快速砂漿棒法檢測礦物摻合料與Li2CO3對ASR抑制作用的適用性評價

高　鵬　 余紅發(fā)　 文　靜　 李　穎　 臧亞美

(1南京航空航天大學(xué)土木工程系, 南京 210016)(2內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 包頭 014010)(3中國科學(xué)院青海鹽湖研究所, 西寧 810008)(4西藏大學(xué)資源與土木工程系, 拉薩 850000)

自Stanton[1]報(bào)道堿集料危害以來,由混凝土工程堿-硅酸反應(yīng)(alkali-silica reaction,ASR)引起的破壞受到了廣泛的關(guān)注[2].使用礦物摻合料(supplementary cementitious materials,SCM)[3-5]和化學(xué)外加劑(chemical admixtures,CA)[6-8]是控制ASR的有效手段.使用正確的試驗(yàn)方法,有助于檢測抑制材料對ASR的抑制效果.

目前能夠檢測ASR抑制效果的方法及規(guī)程有混凝土棱柱體法(concrete prism expansion tests,CPT)[9-10]、大體積混凝土試塊法(large concrete blocks,LCB)[9]、硼硅酸鹽玻璃砂漿棒法(pyrex mortar bar test,PMBT)[11]、快速砂漿棒法(accelerated mortar-bars test,AMBT)[12-14]等.其中,CPT，LCB試驗(yàn)周期長(幾年甚至十年),不適用于實(shí)際混凝土工程應(yīng)用.而PMBT使用的活性骨料過于單一,其抑制效果并不能準(zhǔn)確代表實(shí)際骨料的抑制效果,且Thomas等[9]認(rèn)為,PMBT不宜在美國之外的地區(qū)使用.

AMBT具有試驗(yàn)方法簡單、快捷的特點(diǎn),在工程界得到廣泛應(yīng)用.本文利用AMBT的長齡期試驗(yàn)結(jié)果,對AMBT用于檢測礦物摻合料與Li2CO3對ASR抑制效果的適用性進(jìn)行評價.

1　原材料與方法

1.1　原材料

水泥選用基準(zhǔn)水泥(reference cement,RC)、P·O42.5普通硅酸鹽水泥和P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥.SCM選用粉煤灰(fly ash,FA)、磨細(xì)礦渣(ground granulated blasted furnace slag,GGBFS)和硅灰(silica-fume,SF),化學(xué)組成見表1.骨料選用工程細(xì)骨料,中砂產(chǎn)地為青海省湟中縣多巴.堿活性骨料存在于細(xì)粒砂(粒徑小于5 mm)中,主要成分為石英砂巖、少量灰?guī)r和雜砂巖.堿活性主要來源于雜砂巖中分布的微晶質(zhì)石英、隱晶質(zhì)石英和應(yīng)變石英,堿活性骨料約占細(xì)砂粒的10%.化學(xué)外加劑選用Li2CO3.水選用蒸餾水.

表1　水泥及SCM化學(xué)組成　%

1.2　試驗(yàn)方法

骨料堿活性試驗(yàn)、SCM抑制與Li2CO3抑制試驗(yàn)均采用AMBT方法進(jìn)行短期判定.試驗(yàn)后延長試件浸泡齡期至3 a,期間維持NaOH溶液濃度為1 mol/L和溫度80 ℃.利用長齡期試驗(yàn)結(jié)果對AMBT短期判定結(jié)果進(jìn)行評價.

2　結(jié)果與討論

2.1　骨料的判定

膠材選用基準(zhǔn)水泥,無任何抑制材料,砂漿棒膨脹率結(jié)果見圖1.由圖可見,浸泡齡期14 d的砂漿棒膨脹率為0.126%,膨脹率范圍在0.10%～0.20%,因此砂漿棒可能存在堿活性[15-16].繼續(xù)浸泡至56 d,砂漿棒膨脹率持續(xù)增長,56 d膨脹率達(dá)到0.333%,相較于14 d膨脹率增加了164.3%,增速極快,因而判定為活性骨料.

