粉煤灰摻量和齡期對(duì)砼堿骨料反應(yīng)的因素分析

閆春嶺，付向紅

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000;3.安陽(yáng)市結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固工程技術(shù)研究中心,河南 安陽(yáng) 455000)

粉煤灰摻量和齡期對(duì)砼堿骨料反應(yīng)的因素分析

閆春嶺1,2,3，付向紅2,3

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000;3.安陽(yáng)市結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固工程技術(shù)研究中心,河南 安陽(yáng) 455000)

摘要：針對(duì)混凝土的新病害——堿骨料反應(yīng)這一問(wèn)題，對(duì)配制的高性能混凝土原材料進(jìn)行了巖相法測(cè)試和快速砂漿棒試驗(yàn)，得出了該骨料具有堿活性。通過(guò)摻加不同比例粉煤灰代替水泥制作的砂漿棒試驗(yàn)，得出了砂漿棒膨脹率與粉煤灰的摻量及齡期有關(guān)。粉煤灰的摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤30%)越多，齡期越短，砂漿棒膨脹率越小。結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了粉煤灰和齡期兩種因素對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的影響程度。研究結(jié)果表明：粉煤灰摻量和齡期均對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)有非常顯著的影響。在混凝土施工中，摻入適量的粉煤灰對(duì)抑制堿骨料反應(yīng)是有效的。

關(guān)鍵詞：堿骨料反應(yīng)；因素分析；粉煤灰；齡期

基金項(xiàng)目：河南省科技計(jì)劃重點(diǎn)攻關(guān)基金項(xiàng)目(132102310334);鄭州大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20137106)

作者簡(jiǎn)介：閆春嶺(1975-),男,河北唐山人,副教授,博士后,主要從事土木工程方面的教學(xué)與研究工作.

收稿日期：2014-08-05

文章編號(hào)：1672-6871(2015)02-0070-04

中圖分類號(hào)：TU528.041

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：標(biāo)志碼：A

0引言

堿骨料反應(yīng)(AAR)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土的體積膨脹和開(kāi)裂。堿骨料反應(yīng)破壞源于混凝土內(nèi)部，一旦發(fā)生，很難修復(fù)和治理，因此，堿骨料反應(yīng)又被稱為混凝土的“癌癥”。國(guó)外堿骨料反應(yīng)的研究類型可分為3類：堿硅酸反應(yīng)、堿碳酸鹽反應(yīng)和堿硅酸鹽反應(yīng)[1-2]。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為堿骨料反應(yīng)主要為堿硅酸鹽反應(yīng)和堿碳酸鹽反應(yīng)兩種類型，并且通過(guò)對(duì)中國(guó)實(shí)際工程中堿骨料反應(yīng)破壞事例的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了堿骨料反應(yīng)往往是堿硅酸鹽反應(yīng)與堿碳酸鹽反應(yīng)同時(shí)作用的結(jié)果。1940年，文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)水泥中的堿與骨料中的活性氧化硅成分反應(yīng)產(chǎn)生堿-硅酸鹽凝膠，這種凝膠有強(qiáng)烈的吸水性，吸水后膨脹從而引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。后來(lái)，Vivian、Powers等也相繼進(jìn)行了這項(xiàng)研究，他們分別提出了“腫脹壓力理論”和“競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)理論”[4-5]。20世紀(jì)50年代，中國(guó)建設(shè)第一個(gè)大型水利工程——佛子嶺水庫(kù)時(shí)，吳中偉教授首次提出了堿骨料反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部膨脹開(kāi)裂，當(dāng)時(shí)得到了水電部的高度重視。堿骨料反應(yīng)給世界各國(guó)造成的嚴(yán)重?fù)p失已被人們所公認(rèn)[6-9]，如20世紀(jì)30年代，美國(guó)加利福尼亞州的橋墩事件、1984年北京建成的三元立交橋、加拿大Mactaquac水電站等，這些工程破壞均是由于堿骨料反應(yīng)的緣故。 眾所周知，堿骨料反應(yīng)必須具備3個(gè)條件：一是混凝土拌合物中水泥含有一定數(shù)量的堿；二是拌合物中骨料中具有堿活性；三是有水分存在。工程上通常采用摻加不同比例的外加劑方式來(lái)抑制堿骨料反應(yīng)的發(fā)生，如文獻(xiàn)[10]通過(guò)摻加廢舊輪胎橡膠粉的方式，來(lái)抑制混凝土工程中的堿骨料反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)了當(dāng)廢舊輪胎橡膠粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2.5%時(shí)，其對(duì)膨脹的抑制作用達(dá)到最佳效果。文獻(xiàn)[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了摻加粉煤灰的方式來(lái)抑制石英砂巖的堿骨料反應(yīng)。文獻(xiàn)[12]在青藏鐵路混凝土施工過(guò)程中，為防止混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)，除控制混凝土的總堿量外，還摻用了DZ型專用復(fù)合外加劑及粉煤灰等技術(shù)保障措施。而目前，對(duì)混凝土工程中堿骨料反應(yīng)起主要作用因素的研究不多。本文利用摻加不同比例粉煤灰的砂漿棒試驗(yàn)，揭示粉煤灰和齡期兩種因素對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的影響程度，以期為深入研究混凝土堿骨料反應(yīng)的機(jī)理提供有益的參考。

