì)混凝土堿硅酸反應(yīng)的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)粉煤灰在消耗水泥漿體中Ca（OH）2的同時(shí)，反應(yīng)生成的堿硅鋁凝膠不具有膨脹性，因而可有效抑制堿硅酸反應(yīng)。此外，也有學(xué)者［8］認(rèn)為粉煤灰對(duì)水泥漿體中的堿有物理稀釋作用，粉煤灰中酸性顆粒對(duì)Na＋、K＋和OH－的吸附、滯留等多重作用，能夠有效抑制堿硅酸反應(yīng)。Aydin［9］等研究了研磨過程對(duì)含粉煤灰的混凝土試樣力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加研磨后的粉煤灰的混凝土試樣其力學(xué)性能將得到顯著改善。

工程結(jié)構(gòu)中的混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，材料往往承受三向應(yīng)力。研究表明［10－12］水泥基材料的力學(xué)特征與圍壓狀態(tài)相關(guān)，隨著圍壓的增加，塑性應(yīng)變成為材料最主要的力學(xué)特征。為了更好了解水泥基材料，掌握其在多向應(yīng)力下尤其是三軸圍壓下的力學(xué)特性具有重要意義。然而，目前關(guān)于堿硅酸反應(yīng)的研究多數(shù)集中在反應(yīng)機(jī)理以及抑制堿硅酸反應(yīng)等方面［1－8］，而關(guān)于堿硅酸反應(yīng)后水泥基材料的力學(xué)性能［9，13－14］的研究較少，尤其是堿硅酸反應(yīng)對(duì)水泥基材料的三軸抗壓性能方面的影響則鮮有報(bào)道。本文以活性不同的砂制備的砂漿為試驗(yàn)材料，研究了堿硅酸反應(yīng)對(duì)其三軸抗壓性能的影響，并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)的演變討論了堿硅酸反應(yīng)引起水泥基材料力學(xué)性能變化的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用活性不同的兩種砂樣制備砂漿試樣，一種由石灰?guī)r組成，對(duì)堿反應(yīng)不敏感，即堿惰性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為NR試樣；另一種由硅質(zhì)灰?guī)r組成，對(duì)堿反應(yīng)呈潛在活性，即堿活性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為R試樣。制備砂漿試樣前，兩種砂進(jìn)行粉碎、篩分、沖洗去除極細(xì)顆粒和干燥處理，且選取25% （V.%）細(xì)砂（粒徑0.08～0.16mm）、50%中砂（粒徑0.63～1.25mm）和25% 粗砂（粒徑2.5～4mm）。本文以高堿水泥（堿含量（Na2Oeq）1.11%）、去離子水和篩選的砂按照一定比例攪拌制備砂漿試。水膠比對(duì)水泥基材料的性能有明顯的影響［15－16］，周述光等［15］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.3～0.5的范圍內(nèi)，各砂漿試樣在經(jīng)過堿硅酸反應(yīng)后的膨脹率雖有一定的差異，但不同水膠比試樣膨脹率的演變規(guī)律卻相似。因此，為突出堿硅酸反應(yīng)與水泥基材料力學(xué)性能劣化間的關(guān)聯(lián)，將灰砂比和水灰比分別設(shè)定為1∶3和1∶2以制備砂漿試樣，即各種材料含量為：砂1613.4kg／m3，水泥537.8kg／m3，去離子水268.9kg／m3。關(guān)于水膠比對(duì)堿硅酸反應(yīng)后水泥基材料力學(xué)性能的影響，將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究。為加速砂漿中的堿硅酸反應(yīng)，制作砂漿試樣時(shí)以11.7kg／m3的比例加入NaOH顆粒以增加砂漿的堿性。

兩種砂漿均制備了一系列的40mm×40mm×160mm棱柱體試樣和φ36mm×72mm圓柱體試樣。其中棱柱體試樣用于膨脹率測(cè)定；圓柱體試樣用于三軸抗壓測(cè)試，每個(gè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)試樣的平均值。所有砂漿試樣在澆注后以塑料薄膜覆蓋表面養(yǎng)護(hù)3d后拆模，然后將拆模后的試樣放入防水袋中室溫養(yǎng)護(hù)至28d。此后，將部分砂漿試樣放入溫度為60°C、相對(duì)濕度為95%的恒溫箱中進(jìn)行加速堿骨料反應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以養(yǎng)護(hù)28d的棱柱體砂漿試樣長度為基準(zhǔn)，每隔6d測(cè)量試樣的長 度，根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352－2006）中的砂漿干縮（濕脹）試驗(yàn)的規(guī)程計(jì)算砂漿試樣的膨脹率。