2.2　SCM試驗(yàn)

2.2.1短期試驗(yàn)

在砂漿棒膠材中,摻入SCM(包括FA,GGBFS和SF),綜合考慮了混凝土工作性、強(qiáng)度、電通量等因素的影響,試件S-1,S-2,S-3和S-4的配比見表2.圖2給出了SCM砂漿棒56 d膨脹率.其中,S-1,S-2,S-3和S-4砂漿棒的14 d膨脹率分別為0.077%,0.035%,0.055%和0.034%,滿足ASTM C1567[12]的抑制合格評定標(biāo)準(zhǔn)(14 d膨脹率小于0.10%),不滿足GB/T 50733—2011[13]的判斷標(biāo)準(zhǔn)(14 d膨脹率小于0.03%).此外,SCM砂漿棒28 d膨脹率均小于0.10%,滿足規(guī)程TB 10424—2010[14]的判斷標(biāo)準(zhǔn)(28 d膨脹率小于0.10%).即使浸泡齡期延至56 d,砂漿棒膨脹率仍小于0.10%,相較于無抑制砂漿棒膨脹率0.333%(見圖1),SCM砂漿棒抑制效果顯著.

圖1　無抑制材料砂漿棒56 d膨脹率

表2　SCM砂漿棒配比設(shè)計(jì)

圖2SCM砂漿棒56d膨脹率

2.2.2長齡期試驗(yàn)

SCM在混凝土工程中抑制ASR的過程與在AMBT的過程不同.對于混凝土工程,其堿來自于混凝土內(nèi)部,主要來源為膠材中的堿含量.SCM的加入,一方面減少了水泥的摻量,另一方面在水化產(chǎn)物中通過結(jié)合[Na]+和[K]+來消耗孔隙溶液中的堿.只要摻入足夠量的SCM,抑制效果將永久保持.而對于AMBT砂漿棒,堿的主要來源是外部的浸泡堿液,SCM可以延遲砂漿棒在堿液中發(fā)生ASR,也可以結(jié)合砂漿棒孔隙溶液中的堿達(dá)到抑制ASR效果.但是,AMBT的浸泡溶液中堿資源充足,因此,需確定長齡期浸泡是否會影響SCM的抑制效果.

延長AMBT浸泡齡期至3 a以上,期間NaOH溶液濃度保持為1 mol/L,且維持80 ℃,膨脹率結(jié)果見圖3.由圖可知,SCM砂漿棒在3 a的堿液浸泡齡期內(nèi)沒有產(chǎn)生膨脹率大幅增長,維持了良好的抑制效果.相較于無抑制材料砂漿棒的膨脹率,SCM砂漿棒3 a膨脹率減少了73.1%以上,可以確定SCM在3 a高溫堿液浸泡中仍具備ASR抑制作用.因此,3 a長齡期堿液浸泡不會影響SCM對ASR的抑制效果,可以利用3 a長齡期試驗(yàn)結(jié)果評價SCM在AMBT的抑制作用.

圖3　無抑制砂漿棒和SCM砂漿棒3 a膨脹率

長齡期試驗(yàn)環(huán)境十分惡劣,堿資源充足、高溫浸泡是其激發(fā)堿活性骨料產(chǎn)生ASR的助推劑.因此,長齡期試驗(yàn)結(jié)果是可以真實(shí)反映抑制材料對ASR的抑制效果.無抑制砂漿棒3 a膨脹率增長明顯,達(dá)到1.115%,這與AMBT短期的判定結(jié)果相吻合.SCM在長齡期試驗(yàn)中維持了良好的抑制作用,延續(xù)了其在AMBT短期試驗(yàn)的抑制效果.所以，利用AMBT的短期判定結(jié)果來確定SCM抑制ASR的有效性是合適的.

2.3　Li2CO3試驗(yàn)

2.3.1短期試驗(yàn)

規(guī)程GB/T 50733—2011[13]和ASTM C1567[12]是針對SCM抑制ASR有效性的檢測,而規(guī)程TB 10424—2010[14]是針對SCM或化學(xué)外加劑抑制ASR有效性的檢測.3種AMBT規(guī)程的試驗(yàn)方法是一致的,但適用范圍不同.鋰鹽,如LiF,LiCl,LiOH,LiNO3,LiNO2,Li2SO4,Li2HPO4和Li2CO3,均能有效抑制ASR[17].因此,選用Li2CO3作為化學(xué)外加劑,單摻進(jìn)砂漿棒中,觀察其在AMBT中的抑制有效性.當(dāng)鋰鹽摻量摩爾比n(Li)/n(Na)=0.74時,可以有效抑制ASR[17-18].本文選用Li2CO3摻量摩爾比n(Li)/n(Na)=0.80.

