不同摻和料對砂巖骨料堿活性抑制效果的試驗

朱安龍 李寶仁 張軍

摘要：以洪屏抽水蓄能電站砂巖骨料堿活性抑制試驗為例，分別對粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及粉煤灰復(fù)合摻加硅灰的抑制效果進(jìn)行對比分析，同時對混凝土含氣量、含砂率的影響進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明，粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及粉煤灰復(fù)合摻加硅灰均可以有效抑制骨料的堿活性反應(yīng)，而且隨著混凝土含氣量的增加或含砂率的減小，骨料的堿活性反應(yīng)有所減弱。不同的摻和料起到有效抑制作用的摻量差別較大，粉煤灰、礦渣灰、硅灰達(dá)到有效抑制效果的摻量分別為30%、50%和4%。不同試驗方法得到的結(jié)果有一定差異，在選擇檢測方法時應(yīng)予以注意。

關(guān)鍵詞：砂巖：堿活性；摻和料；含氣量；含砂率；抑制效果；洪屏抽水蓄能電站

中圖分類號：TV431；TV641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.029

堿一骨料反應(yīng)（簡稱AAR）是影響混凝土耐久性的重要因素之一。混凝土工程一旦發(fā)生AAR反應(yīng)便難以遏制，不僅導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，而且促使影響混凝土耐久性的其他破壞作用加劇，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)喪失使用功能，危及工程安全。AAR不僅危害大，而且其破壞后基本無法修補(bǔ)，只能拆除重建，損失巨大，被稱為混凝土的“癌癥”。目前骨料的堿活性問題已得到工程界的普遍重視，對其抑制措施的研究成果也在工程中得到廣泛應(yīng)用，國外常用的外摻料有粉煤灰、?；郀t礦渣、硅灰及偏高嶺土，國內(nèi)常用的有粉煤灰、硅藻土和沸石，應(yīng)用最為廣泛的是粉煤灰。不同外摻料對混凝土性能的影響不同，如粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的增長主要表現(xiàn)在后期，具有很好的“強(qiáng)度潛力”：而硅灰活性高，其對混凝土強(qiáng)度增長的貢獻(xiàn)主要在前期，后期相對較緩慢。

洪屏抽水蓄能電站上下水庫共有4座大壩，分別為兩座混凝土面板堆石壩、一座常態(tài)混凝土重力壩、一座碾壓混凝土重力壩。壩體不同部位對混凝土性能的要求差別較大：混凝土面板是面板堆石壩重要的防滲結(jié)構(gòu)，長期處于水位變動區(qū)，工作條件較為惡劣，混凝土的強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性等要求均較高；碾壓混凝土重力壩表孔溢洪道表面混凝土對強(qiáng)度、抗沖耐磨性能要求較高：混凝土重力壩大體積混凝土對澆筑溫度控制要求較為嚴(yán)格。該工程采用地下硐室開挖料，巖性為變質(zhì)中粗砂巖，堿活性試驗檢測結(jié)果顯示為具有潛在危害性的活性骨料。在工程實際所用水泥下砂漿棒快速法和棱柱體法檢測的膨脹率分別達(dá)到0.40%和0.08%，膨脹率之高在國內(nèi)工程中較為少見，因此能否使用以及如何使用活性骨料是該工程建設(shè)面臨的一大難題。選用堿活性抑制方案時，需要綜合考慮摻和料對堿活性的抑制效果和對混凝土性能的影響。為了有效指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計，分別對粉煤灰、礦渣灰、硅灰的抑制效果進(jìn)行試驗，包括單獨摻加和復(fù)合摻加，同時進(jìn)行了含砂率、含氣量對堿活性的影響試驗。

1 試驗原材料

1.1 水泥

試驗用水泥為江西豐城南方水泥有限公司生產(chǎn)的南方牌P.042.5水泥（以下簡稱南方普硅）。水泥的化學(xué)成分分析執(zhí)行《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T 176-2008），水泥的品質(zhì)檢測執(zhí)行《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007），分析檢測結(jié)果見表1和表2。

1.2 粉煤灰

試驗使用上高縣鼎易工程服務(wù)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。粉煤灰的品質(zhì)檢驗執(zhí)行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰>（GB/T 1596-2005），化學(xué)成分見表3，品質(zhì)檢測結(jié)果見表4。檢測結(jié)果表明，粉煤灰的細(xì)度滿足GB/T 1596-2005對Ⅱ級粉煤灰的技術(shù)要求，其他性能均滿足I級粉煤灰的技術(shù)要求。