1試驗(yàn)概況

1.1　混凝土材料

以安陽(yáng)建工(集團(tuán))預(yù)制構(gòu)件有限責(zé)任公司生產(chǎn)的C50以上的高性能混凝土橋梁板為例，對(duì)該廠采用的混凝土原材料同時(shí)進(jìn)行了巖相法和快速砂漿棒法檢測(cè)骨料堿活性的試驗(yàn)，得出了該骨料具有堿活性，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]?，F(xiàn)通過(guò)摻加摻合料的方法來(lái)抑制堿骨料反應(yīng)，其中，所采用的摻合料為安陽(yáng)電廠生產(chǎn)的粉煤灰，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　粉煤灰的化學(xué)成分　 %

1.2　試驗(yàn)方法

表2　摻粉煤灰的砂漿棒膨脹率　 %

按照國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制作砂漿棒試件，試件大小為25 mm×25 mm×280 mm(長(zhǎng)×寬×高)，其摻加的粉煤灰取代水泥的質(zhì)量比(下用摻量)分別為0%，10%，15%，20%，25%和30%[14]。經(jīng)過(guò)試件的脫模、預(yù)養(yǎng)護(hù)后，測(cè)定試件的初長(zhǎng)。最后，配制試件的養(yǎng)護(hù)液，至養(yǎng)護(hù)容器的養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到(80±1) ℃時(shí)，觀測(cè)3 d、7 d、14 d的砂漿棒膨脹率，也可以把試件觀測(cè)延期至28 d，具體可參見(jiàn)中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(TB/T 2922.5—2002)快速砂漿棒法。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出：齡期(T)相同時(shí)，砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤30%)的增加而減小，表明在混凝土工程中，摻加一定量的粉煤灰對(duì)抑制堿骨料反應(yīng)有積極的作用；當(dāng)摻入粉煤灰的量一定時(shí)，砂漿棒膨脹率大體上隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，這進(jìn)一步說(shuō)明堿骨料反應(yīng)是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，因此砂漿棒膨脹率增大。

2試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，為了不失一般性，設(shè)在某試驗(yàn)中，有兩個(gè)因素A和B在變化，其中，A為粉煤灰的摻量，A有r種水平A1，A2，…，Ar；B為混凝土早齡期，B有s種水平B1，B2，…，Bs。在每一種組合水平(Ai，Bj)上做1次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為xij(i=1，2…，r；j=1，2…，s)，所有xij相互獨(dú)立，且總試驗(yàn)有效次數(shù)n=rs，則方差分析按下列步驟進(jìn)行[15]。

令

(1)

離差平方和及自由度為：

(2)

