水工混凝土骨料活性檢測(cè)及抑制措施

陳 鴻

(1.南昌水利投資發(fā)展有限公司,江西 南昌 330001；2.南昌贛昌砂石有限公司,江西 南昌 330001 )

0 前言

裂縫是混凝土最常見(jiàn)的病害之一。早期裂縫的出現(xiàn),往往是養(yǎng)護(hù)、干縮、過(guò)早加載、水泥后期安定性不好等常見(jiàn)問(wèn)題所造成。但是過(guò)了幾年,甚至幾十年后,混凝土出現(xiàn)膨脹開(kāi)裂、混凝土強(qiáng)度及彈性模量降低,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致混凝土完全破壞,則很有可能是因混凝土堿-骨料反應(yīng)造成的破壞[1]。 堿-骨料反應(yīng)在混凝土成型后若干年才逐漸發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)的生成物吸水膨脹使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,膨脹開(kāi)裂。因混凝土骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布,一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng),混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,將混凝土脹裂,發(fā)展嚴(yán)重的只能拆除,因此有“混凝土癌癥”之稱。認(rèn)真做好骨料堿活性檢測(cè)工作,提前采取工程措施預(yù)防混凝土發(fā)生堿-骨料反應(yīng)破壞,對(duì)確?；炷凉こ贪踩\(yùn)行起著十分重要的作用。

1 堿骨料反應(yīng)的定義與條件

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DLT 5151-2014中的定義：堿-骨料反應(yīng)是指硬化混凝土中的堿與骨料中的堿活性礦物在潮濕的環(huán)境下緩慢發(fā)生并導(dǎo)致混凝土膨脹、開(kāi)裂甚至破壞的化學(xué)反應(yīng)[2]。由定義可以知道,堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生,一般需要滿足以下幾個(gè)條件：一、硬化混凝土系統(tǒng)當(dāng)中的堿含量過(guò)高；二、骨料中有一定數(shù)量的能與堿發(fā)生反應(yīng)的活性礦物；三、混凝土處于潮濕的環(huán)境[3]。有研究表明,混凝土當(dāng)中的堿需借助水環(huán)境,呈現(xiàn)游離狀態(tài),才能夠與骨料當(dāng)中的活性礦物成分發(fā)生反應(yīng)；且在存在活性骨料的情況下,堿骨料反應(yīng)的程度和速度,隨著混凝土當(dāng)中的堿含量的增大而增大。雖然在低堿含量的情況下,也能發(fā)生堿骨料反應(yīng),但是生成的吸水凝膠數(shù)量較少,發(fā)生的膨脹量也較少,不足以使混凝土發(fā)生破壞[4]。

從反應(yīng)實(shí)質(zhì)上,堿-骨料反應(yīng)可以分為堿-硅酸反應(yīng)(ASR)和堿-碳酸鹽反應(yīng)(ACR)兩種類型。其中,堿-硅酸反應(yīng)是分布最廣、破壞最多、研究最集中的一類,它是混凝土當(dāng)中的堿與骨料中的活性二氧化硅礦物成分發(fā)生反應(yīng),生成的堿硅酸鹽凝膠吸水膨脹,引起混凝土破壞。骨料中的活性二氧化硅礦物成分一般是無(wú)定形的SiO2或者是結(jié)晶SiO2但是晶格發(fā)生了改變,種類有黑硅石、火山玻璃、鱗石英、方石英、蛋白石、燧石、玉髓、瑪瑙、具有較強(qiáng)波狀消光的石英及微晶石英等[5]。而堿-碳酸鹽反應(yīng)是指混凝土中的堿與具有特定結(jié)構(gòu)的黏土質(zhì)細(xì)粒白云質(zhì)石灰?guī)r或黏土質(zhì)細(xì)粒白云巖骨料發(fā)生的去白云化的反應(yīng)[5]。這一類堿骨料反應(yīng)的活性礦物與結(jié)構(gòu)比較固定,通常需要巖石中的白云石晶體顆粒外部含有較多黏土基質(zhì)包裹在白云石顆粒表面,不具備這種結(jié)構(gòu)下的白云石并不具有活性。