圖4給出了無抑制砂漿棒和Li2CO3砂漿棒56 d膨脹率.其中,Li2CO3砂漿棒14 d膨脹率達(dá)到了0.166%,28 d膨脹率為0.224%,56 d膨脹率為0.327%.相比無抑制砂漿棒,Li2CO3砂漿棒在AMBT中沒有體現(xiàn)出有效的抑制作用,這與Feng等[17]和Millard等[18]的n(Li)/n(Na)=0.74時可以有效抑制ASR的結(jié)果不同.

圖4　無抑制砂漿棒與Li2CO3砂漿棒56 d膨脹率

在56 d齡期內(nèi),基本看不到Li2CO3的抑制效果.因?yàn)?Li2CO3在水中的溶解性較低,微溶于水,短時期內(nèi)[Li]離子還沒有完全從Li2CO3中釋放.同時,浸泡溶液中堿資源充足,隨著浸泡齡期的增加,浸泡溶液中的[Na]離子不斷侵蝕進(jìn)試件內(nèi)部,使得孔隙溶液中的n(Li)/n(Na)不斷降低,使Li2CO3抑制效果在56 d齡期內(nèi)很難觀測到,且衰退速度非常快.因此,AMBT不能在短期內(nèi)有效評價Li2CO3的抑制效果.

2.3.2長齡期試驗(yàn)

圖5給出了無抑制砂漿棒和Li2CO3砂漿棒3 a齡期的膨脹率.其中,Li2CO3砂漿棒3 a膨脹率為1.023%,相較于無抑制砂漿棒3 a膨脹率,降低了8.2%.結(jié)果表明,Li2CO3在長齡期試驗(yàn)中體現(xiàn)出抑制作用,但抑制效果很小.由于Li2CO3砂漿棒在NaOH溶液持續(xù)浸泡條件下,不斷受到[Na]離子的侵蝕,使得砂漿棒中的n(Li)/n(Na)不能保持在0.80.因此,長齡期試驗(yàn)雖然能夠體現(xiàn)Li2CO3的抑制作用,但不能表現(xiàn)出Li2CO3真實(shí)的抑制效果.

圖5　無抑制砂漿棒和Li2CO3砂漿棒3 a膨脹率

2.4　判定齡期

基于Li2CO3不能在AMBT中體現(xiàn)抑制ASR的有效性,本文討論SCM在AMBT的判定齡期.規(guī)程GB/T 50733—2011[13]和ASTM C1567[12]的判定齡期為14 d,而TB 10424—2010[14]的判定齡期為28 d.將SCM砂漿棒14 d膨脹率和28 d膨脹率進(jìn)行對比,并進(jìn)行線性分析,結(jié)果如圖6所示.經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),4種不同配比的SCM砂漿棒的14 d膨脹率和28 d膨脹率線性相關(guān)性很好,相關(guān)性系數(shù)R2=0.999 3,趨勢線擬合可靠.同時,線性方程y=kx+a中,k=0.928 6,接近于1.這表明,14～28 d齡期內(nèi)膨脹率增長速率是穩(wěn)定的,SCM在此期間對ASR的抑制效果不變.因此,14 d膨脹率完全可以體現(xiàn)28 d膨脹率的抑制效果.

圖6　SCM砂漿棒14 d膨脹率與28 d膨脹率對比

2.5　水泥堿含量的影響

Bektas等[19]指出,由于砂漿棒浸泡在堿液中,初始堿含量在AMBT中不會產(chǎn)生影響.文獻(xiàn)[20-21]指出,水泥堿含量對AMBT會產(chǎn)生一些小影響.雖然AMBT中試件的堿環(huán)境充足,但是骨料發(fā)生ASR取決于孔隙溶液中的堿含量.膠材堿含量不同,試件內(nèi)部的孔隙溶液初期堿濃度不同,從而影響到抑制材料對ASR的抑制效果.基于以上分析,需確定AMBT中的膠材堿含量對ASR抑制效果產(chǎn)生的影響.

使用基準(zhǔn)水泥,并摻入NaOH使水泥堿含量分別為0.52%,0.80%和1.20%.同時,在膠材中摻入SCM.利用AMBT的短期試驗(yàn)結(jié)果和長齡期試驗(yàn)結(jié)果,觀測SCM砂漿棒在不同水泥堿含量下的膨脹率變化.

圖7給出了SCM砂漿棒在水泥堿含量變化時的14 d膨脹率.其中,S-1砂漿棒膨脹率最低的為水泥堿含量0.80%;S-2砂漿棒膨脹率最低的為水泥堿含量0.80%;S-3砂漿棒膨脹率最低的為水泥堿含量1.20%.結(jié)果表明,相同SCM摻量條件下,砂漿棒的14 d膨脹率沒有體現(xiàn)出隨著水泥堿含量的增加而增加.因此,水泥堿含量在AMBT初期,不是影響砂漿棒膨脹率的主要因素.