2 骨料堿活性檢測

2.1 檢測方法

骨料堿活性測試方法有巖相法、砂漿棒快速法及棱柱體法，不同的方法各有其優(yōu)缺點。為了使檢測結(jié)果更為可靠，分別采用上述三種方法進(jìn)行堿活性檢驗，以作綜合評判。由于是人工骨料，巖相單一，因此只對人工砂進(jìn)行堿活性檢驗。

2.2 檢測結(jié)果

2.2.1 巖相法

偏光顯微鏡顯示該碎石巖性為砂巖，具砂狀結(jié)構(gòu)，由碎屑和膠結(jié)物組成。碎屑的成分主要為石英（包括石英巖、硅質(zhì)巖巖屑）、巖屑，少量長石，多呈次圓狀一網(wǎng)狀，均為砂級碎屑。石英顆粒較粗、不屬微晶石英，部分具波狀消光，石英巖巖屑由顆粒較粗的石英組成、部分具波狀消光，硅質(zhì)巖巖屑主要由隱一微晶石英組成：巖屑主要為酸一中性火山巖，少部分為黏土巖巖屑等，酸一中性火山巖主要由隱一微晶長石、石英組成，部分具蝕變、由黏土質(zhì)生成，黏土巖主要由黏土質(zhì)組成，含部分細(xì)小長石、石英；長石不具堿活性。膠結(jié)物主要為黏土質(zhì)，少量石英，黏土質(zhì)呈顯微鱗片狀，石英呈隱一微晶狀，隱于黏土質(zhì)間。

碎屑和膠結(jié)物中粒徑小于0.05mm的隱一微晶石英占總量的IO%～15%.波狀消光石英約占總量的15%，這兩類石英均具有潛在堿硅活性，因此該碎石具有潛在堿硅活性。

2.2.2 試驗測試法

分別采用砂漿棒快速法及棱柱體法進(jìn)行骨料堿活性檢測。砂漿棒快速法顯示，在基準(zhǔn)水泥以及該工程實際采用的南方普硅下14d膨脹率分別達(dá)到0.448%、0.400%。棱柱體法結(jié)果顯示，該工程實際采用的南方普硅下52周膨脹率達(dá)到0.081%。根據(jù)規(guī)范均評判為具有潛在危害性活性骨料。

3 堿活性抑制方法與檢測結(jié)果

3.1 試驗方案設(shè)計

采用砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法檢測單摻或復(fù)合摻加粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及調(diào)整含砂率或含氣量等措施對骨料堿硅酸反應(yīng)活性的抑制效果。不同抑制措施試驗方案見表5。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 粉煤灰抑制效果

試驗結(jié)果（圖1）顯示，粉煤灰的抑制作用非常明顯，摻加20%以上的粉煤灰對砂巖骨料的堿活性有明顯的抑制效果，不同試驗方法的檢測結(jié)果基本一致。砂漿棒快速法檢測的14d膨脹率降低到-0.03%～-0.06%、269d膨脹率只有0.01%～0.07%，棱柱體法檢測的52周膨脹率僅為-0.003%～0.001%。

3.2.2 礦渣灰抑制效果

試驗結(jié)果（圖2）顯示，礦渣灰對砂巖堿活性具有抑制作用，但與粉煤灰相比抑制效果相對較差，而且不同試驗方法的檢測結(jié)果存在一定的差異。對摻30%～50%礦渣灰的試件，砂漿棒快速法檢測的14d膨脹率為0.05%～0.20%，只有摻量為50%的試件檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求，而且后期膨脹率增加明顯，269d膨脹率為0.16%～0.44%。但棱柱體法檢測的52周膨脹率為0.001%～0.007%，三種摻量的抑制效果均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 硅灰抑制效果

試驗結(jié)果（圖3）顯示，摻加4%以上的硅灰可以有效抑制砂巖骨料的堿活性，其變化規(guī)律和礦渣灰相似。砂漿棒快速法檢測的14d膨脹率降低到-0.01%～-0.02%，雖然均滿足規(guī)范的評定要求，但其后開始膨脹，269d膨脹率達(dá)到0.14%～0.28%。棱柱體法檢測的52周膨脹率為-0.001%～0.005%，抑制效果與礦渣灰接近，均滿足規(guī)范評定要求。

3.2.4 粉煤灰和硅灰復(fù)摻抑制效果

試驗結(jié)果（圖4）顯示，在摻加20%粉煤灰基礎(chǔ)上復(fù)摻4%以上硅灰同樣可以有效抑制砂巖骨料的堿活性，與單獨摻加20%粉煤灰相比抑制效果更好，其變化規(guī)律與單獨摻加粉煤灰相似。砂漿棒快速法檢測的14d膨脹率為-0.02%～-0.03%.269d膨脹率為0.04%～0.06%：棱柱體法檢測的52周膨脹率降低到-0.005%～-0.003%，均滿足規(guī)范評定要求。