2 水工混凝土骨料堿活性檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)骨料堿活性檢測(cè)做了大量的研究,各行業(yè)也制定了相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和DLT 5151-2014的規(guī)定水工混凝土骨料堿活性檢測(cè)方法有六種[6]。

2.1 巖相法

巖相法是指通過(guò)肉眼觀察和借助光學(xué)顯微鏡(必要時(shí)還需借助差熱分析、紅外光譜分析、X射線衍射分析等方法)鑒定骨料的巖石種類、礦物組成及各組分含量,并依此判斷骨料的堿活性類別和定性評(píng)定骨料的堿活性。由于堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)兩種類型的堿活性評(píng)定采用的方法不同,需在采用砂漿棒法、巖石柱法等方法之前對(duì)堿活性類別進(jìn)行判定,才不至于用錯(cuò)試驗(yàn)方法,得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法不能用于含碳酸鹽礦物的骨料(如灰?guī)r等),也不能鑒定由變形石英、微晶石英導(dǎo)致的眾多緩慢膨脹的骨料。化學(xué)法是取25g 一定粒度范圍內(nèi)的骨料置于1mol濃度的NaOH溶液中,經(jīng)80℃、24h后,測(cè)定溶出的SiO2濃度Sc及溶液的堿度降低值Rc。根據(jù)Sc、Rc值來(lái)判定堿活性,若Rc> 70且Sc> Rc或Rc< 70但Sc> 35+Rc/2,則判為具有潛在危害的活性骨料,但是也不能作為最后結(jié)論,還需進(jìn)行其它方法的檢測(cè)。若Sc、Rc值不出現(xiàn)上面兩種情況,則判為非活性骨料[6]。

2.3 砂漿棒長(zhǎng)度法

砂漿棒長(zhǎng)度法是將砂料(碎石或卵石破碎成人工砂)與高堿水泥(堿含量為1.2%,如若水泥含堿量達(dá)不到1.2%,則用10%的NaOH溶液調(diào)整系統(tǒng)堿含量為水泥量的1.2%)按2.25∶1制成25mm*25mm*285mm的砂漿棒(砂的用量為900g,按一定的級(jí)配配制而成),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h脫模后測(cè)基長(zhǎng),然后在溫度為38℃、濕度為95%條件下養(yǎng)護(hù),測(cè)定其180d膨脹率。以180d的膨脹率是否超過(guò)0.1%作為活性骨料與非活性骨料的判據(jù)。

2.4 巖石柱法

巖石柱法是一種專門用于檢測(cè)碳酸鹽集料堿活性的方法。該方法采用小型鉆孔取芯機(jī)從巖石塊體中取出(9±1)mm×(35±5)mm的圓柱體,將此試件浸泡在1mol/L的NaOH溶液當(dāng)中,如84d膨脹率大于0.1%,則將此骨料判定為具有潛在反應(yīng)活性,不宜用于混凝土骨料。

2.5 快速砂漿棒法

快速砂漿棒法與砂漿棒長(zhǎng)度法的適用范圍是一樣的,都只適用于堿-硅酸反應(yīng)活性骨料的檢測(cè),在砂漿棒的制備也是一致的?？焖偕皾{棒法標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h脫模后,先在80℃的純水中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后測(cè)初長(zhǎng),然后將試件放入1mol/L的NaOH溶液中80℃恒溫14d,以14d的膨脹率作為活性骨料與非活性骨料的判據(jù)。如14d膨脹率小于0.1%,為非活性骨料;若14d膨脹率大于0.2%,為活性骨料;若14d膨脹率在0.1%和0.2%之間,則結(jié)合其它評(píng)定方法綜合判定[7]。此方法試驗(yàn)周期較短且工程適應(yīng)性較好,是實(shí)際堿-硅酸反應(yīng)活性骨料的檢測(cè)應(yīng)用最多的方法。由于此方法反應(yīng)溫度較高,加速條件過(guò)嚴(yán),可能激發(fā)在低溫時(shí)不易發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),有時(shí)存在錯(cuò)判的現(xiàn)象。