本工程所有建筑物安全等級均為二級，對于安全等級為二級的建構(gòu)筑物置于溶洞上部，施工勘察中樁位較密，查明溶洞后，若需按洞室地基穩(wěn)定性進(jìn)行處理，則需要對施工勘察中發(fā)現(xiàn)溶洞進(jìn)行插值包圍法查明溶洞洞跨，據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第四版)采用經(jīng)驗(yàn)公式對溶洞頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算：原理和方法：頂板坍塌后，塌落體積增大，當(dāng)塌落至一定高度H時，溶洞空間自行填滿，無需考慮對地基的影響。所需塌落高度H按下式計(jì)算：

圖7　不同水泥堿含量SCM砂漿棒的14 d膨脹率

此外,將浸泡齡期延長,觀測水泥堿含量在長齡期是否會影響SCM砂漿棒膨脹率,其91和196 d膨脹率見圖8和圖9.由圖可見，只有S-3砂漿棒的水泥堿含量為0.52%時砂漿棒膨脹率最低.但S-3與S-1,S-2相同,并沒有體現(xiàn)出膨脹率與水泥堿含量的線性增長關(guān)系.因此,水泥堿含量在長齡期試驗(yàn)中,仍然不是影響砂漿棒膨脹率的主要因素.

圖8　不同水泥堿含量SCM砂漿棒的91 d膨脹率

圖9　不同水泥堿含量SCM砂漿棒的196 d膨脹率

基于以上分析,在AMBT中水泥堿含量不是影響SCM砂漿棒膨脹率的主要因素,不需要對水泥堿含量進(jìn)行控制.

2.6　判定限值

AMBT膨脹率抑制有效性的判定限值沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).ASTM C1567[12]規(guī)定,膨脹率抑制有效標(biāo)準(zhǔn)是14 d(浸泡齡期)膨脹率小于0.10%;GB/T 50733—2011[13]規(guī)定,膨脹率抑制有效標(biāo)準(zhǔn)是14 d(浸泡齡期)膨脹率小于0.03%;TB 10424—2010[14]規(guī)定,膨脹率抑制有效標(biāo)準(zhǔn)是28 d(浸泡齡期)膨脹率小于0.10%.

長齡期試驗(yàn)結(jié)果是評價AMBT判定限值的最佳依據(jù).SCM砂漿棒在長齡期試驗(yàn)中均表現(xiàn)出良好的抑制作用,見圖3.而SCM砂漿棒對應(yīng)的14 d膨脹率則分別是:S-1為0.077%,S-2為0.035%,S-3為0.055%,S-4為0.034%.對應(yīng)的28 d膨脹率則分別是:S-1為0.091%,S-2為0.053%,S-3為0.072%,S-4為0.051%,見圖10.結(jié)果表明,所有SCM砂漿棒14 d膨脹率均高于0.03%,低于0.10%;所有28 d膨脹率均低于0.10%.因此,ASTM C1567[12]和TB 10424—2010[14]的限值標(biāo)準(zhǔn)是適用的,而GB/T 50733—2011[13]的限值標(biāo)準(zhǔn)則過于嚴(yán)格,可以作為判定SCM抑制ASR有效的標(biāo)準(zhǔn),不宜作為判定SCM抑制ASR無效的標(biāo)準(zhǔn).

圖10　SCM砂漿棒14和28 d膨脹率

3　結(jié)論

1) AMBT能夠在短期內(nèi)檢測SCM抑制ASR的有效性.

2) AMBT不能在短期內(nèi)評價Li2CO3抑制ASR的有效性.長齡期試驗(yàn)雖然能夠體現(xiàn)Li2CO3的抑制作用,但不能表現(xiàn)出Li2CO3真實(shí)的抑制效果.建議未來研究中,在NaOH浸泡溶液中加入相同摩爾比的鋰鹽,以保持AMBT試驗(yàn)中摩爾比n(Li)/n(Na)不變,以觀察鋰鹽在AMBT中抑制ASR的有效性.

3) AMBT的判定齡期為14 d能夠有效檢測SCM抑制ASR的有效性,無需延長至28 d.

4) AMBT中,水泥堿含量不是影響SCM砂漿棒膨脹率的主要因素,無需對水泥堿含量進(jìn)行控制.