以TOP INDUSTRIE水泥基材料三軸流變儀分別在圍壓為0、5和15MPa條件下對(duì)圓柱體砂漿試樣進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)。以位移控制模式進(jìn)行軸向加載，軸向壓縮位移速率為2μm／s。試驗(yàn)通過加載－卸載－加載的循環(huán)方式評(píng)估試樣在加載過程中彈性模量的變化。需要說明的是由于設(shè)備徑向變形測(cè)量環(huán)的特殊性，圍壓為0時(shí)無法進(jìn)行徑向變形測(cè)量。以JSM－6490A掃描電子顯微鏡對(duì)堿骨料反應(yīng)前后的砂漿試樣進(jìn)行微觀形貌觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堿硅酸反應(yīng)對(duì)膨脹變形的影響

從圖1中2種砂漿試樣的膨脹率隨著時(shí)間的變化曲線可以看出，由堿惰性砂制備的NR砂漿試樣的膨脹率在整個(gè)堿硅酸反應(yīng)過程中維持在一個(gè)較低的水平，始終保持在0.02%左右。而由堿活性砂制備的R砂漿試樣的膨脹率在開始的20d內(nèi)幾乎呈線性增長；隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，在隨后的一段時(shí)間內(nèi)R砂漿試樣的膨脹率仍有所增加，但增加速率明顯降低；在反應(yīng)50d后，R砂漿試樣的膨脹率趨于穩(wěn)定，保持在0.4%左右。Dunant［5］等也曾報(bào)道過混凝土的膨脹速率隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行而降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)槌跗诘膲A硅酸反應(yīng)速度較快，因而膨脹率迅速增加；隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，其生成的反應(yīng)產(chǎn)物一定程度上阻礙了骨料的進(jìn)一步溶解［3］，降低了堿硅酸反應(yīng)速率，使得水泥基材料的膨脹速率降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 砂漿試樣的膨脹率隨著堿骨料反應(yīng)時(shí)間的變化

2.2 堿硅酸反應(yīng)對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的砂漿試樣和放入恒溫箱中進(jìn)行100d堿硅酸反應(yīng)的2種砂漿試樣分別在0、5和15 MPa的圍壓下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。各砂漿試樣在不同圍壓情況下的偏應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2 堿硅酸反應(yīng)前后的2種砂漿在不同圍壓下的壓縮試驗(yàn)偏應(yīng)力應(yīng)變變化曲線

圖3是2種砂漿試樣在堿硅酸反應(yīng)前后其峰值強(qiáng)度隨著圍壓的變化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)各砂漿試樣的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增加而明顯提高。此外，在圍壓為0、5、15MPa下，堿硅酸反應(yīng)后R砂漿試樣的峰值強(qiáng)度比反應(yīng)前分別增加了13、20和19MPa；而相同圍壓下堿硅酸反應(yīng)后NR砂漿試樣的峰值強(qiáng)度僅比反應(yīng)前的分別增加了2、5和3MPa，可見堿硅酸反應(yīng)后R砂漿試樣的峰值強(qiáng)度增加比NR試樣顯著。在自由狀態(tài)下，由于堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)物填充到砂漿內(nèi)部的孔隙中增加了砂漿致密度［14，18］，因而砂漿試樣的峰值強(qiáng)度隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行而有所增加。本文中由于R砂漿試樣的堿硅酸反應(yīng)比NR砂漿更加劇烈，其生成更多的反應(yīng)產(chǎn)物使R砂漿更加致密，因而其峰值強(qiáng)度增加更加明顯。因此，極限抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)堿硅酸反應(yīng)的重要參量，即相同圍壓下堿硅酸反應(yīng)越強(qiáng)烈，其極限抗壓強(qiáng)度增加越明顯。

