SEM測(cè)試技術(shù)在全級(jí)配混凝土長(zhǎng)齡期堿活性試驗(yàn)研究中的應(yīng)用

邵曉妹，李 珍，韓 煒

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.長(zhǎng)江工程技術(shù)公司;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

從20世紀(jì)40年代初發(fā)現(xiàn)堿－骨料反應(yīng)問(wèn)題開(kāi)始，骨料堿活性試驗(yàn)研究一直受到工程界高度重視。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)建設(shè)了許多混凝土高壩，在這些工程中是否存在堿－活性骨料反應(yīng)破壞，一直為人們所關(guān)注。

根據(jù)20世紀(jì)80年代中期對(duì)全國(guó)已建的32座高壩和40余座水閘的混凝土耐久性和老化病害狀態(tài)進(jìn)行的調(diào)查，總結(jié)了影響水工混凝土耐久性的6類(lèi)主要病害形式，即裂縫、滲漏、凍融破壞、沖磨空蝕、水質(zhì)侵蝕和碳化以及鋼筋銹蝕破壞，調(diào)查中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于堿－活性骨料反應(yīng)引起工程破壞的實(shí)例。究其原因，主要是由于國(guó)內(nèi)對(duì)防止水工混凝土由于堿－活性骨料反應(yīng)而引起混凝土劣化問(wèn)題重視較早。由此可見(jiàn)，水利水電工程建設(shè)一直高度重視混凝土堿－骨料反應(yīng)問(wèn)題［1］。對(duì)所建工程，尤其是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)工程，從地質(zhì)勘探、料場(chǎng)選擇時(shí)就要求進(jìn)行骨料的堿活性檢測(cè)，目前已形成了一套系統(tǒng)的、具有可行性的混凝土堿－活性骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)估體系，同時(shí)根據(jù)大量的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了對(duì)骨料堿活性行之有效的判定方法，并嘗試對(duì)新的試驗(yàn)方法進(jìn)行了探索性的研究。受區(qū)域地質(zhì)條件的限制，某些工程不得不使用活性骨料，并采取相應(yīng)的抑制措施，因此，如何評(píng)價(jià)混凝土堿－骨料反應(yīng)抑制措施的效果，是研究者必須面對(duì)的一個(gè)課題。

近年來(lái)，隨著掃描電子顯微鏡(SEM—scanning electron microscope)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始借助SEM對(duì)混凝土中的堿骨料反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀測(cè)，同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)物特征細(xì)觀分析。SEM測(cè)試手段在混凝土堿骨料反應(yīng)及其膨脹機(jī)理的研究運(yùn)用中，對(duì)進(jìn)一步了解堿骨料反應(yīng)產(chǎn)物、混凝土遭受堿硅反應(yīng)劣化機(jī)理及膨脹源萌生過(guò)程的研究具有十分重要的意義。

本文在國(guó)內(nèi)某大型水電站砂巖骨料堿活性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分考慮工程實(shí)際需要，開(kāi)展了全級(jí)配大體積混凝土堿骨料反應(yīng)長(zhǎng)齡期模擬試驗(yàn)，運(yùn)用SEM測(cè)試技術(shù)結(jié)合已有堿骨料反應(yīng)評(píng)估體系進(jìn)行了骨料堿活性抑制效果長(zhǎng)期有效性研究，以期從宏觀及微觀全面系統(tǒng)掌握實(shí)際工程混凝土膨脹劣化特性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥為峨嵋中熱42.5水泥;粉煤灰為宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰;骨料為某水電站用砂巖粗骨料和大理巖細(xì)骨料，其中砂巖骨料具有ASR反應(yīng)活性。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 砂巖SEM測(cè)試

對(duì)取自某水電站的砂巖骨料進(jìn)行SEM分析，具體步驟為:將巖石樣品加工成粒徑＜5 mm的顆粒，分別放入不銹鋼容器中，在試管中加入1 mol/L的NaOH溶液10 mL，擰緊蓋子，將容器置于80℃恒溫水浴中;養(yǎng)護(hù)至3 d和7 d齡期時(shí)將樣品顆粒取出，用無(wú)水乙醇沖洗后放入坩堝，將樣品烘干;樣品經(jīng)烘干后，采用日本電子的JSM－6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)。