5) ASTM C1567[12]和TB 10424—2010[14]的限值標(biāo)準(zhǔn)是適用的,而GB/T 50733—2011[13]的限值標(biāo)準(zhǔn)則過于嚴(yán)格,可以作為判定SCM抑制ASR有效的標(biāo)準(zhǔn),不宜作為判定SCM抑制ASR無效的標(biāo)準(zhǔn).

參考文獻(xiàn)(References)

[2] Swamy R N.Thealkali-silicareactioninconcrete[M]. New York: Van Nostrand Reinhold, 1992: 1-3.

[3] Saha A K, Sarker P K. Expansion due to alkali-silica reaction of ferronickel slag fine aggregate in OPC and blended cement mortars [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2016,123: 135-142. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2016.06.144.

[4] Kandasamy S, Shehata M H. The capacity of ternary blends containing slag and high-calcium fly ash to mitigate alkali silica reaction [J].Cement&ConcreteComposites, 2014,49: 92-99. DOI:10.1016/j.cemconcomp.2013.12.008.

[5] Esteves T C, Rajamma R, Soares D, et al. Use of biomass fly ash for mitigation of alkali-silica reaction of cement mortars [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2012,26(1): 687-693. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2011.06.075.

[6] Kim T, Olek J. The effects of lithium ions on chemical sequence of alkali-silica reaction [J].CementandConcreteResearch, 2016,79: 159-168. DOI:10.1016/j.cemconres.2015.09.013.

[7] Leemann A, Bernard L, Alahrache S, et al. ASR prevention—Effect of aluminum and lithium ions on the reaction products [J].CementandConcreteResearch, 2015,76: 192-201.

[8] Leemann A, Loertscher L, Bernard L, et al. Mitigation of ASR by the use of LiNO3—Characterization of the reaction products [J].CementandConcreteResearch, 2014,59: 73-86. DOI:10.1016/j.cemconres.2014.02.003.

[9] Thomas M, Fournier B, Folliard K, et al. Test methods for evaluating preventive measures for controlling expansion due to alkali-silica reaction in concrete [J].CementandConcreteResearch, 2006,36(10): 1842-1856. DOI:10.1016/j.cemconres.2006.01.014.

[10] Latifee E R, Rangaraju P R. Miniature concrete prism test: Rapid test method for evaluating alkali-silica reactivity of aggregates [J].JournalofMaterialsinCivilEngineering, 2015,27(7): 04014215.DOI:10.1061/(asce)mt.1943-5533.0001183.

[11] ASTM. C441/C441M-11 Standard test method for effectiveness of pozzolans or ground blast-furnace slag in preventing excessive expansion of concrete due to the alkali-silica reaction [S]. West Conshohocken,USA: ASTM, 2011.

[12] ASTM. C1567-13 Standard test method for determining the potential alkali-silica reactivity of combinations of cementitious materials and aggregate (accelerated mortar-bar method)[S]. West Conshohocken,USA: ASTM, 2013.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50733—2011預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[14] 中華人民共和國鐵道部.TB 10424—2010鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

[15] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 14684—2011建設(shè)用砂[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[16] ASTM. C1260-14 Standard test method for potential alkali reactivity of aggregates (mortar-bar method)[S]. West Conshohocken,USA: ASTM, 2014.

[17] Feng X, Thomas M D A, Bremner T W, et al. Studies on lithium salts to mitigate ASR-induced expansion in new concrete: A critical review [J].CementandConcreteResearch, 2005,35(9): 1789-1796. DOI:10.1016/j.cemconres.2004.10.013.

[18] Millard M J, Kurtis K E. Effects of lithium nitrate admixture on early-age cement hydration [J].CementandConcreteResearch, 2008,38(4): 500-510. DOI:10.1016/j.cemconres.2007.11.009.

[19] Bektas F, Wang K, Ceylan H. Effect of portland cement fineness on ASTM C1260 expansion [J].JournalofTestingandEvaluation, 2008,36(5): 1-7.

[20] Berra M, Mangialardi T, Paolini A E. Testing natural sands for alkali reactivity with the ASTM C1260 mortar-bar expansion method [J].JournaloftheCeramicSocietyofJapan, 1998,106(1231): 237-241. DOI:10.2109/jcersj.106.237.

[21] Owsiak Z. Microstructure of alkali-silica reaction products in conventional standard and accelerated testing [J].CeramicsSilikaty, 2003,47(3): 108-115.