圖3 2種砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)前后偏應(yīng)力強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線

圖4是堿硅酸反應(yīng)前后的砂漿試樣在50MPa偏應(yīng)力和在不同圍壓下的軸向應(yīng)變量（ε1）的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓從5MPa提高到15 MPa時(shí)，各試樣的應(yīng)變量都有明顯增加，表明隨著圍壓的增加，砂漿試樣存在明顯的軟化現(xiàn)象。同時(shí)，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)同堿硅酸反應(yīng)前相比，堿硅酸反應(yīng)后砂漿試樣在相同偏應(yīng)力下的應(yīng)變量明顯降低，且堿硅酸反應(yīng)更加強(qiáng)烈的R砂漿試樣的應(yīng)變量降低更加明顯。因?yàn)閴A硅酸反應(yīng)的產(chǎn)物增加材料的致密性［14］，進(jìn)而弱化了水泥基材料在三軸抗壓試驗(yàn)中的軟化。因此，三軸抗壓測(cè)試中的應(yīng)變量（ε1）也可以作為評(píng)價(jià)堿硅酸反應(yīng)的參量。

圖4 不同圍壓下50MPa偏應(yīng)力作用下主應(yīng)變的變化

圖5是各種砂漿試樣在加載過程中彈性模量比（E／E0，加載過程中的彈性模量E和初始彈性模量E0之比）隨著相對(duì)應(yīng)力（f／fc，加載過程中的應(yīng)力和應(yīng)力峰值之比）的變化曲線。從圖5可以看出，不同圍壓作用下，在初始階段各砂漿試樣的E／E0都隨著相對(duì)應(yīng)力的增加而增加；當(dāng)彈性模量比增加到一定程度后隨著相對(duì)應(yīng)力的增加反而降低。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增加，彈性模量比E／E0逐漸降低，即再次印證了隨著圍壓的增加水泥基材料有明顯的軟化趨勢(shì)。此外，相同的相對(duì)應(yīng)力下，堿硅酸反應(yīng)后的砂漿試樣的E／E0比堿硅酸反應(yīng)前的高，這與堿硅酸反應(yīng)的產(chǎn)物增加砂漿的致密度密切相關(guān)。

圖5 砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)前后在不同圍壓下E／E0與相對(duì)應(yīng)力f／fc的關(guān)系曲線

2.3 堿硅酸反應(yīng)對(duì)砂漿微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6和圖7是2種砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)前后的微觀結(jié)構(gòu)。堿硅酸反應(yīng)前的2種砂漿試樣的表面形貌（圖6（a）、（b））無明顯區(qū)別。但從內(nèi)部結(jié)構(gòu) （圖6（c）、（d））的對(duì)比可以看出，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)28d后，2種砂漿試樣的微觀結(jié)構(gòu)已有明顯區(qū)別，由堿惰性砂制備的NR砂漿試樣中除水泥漿體外，無明顯的凝膠相生成；而由堿活性砂制備的R砂漿試樣內(nèi)生成了相當(dāng)數(shù)量的針狀凝膠相，說明在28d的養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，R砂漿試樣發(fā)生了一定程度的堿硅酸反應(yīng)。Lu等［3］也曾報(bào)道在KOH溶液中堿硅酸反應(yīng)后的混凝土中觀察到這種針狀凝膠相，且發(fā)現(xiàn)這種針狀凝膠相通常存在于骨料周圍的孔隙中，因而增強(qiáng)混凝土的致密度。

圖6 2種砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)前的微觀結(jié)構(gòu)