2.2.2 全級(jí)配大體積混凝土長(zhǎng)齡期試件SEM測(cè)試

采用峨嵋中熱42.5水泥和宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，粉煤灰摻量為35%，2種骨料組合(砂巖粗骨料+砂巖人工砂、砂巖粗骨料+大理巖人工砂)，配合比選用實(shí)際工程配合比成型的混凝土試件。試件尺寸選用450 mm×450 mm×1 350 mm，養(yǎng)護(hù)條件分別為20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)與室外自然潮濕養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行混凝土膨脹率長(zhǎng)齡期觀測(cè)。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1，混凝土總堿量按實(shí)際工程配合比的總堿量控制。對(duì)取自20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與室外自然潮濕條件下的2種骨料組合(砂巖粗骨料+砂巖人工砂、砂巖粗骨料+大理巖人工砂)的全級(jí)配混凝土試件［2－3］，在盡量減少破碎振動(dòng)的前提下，取具有相對(duì)平整且完好骨料及水泥石界面的試塊表面鍍金，抽真空備用進(jìn)行SEM 測(cè)試［4］。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 砂巖SEM分析

對(duì)砂巖原巖及堿溶液浸泡后的砂巖進(jìn)行了SEM測(cè)試。圖1為砂巖原樣和浸泡于1 mol/L的NaOH溶液3 d和7 d之后的SEM照片。圖1(a)的2個(gè)小圖表示砂巖不同部位的SEM照片，下同。

圖1的SEM圖像表明:砂巖原巖表面結(jié)構(gòu)致密、節(jié)理清晰;浸泡3 d后試樣表面明顯有花瓣?duì)钗镔|(zhì)分布萌生，其結(jié)構(gòu)柔軟、分布均勻;浸泡7 d后試樣表面花瓣?duì)钗镔|(zhì)增多，郁郁蔥蔥。浸泡后比較產(chǎn)物形貌，經(jīng)浸泡后砂巖試樣中的活性成分與堿發(fā)生了堿－硅酸反應(yīng)(ASR)，且隨著反應(yīng)齡期的增加，砂巖表面的反應(yīng)產(chǎn)物形貌發(fā)生增量變化，反應(yīng)產(chǎn)物明顯增多，細(xì)觀現(xiàn)象上進(jìn)一步驗(yàn)證了砂巖具有ASR反應(yīng)活性［5］。

圖1 砂巖SEM照片F(xiàn)ig.1 Photographs of sandstone sample by SEM

3.2 全級(jí)配混凝土長(zhǎng)齡期試件SEM分析

按全級(jí)配混凝土試驗(yàn)配合比成型了4組試件，分成2組分別在20℃室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及室外自然養(yǎng)護(hù)，試件照片如圖2所示，試件從成型觀測(cè)至今將近有4 a齡期。對(duì)取自20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與室外自然潮濕條件下的2種骨料組合(砂巖粗骨料+砂巖人工砂、砂巖粗骨料+大理巖人工砂)全級(jí)配混凝土試件進(jìn)行SEM測(cè)試。圖3為20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和室外自然養(yǎng)護(hù)條件下砂巖粗骨料+砂巖人工砂全級(jí)配混凝土試件4 a齡期SEM照片，圖4為20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和室外自然養(yǎng)護(hù)條件下砂巖粗骨料+大理巖人工砂全級(jí)配混凝土試件4 a齡期SEM照片。

表1 長(zhǎng)齡期試驗(yàn)全級(jí)配混凝土配合比Table 1 Mix proportion of fully-graded concrete for long age test

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下全級(jí)配混凝土棱柱體試件Fig.2 Prismoid specimens of fully-graded concrete under different curing conditions

圖3 不同養(yǎng)護(hù)條件下砂巖粗骨料+砂巖人工砂全級(jí)配混凝土試件4 a齡期SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs of 4-year age fully-graded concrete specimens of sandstone coarse aggregate＆sandstone grit under different curing conditions