2.6 混凝土棱柱體法

混凝土棱柱體法適用于堿-硅酸反應(yīng)(ASR)和堿-碳酸鹽反應(yīng)(ACR),成型試件尺寸為75mm×75mm×275mm,水泥含堿量應(yīng)達(dá)到1.25%(如水泥含堿量不到1.25%,則采用NaOH溶液將堿含量調(diào)到1.25%)。試件成型后在溫度為38℃、濕度為95%條件下養(yǎng)護(hù),測(cè)定其一年的膨脹率。以一年的膨脹率是否超過(guò)0.04%作為活性骨料與非活性骨料的判斷判據(jù)?；炷晾庵w法檢測(cè)比較接近實(shí)際情況,對(duì)堿活性礦物類型沒(méi)有限制,但是該方法工作量較大,且試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)一年,周期較長(zhǎng),在實(shí)際原料選擇時(shí)很少采用此方法。

3 水工混凝土堿骨料反應(yīng)的抑制措施

由于堿骨料反應(yīng)必須同時(shí)滿足3個(gè)條件才會(huì)發(fā)生：即在混凝土中具有足夠的堿含量、足夠的堿活性礦物、水分供應(yīng)。因此,對(duì)堿活性反應(yīng)的抑制,應(yīng)從這三個(gè)條件入手。

3.1 控制堿含量

混凝土系統(tǒng)中的堿,主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面：水泥、混合材、外加劑、水、骨料以及環(huán)境。因此,在配制混凝土?xí)r,需從原材料入手,降低各項(xiàng)原材料中的堿含量,最終降低混凝土系統(tǒng)中的總堿含量。采用低堿水泥,無(wú)堿或低堿外加劑,均能有效地降低系統(tǒng)的總堿含量。對(duì)于一般混凝土工程,總堿含量控制在3.0kg/m3以內(nèi)；重點(diǎn)混凝土工程,總堿含量控制在2.0kg/m3以內(nèi)[1]．

3.2 采用無(wú)堿活性骨料

在選用混凝土粗、細(xì)骨料時(shí),應(yīng)按照試驗(yàn)規(guī)程,采用上述相應(yīng)的堿活性檢測(cè)方法,評(píng)定骨料的堿活性。不得采用堿活性較高的或未經(jīng)堿活性抑制試驗(yàn)并證明有效的骨料。

3.3 摻入混合材料

摻入粉煤灰、硅灰等活性混合材,能夠有效地降低、緩解、抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。周麒雯等通過(guò)對(duì)水工混凝土常用的混合材粉煤灰、磷渣、硅粉以及鋰鹽渣進(jìn)行的ASR抑制試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在水工混凝土中摻用一定量的混合材,對(duì)活性骨料ASR的膨脹都具有一定的抑制作用[8]。

3.4 隔絕水分

水在堿骨料反應(yīng)中,主要起三個(gè)作用,①水是堿離子化的基礎(chǔ)；②作為輸送堿的載體；③堿骨料反應(yīng)生成凝膠吸水膨脹的源泉。與普通混凝土相比,水工混凝土基本上都是處于潮濕環(huán)境當(dāng)中,一旦混凝土中有足夠的堿及堿活性礦物,混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞的可能性將增加。采用有效的方法,隔絕水分和濕氣,可以緩解堿-骨料反應(yīng)發(fā)生的速度。此外,通過(guò)引入引氣劑、引氣減水劑,摻入鋼纖維、聚丙烯纖維,提高混凝土自身的密實(shí)性,也可以對(duì)混凝土膨脹、開(kāi)裂起到阻止的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

堿-骨料反應(yīng)是混凝土的癌癥,一旦發(fā)生,引起混凝土的破壞,將對(duì)混凝土的耐久性與使用性能造成重大影響,這不僅是人力、資金的浪費(fèi),也是對(duì)能源的極大浪費(fèi)。了解堿一骨料反應(yīng)的機(jī)理,充分認(rèn)識(shí)堿-骨料反應(yīng)的危害,從而在混凝土的各種原料選擇、尤其是骨料的堿活性檢測(cè),到混凝土后期防護(hù),才能有效避免堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生,提高混凝土質(zhì)量和耐久性。