3.2.5 含砂率的影響

試驗結(jié)果（圖5）顯示，含砂率對膨脹率也存在一定的影響，提高含砂率時混凝土膨脹率變大，棱柱體法檢測的45%含砂率52周的混凝土膨脹率比30%含砂率的增大11%左右。

3.2.6 含氣量的影響

通過調(diào)整引氣劑摻量得到1.0%～9.3%含氣量的砂漿，可以看出含氣量對后期膨脹率有一定的影響（圖6）。隨著含氣量的增加試件的膨脹性有所減弱，192d時9.3%含氣量砂漿膨脹率是1%含氣量砂漿膨脹率的74%左有。

3.3 堿活性抑制機(jī)理分析

砂巖骨料堿活性反應(yīng)屬于堿一硅酸鹽反應(yīng)，其作用機(jī)理是骨料中的堿活性成分二氧化硅在混凝土硬化后逐漸與堿發(fā)生反應(yīng)，生成堿硅酸鹽膠凝體。堿硅酸鹽膠凝體集聚后具有吸水膨脹的作用，從而使混凝土產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力而開裂。抑制堿活性反應(yīng)就是采取一定的措施使水泥中的鉀、鈉離子處于非游離狀態(tài)，或者使混凝土硬化后生成的堿硅酸鹽膠凝體處于非聚集狀態(tài)。

（1）活性礦物細(xì)粉作用機(jī)理。對比試驗中采用的硅灰、粉煤灰、礦渣灰中含活性硅，活性硅與混凝土漿液中游離的鉀鈉離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成細(xì)而分散的堿硅凝膠。該堿硅凝膠一方面將仍處于游離態(tài)的鉀鈉離子包裹，將其轉(zhuǎn)換為非游離態(tài)，減緩骨料堿活性反應(yīng)：另一方面礦粉顆粒細(xì)，生成的堿硅凝膠呈非集聚狀態(tài)，減緩了吸水膨脹的作用。因此，摻和的礦粉顆粒越細(xì)小、活性硅含量越高，其抑制效果越明顯。本次試驗所反映的硅粉、粉煤灰、礦渣灰抑制效果差異即源于此。

（2）含氣量作用機(jī)理?；炷羶?nèi)部氣體以均勻分布的細(xì)微氣泡形式存在，能夠阻礙游離態(tài)鉀鈉離子與骨料堿活性礦物之間的反應(yīng)，因此起到抑制堿活性反應(yīng)的作用。

（3）含砂率作用機(jī)理。試驗采用的是人工砂，同樣具有堿活性。砂子與粗骨料相比比表面積大，當(dāng)含砂量增大時，骨料與水泥內(nèi)堿性物質(zhì)接觸的面積增大，堿活性礦物與游離態(tài)的鉀鈉離子發(fā)生反應(yīng)的速度與激勵程度也隨之增大。

4 結(jié)論和建議

（1）堿活性抑制試驗表明，粉煤灰、礦渣灰、硅灰均可作為洪屏工程砂巖骨料堿活性抑制物。試驗可為高膨脹性砂巖骨料在大型水電工程應(yīng)用中混凝土配合比設(shè)計提供依據(jù)。

（2）試驗表明，針對洪屏工程所采用的砂巖骨料，粉煤灰摻量大于20%、礦渣灰摻量大于50%或者硅灰摻量大于4%均可達(dá)到有效的抑制效果。含砂率和含氣量對骨料的膨脹性也有一定的影響。從抑制效果的穩(wěn)定性上看，粉煤灰抑制效果較為穩(wěn)定，摻加礦渣灰、硅灰試件后期膨脹率均有一定程度的增長。

（3）在粉煤灰摻量為20%的前提下，復(fù)摻硅灰可以進(jìn)一步抑制混凝土的堿活性。由于復(fù)合摻加的試驗中粉煤灰的含量較高，已具有明顯的抑制效果，因此復(fù)摻硅灰的效果未能得到明顯體現(xiàn)。實際工程應(yīng)用中如果因混凝土其他性能要求，某種礦粉添加量不能滿足堿活性抑制要求時，可以考慮復(fù)合摻加其他礦粉。

（4）本次試驗所揭示的不同測試方法之間的差異對堿活性抑制試驗方法的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)砂巖骨料采用礦渣灰或者硅灰作為抑制材料時，砂漿棒快速法檢測試件后期膨脹率增長較大，采用14d齡期測試結(jié)果進(jìn)行評判可能導(dǎo)致偏差過大，因此在進(jìn)行骨料堿活性測試或者抑制試驗時，建議采用兩種或兩種以上的檢測方法進(jìn)行測試，綜合評判。