ASR與凍融耦合作用下?lián)戒囋炷翐p傷研究?

秦擁軍，謝旖，張亞斌

(新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

混凝土耐久性問題由來已久，許多工程未達到設計使用年限因耐久性不足而劣化破壞.由于混凝土所處的工作環(huán)境相當復雜，導致混凝土耐久性破壞的原因往往是多種因素共同作用的結果，其中包括凍融循環(huán)、堿集料反應、碳化、硫酸鹽腐蝕等.現(xiàn)階段，學者對混凝土耐久性問題的研究主要集中于硫酸鹽、鹽堿與凍融循環(huán)耦合作用[1?5].對于堿硅酸反應與凍融循環(huán)耦合作用的研究較少.我國西北寒冷地區(qū)的混凝土耐久性問題，特別是凍融循環(huán)和堿骨料反應問題尤為突出，其中，堿骨料反應中堿硅酸反應是最常見的類型.因此，有必要對凍融循環(huán)與堿硅酸反應(alkali silicate reaction,ASR)耦合作用進行試驗探究.

對于抑制混凝土堿骨料反應，在實際工程中應用最廣泛、最經(jīng)濟有效的是摻入礦物摻和料，學者們對此進行了比較深入的研究[6?10].作為鋰鹽成產(chǎn)過程中排出的工業(yè)廢料，鋰渣是具有一定火山灰活性礦物摻合料.研究表明混凝土中摻入適量鋰鹽可以較好地抑制堿骨料反應，其抑制機理主要是在集料周圍形成了含鋰鹽的非膨脹性產(chǎn)物，阻止堿對活性骨料的進一步侵蝕[11?16].因為礦物摻合料具有火山灰效應和填充效應，能夠改善混凝土的內部微觀結構，提高混凝土的密實性.而針對摻入鋰渣的混凝土在凍融循環(huán)與堿骨料反應耦合作用下的研究尚不多見.基于此，本文對摻入鋰渣的混凝土進行凍融循環(huán)與ASR協(xié)同作用下的試驗，探究混凝土在協(xié)同作用下的損傷規(guī)律與特點，為正確評估混凝土在凍融循環(huán)與ASR耦合作用下的耐久性提供依據(jù).

1 試驗設計

1.1 原材料

采用天山牌P·42.5R普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料采用鋰渣粉，鋰渣及水泥化學成分見表1；骨料為當?shù)氐奶烊簧昂吞烊宦咽?，使用鄂式破碎機將骨料破碎成10 mm以下粒徑，然后再篩分成規(guī)范要求的級配；試劑采用分析純KOH和NaOH；水采用實驗室自來水，符合JGJ3―2006混凝土拌合用水標準的規(guī)定.

表1 鋰渣和水泥化學成分(%)Tab 1 Chemical composition analysis of lithium slag and cement (%)

1.2 試驗方案設計

采用C30的普通混凝土基準配合比，以鋰渣摻量（0%、10%、20%、30%，鋰渣摻量等質量替代水泥）為變量（見表2），以混凝土試件的膨脹率、相對動彈性模量和質量損失率三個指標來探究ASR與凍融耦合作用下混凝土的損傷效應.

表2 混凝土配合比(kg·m?3)Tab 2 Proportions of concrete mix concrete composition (kg·m?3)

1.3 試驗內容

1.3.1 先進行堿硅酸反應再進行凍融循環(huán)

試驗試件成型后先放入80?C、1 mol/L NaOH溶液中養(yǎng)護28 d進行堿硅酸反應，測量試件的基準長度、初始橫向基頻以及試件的初始質量，并測量其7 d、14 d、21 d、28 d的膨脹率、相對動彈性模量和質量損失率.膨脹率根據(jù)SL352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》中骨料堿活性檢驗(砂漿棒快速法)測定；相對動彈性模量采用北京首瑞大同測控技術有限公司生產(chǎn)的DT-60型動彈性模量測定儀進行測定；質量損失率參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[17]中規(guī)定的測試方法進行測定.測量完成后開始進行凍融循環(huán)，根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的相關內容，采用快凍法，為了保證試件不被破壞，本試驗凍融循環(huán)次數(shù)為20次和40次.每進行20次凍融循環(huán)，測量試件的膨脹率、相對動彈性模量和質量損失率，測量完畢后，將試件上下顛倒重新放入試件盒中，繼續(xù)進行凍融試驗.并對耦合作用和單一作用進行對比分析，探究前期ASR對后期凍融循環(huán)的影響.