其中：SA為因素A引起的離差平方和；SB為因素B引起的離差平方和；SE為誤差平方和。

2.1　計(jì)算F值

A、B兩因素的顯著性檢驗(yàn)即為考察兩個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)是否確有顯著性，采用F統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)，顯著性水平在0.05以下均有意義。F檢驗(yàn)式為：

(3)

通過(guò)計(jì)算得到FA=20.210 7>F0.01(5,20)=4.10，F(xiàn)B=7.280 5>F0.01(4,20)=4.43。為了更直觀地表述兩個(gè)因素的顯著水平，將方差分析結(jié)果列于表3中。由表3可知：兩個(gè)因素對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)均有影響。從Fj值的大小次序來(lái)看，對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的影響大小順序，首先是粉煤灰的摻量A；其次是混凝土早齡期B，且兩個(gè)都是主要的影響因素，影響極顯著(“*”、“**”、“***”表示顯著性從小到大，最高顯著性為“***”)[16]。

2.2　粉煤灰摻量和早齡期對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的分析

本次試驗(yàn)采用的粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%和30%，齡期分別為3 d、7 d、14 d、21 d和28 d，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出：齡期相同時(shí)，粉煤灰摻量越多，對(duì)混凝土中堿骨料反應(yīng)的抑制作用就越大，砂漿棒膨脹率就越小。以齡期T=28 d為例，對(duì)砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量進(jìn)行線性擬合，y=a+bx，結(jié)果見(jiàn)圖2。同理，對(duì)齡期為3 d、7 d、14 d和21 d也進(jìn)行了相同的擬合，且相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值均大于0.88，線性顯著相關(guān)，擬合的最終結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以得出：在相同的齡期條件下，砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤30%)線性遞減。

表3　方差分析表

注：A為粉煤灰的摻量，%；B為混凝土早齡期，d;S為離差平方和；d為自由度；M為因素的均方；F為因素的F值。

表4　砂漿棒膨脹率隨粉煤灰摻量的線性擬合結(jié)果

圖1 砂漿棒膨脹率與粉煤灰摻量的關(guān)系 圖2 齡期T=28d的砂漿棒膨脹率隨粉煤灰摻量的擬合關(guān)系

圖3為砂漿棒膨脹率隨齡期的變化關(guān)系。由圖3可以看出：在相同相條件下，隨著齡期的增加，砂漿棒膨脹率總體上也在增加，其中，粉煤灰的摻量為15%和25%時(shí)，齡期為21 d時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能有兩種原因：一是由試驗(yàn)誤差引起；二是摻量為15%~25%時(shí)，21 d本身就是一個(gè)特殊點(diǎn)，有待進(jìn)一步深入研究。以粉煤灰的摻量30%為例，對(duì)砂漿棒膨脹率隨著齡期進(jìn)行線性擬合，y=a+bx，結(jié)果見(jiàn)圖4。同理，對(duì)粉煤灰的摻量為25%、20%、15%、10%和0%也進(jìn)行了相同的擬合，且相關(guān)系數(shù)R的絕對(duì)值均大于0.75，線性相關(guān)，擬合的結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以得出：在相同粉煤灰的摻量條件下，砂漿棒膨脹率隨著齡期線性遞增。

圖3砂漿棒膨脹率與齡期的關(guān)系圖4粉煤灰摻量為30%的砂漿棒膨脹率隨齡期的擬合關(guān)系

表5　砂漿棒膨脹率隨齡期線性擬合結(jié)果

3結(jié)論

(1)對(duì)粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%和30%，齡期分別3 d、7 d、14 d、21 d和28 d的混凝土進(jìn)行堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：齡期相同時(shí)，粉煤灰摻量越多，砂漿棒膨脹率就越小，對(duì)混凝土中堿骨料反應(yīng)的抑制作用就越大。

(2)在相同相條件下，隨著齡期的增加，砂漿棒膨脹率總體上也在增加，其中粉煤灰的摻量為15%和25%時(shí)，齡期為21 d時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)。

(3)通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和方差分析得出：粉煤灰摻量和齡期均對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)有顯著的影響，其中粉煤灰的摻量影響更大。

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