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下砂巖粗骨料和大理巖人工砂全級(jí)配混凝土試件4 a齡期SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of 4-year age fully-graded concrete specimens of sandstone coarse aggregate＆marble grit under different curing conditions

從圖3和圖4微觀形貌可以看出:

(1)全砂巖骨料長(zhǎng)齡期混凝土在分別在20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和室外自然養(yǎng)護(hù)條件下均明顯可見(jiàn)小貝殼狀、棉絮狀等松軟的混凝土堿活性反應(yīng)產(chǎn)物。

(2)大理巖與砂巖組合骨料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)條件下，局部可見(jiàn)堿活性反應(yīng)產(chǎn)物，但更多的是長(zhǎng)柱狀或細(xì)柱狀的水泥水化產(chǎn)物，且堆積緊密，說(shuō)明大理巖砂減緩了砂巖骨料堿膨脹反應(yīng)［6］。

(3)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下2種骨料組合的堿活性反應(yīng)產(chǎn)物多于自然養(yǎng)護(hù)條件，這也驗(yàn)證了堿骨料反應(yīng)速度和程度與混凝土所處溫濕度密切相關(guān)。

4 結(jié)論

(1)將SEM測(cè)試技術(shù)運(yùn)用于混凝土堿活性研究，能清晰觀測(cè)到發(fā)生骨料界面典型反應(yīng)產(chǎn)物形貌，可半定量了解其堿活性反應(yīng)程度，預(yù)測(cè)混凝土劣化趨勢(shì)。

(2)在某大型水電站全級(jí)配混凝土長(zhǎng)齡期堿活性試驗(yàn)中，SEM圖像所展現(xiàn)的活性骨料反應(yīng)狀況表明大理巖人工砂能減緩砂巖骨料堿活性膨脹;若將此配合比應(yīng)用于工程，還需結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合判定。

(3)由于試驗(yàn)條件限制，為更好地從細(xì)觀上對(duì)全級(jí)配混凝土長(zhǎng)齡期堿活性骨料反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，力求找到長(zhǎng)齡期混凝土堿活性反應(yīng)膨脹歷程，嘗試下一步進(jìn)行不同齡期全級(jí)配混凝土堿活性反應(yīng)SEM觀測(cè)。

［1］劉崇熙，文梓蕓.壩工混凝土專(zhuān)論(一):混凝土堿－骨料反應(yīng)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，1995.(LIU Chong-xi，WEN Zi-yun.Monograph on Dam Engineering Concrete(1):Concrete Alkali Aggregate Reaction［M］.Guangzhou:South China University of Technology Press，1995.(in Chinese))

［2］DL/T5151—2001，水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.(DL/T5151—2001，Test Procedures of Sandstone Aggregate of Hydraulic Concrete［S］.Beijing:China Electric Power Press，2002.(in Chinese))

［3］Standard ASTM C295—2003，Guide for Petrographic Examination of Aggregates for Concrete［S］.USA:American Society of Testing and Materials，2003.

［4］李 珍，肖 靚，章瑞文.40年大壩混凝土芯樣的微觀測(cè)試與分析［J］.中國(guó)水能及電氣化，2010，(5):46－50.(LI Zhen，XIAO Liang，ZHANG Rui-wen.Microscopic Tests and Analysis of Concrete Core Sample in a 40-year-old Dam［J］.China Hydropower＆ Electrification，2010，(5):46－50.(in Chinese))

［5］李 珍，肖 靚，陳 亮.堿－硅反應(yīng)產(chǎn)物的微觀形貌特征研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29(3):62－66.(LI Zhen，XIAO Liang，CHEN Liang.Microscopic Appearance of the Products of Alkali-Silica Reaction(ASR)［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29(3):62－66.(in Chinese))

［6］李 珍，肖 靚，汪在芹.丹江口大壩混凝土芯樣的微觀測(cè)試與分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(5):59－62.(LI Zhen，XIAO Liang，WANG Zai-qin.Microscopic Tests and Analysis on Concrete Core Samples from Danjiangkou Dam［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(5):59－62.(in Chinese))