在恒溫箱中堿硅酸反應(yīng)100d后，2種砂漿試樣的微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生了明顯的變化。從表面看（圖7（a）、（b）），堿硅酸反應(yīng)后的砂漿試樣中都出現(xiàn)了明顯的裂紋。對(duì)比觀察可以發(fā)現(xiàn)，堿活性砂制備的R砂漿試樣（圖7（b））的裂紋明顯比NR砂漿試樣（圖7（a））多，且前者的裂紋的寬度也明顯大于后者。觀察砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，堿硅酸反應(yīng)后NR砂漿中（圖7（c））也生成了少量凝膠相。而堿硅酸反應(yīng)后的R砂漿試樣中形成了大量的凝膠相，尤其是在孔隙處，形成了大量針狀凝膠層（圖7（d）），這也印證了Lu等［3］的報(bào)道，即針狀凝膠相通常填充在骨料周圍的孔隙中。此外，進(jìn)一步觀察堿硅酸反應(yīng)后的NR砂漿（圖7（a））和R砂漿（圖7（b））的微裂紋可以發(fā)現(xiàn)，微裂紋多數(shù)沿著骨料的邊界形成，這同Lu等［3］和Giaccio等［13］所觀察到的堿硅酸反應(yīng)后水泥基材料中裂紋分布形態(tài)相一致，即在骨料周圍形成環(huán)狀反應(yīng)帶，反應(yīng)生成的凝膠相填充到骨料周圍的孔隙中，隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，大量凝膠相的生成導(dǎo)致體積膨脹加劇，進(jìn)而在骨料周圍首先形成裂紋。

2.4 堿硅酸反應(yīng)中微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)力學(xué)性能的影響

圖7 2種砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)后的微觀結(jié)構(gòu)

從砂漿試樣堿硅酸反應(yīng)前后的微觀結(jié)構(gòu)可以得知，反應(yīng)生成的針狀凝膠相通常填充到骨料周圍的孔隙中，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行其產(chǎn)物的體積膨脹加劇，使強(qiáng)度增高的同時(shí)在已硬化的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)形成較大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致骨料周邊裂紋的形成。堿惰性砂在堿硅酸反應(yīng)的過程中，由于堿硅酸反應(yīng)速率緩慢且反應(yīng)產(chǎn)物較少，因而由堿硅酸反應(yīng)引起的膨脹有限。而在堿活性砂制備的砂漿試樣中，骨料周圍的環(huán)狀反應(yīng)帶中生成大量凝膠相，因而骨料周圍有大量微裂紋生成，進(jìn)而顯著影響其力學(xué)性能。

由于堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)物通常填充到骨料周圍的孔隙中，一定程度上增加水泥基材料的致密度［13，16］，因而其在三軸抗壓測(cè)試中的抗壓強(qiáng)度比未經(jīng)堿硅酸反應(yīng)的水泥基材料高，且圍壓越高其抗壓強(qiáng)度增加越明顯。此外，三軸抗壓測(cè)試中，材料隨著圍壓的增加有軟化的趨勢(shì)，而堿硅酸反應(yīng)會(huì)顯著降低材料的軟化，使材料在相應(yīng)偏應(yīng)力作用下的應(yīng)變量降低。因此，除膨脹率外，極限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變量（ε1）也可以作為評(píng)價(jià)堿硅酸反應(yīng)水平的參量。

3 結(jié)論

1）由活性砂制備的R砂漿試樣的膨脹率在開始的一段時(shí)間內(nèi)隨著堿硅酸反應(yīng)時(shí)間呈線性增加，然后膨脹率增加速率降低，最終維持在0.4%左右；而惰性砂制備的砂漿試樣的膨脹率始終維持在0.02%左右。

2）同堿硅酸反應(yīng)前的砂漿試樣相比，堿硅酸反應(yīng)使得抗壓強(qiáng)度明顯增加，但試樣在相同偏應(yīng)力下的應(yīng)變量卻明顯降低。這是由于堿硅酸反應(yīng)生成的凝膠相一定程度增加了砂漿的致密性，減弱了三軸抗壓測(cè)試中砂漿試樣的軟化趨勢(shì)。因此，除膨脹率外，應(yīng)變量和抗壓強(qiáng)度均可作為評(píng)價(jià)水泥基材料堿硅酸反應(yīng)的指標(biāo)。

3）微觀分析發(fā)現(xiàn)，堿活性砂制備的砂漿試樣中易形成大量針狀凝膠層，隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，凝膠相的膨脹加劇，進(jìn)而在骨料周圍的水泥漿體中形成大量裂紋，顯著影響砂漿的力學(xué)性能。堿惰性砂制備的砂漿試樣中只在局部區(qū)域形成少量針狀凝膠相，因而堿硅酸反應(yīng)對(duì)砂漿的力學(xué)性能影響相對(duì)較小。

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