1.3.2 先進行凍融循環(huán)再進行堿硅酸反應

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》的相關內容，采用快凍法，試驗試件成型后先標準養(yǎng)護28 d再放入快速凍融機內進行20次和40次凍融循環(huán)，每進行20次凍融循環(huán)，測量試件的膨脹率、相對動彈性模量和質量損失率，測量完畢后，將試件上下顛倒重新放入試件盒繼續(xù)進行凍融試驗.凍融循環(huán)后再放入80?C 1 mol/L NaOH溶液中養(yǎng)護28 d進行堿硅酸反應，分別測量其7 d、14 d、21 d、28 d的膨脹率、相對動彈性模量和質量損失率.并對其耦合作用和單一作用對比分析，探究前期凍融循環(huán)對后期ASR的影響.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

圖1為試件在80?C 1 mol/L NaOH溶液中養(yǎng)護28 d外觀，由圖1可以看出試件經(jīng)歷28 d的ASR后，表面開始出現(xiàn)泛白以及點蝕，說明試件發(fā)生了堿硅酸反應，但由于養(yǎng)護時間較短，試件表面的損傷并不明顯.圖2為試件凍融40次的形貌，試件表面開始出現(xiàn)脫落，尤其是混凝土的澆筑面最為明顯，主要原因為混凝土在成型振動時，有效的水灰比被改變，在凍融時易發(fā)生剝離現(xiàn)象.另外試件中摻入適量的鋰渣可以有效改善混凝土的抗凍性，減少混凝土表面脫落.圖3為ASR和凍融40次耦合作用下試件形貌，由圖3可以看出經(jīng)歷過ASR和凍融耦合作用的試件表面出現(xiàn)了大量的網(wǎng)狀裂紋，混凝土澆筑面表層大量脫落，相對于單一ASR和單一凍融來說，耦合作用下混凝土的損傷更加嚴重.

圖1 ASR 28 d試件外觀Fig 1 Appearance of the specimen for ASR 28 d

圖2 凍融40次試件外觀Fig 2 Appearance of the specimen for 40 freeze-thaw cycles

圖3 ASR+凍融40次耦合作用試件外觀Fig 3 Appearance of the specimen for ASR and 40 freeze-thaw cycles

2.2 先ASR再凍融循環(huán)耦合損傷效應

2.2.1 相對動彈性模量

圖4(a)為試件在不同鋰渣摻量下相對動彈性模量的變化.ASR前期，試件的相對動彈性模量下降較為緩慢，凍融循環(huán)后相對動彈性模量迅速下降，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，下降速率增大；結合表3試驗數(shù)據(jù)分析，相較于單一凍融循環(huán)20次和40次，前期經(jīng)過ASR作用的試件，相對動彈性模量下降地更多.鋰渣摻量20%時，單一ASR與單一凍融循環(huán)20次，40次相對動彈性模量分別為94.87%，97.69%，89.24%；ASR-凍融循環(huán)耦合作用下相對動彈性模量分別為90.51%，81.22%，分別下降了7.18%，8.02%，說明前期ASR對混凝土造成了損傷，加劇了后期凍融循環(huán)的破壞，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的損傷越嚴重，普通混凝土的相對動彈性模量變化與摻鋰渣混凝土變化一致.

表3 單一凍融循環(huán)作用下試驗結果Tab 3 Test results under single freeze-thaw cycle

圖4(b)表明，在ASR-凍融循環(huán)耦合作用下，試件相對動彈性模量隨鋰渣摻量的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，摻量20%時最優(yōu)，主要原因是鋰渣中活性SiO2先于集料中的活性SiO2和Ca(OH)2發(fā)生反應，形成致密的硅酸鈣，起到了彌補水泥漿與骨料之間界面過渡區(qū)微裂縫的作用，進而提高了試件的相對動彈性模量，但摻入量過多使得混凝土水化不完全，反應需要的Ca(OH)2增加，導致反應速率緩慢，進而造成混凝土試件的損傷.

圖4 ASR-凍融循環(huán)耦合作用下相對動彈性模量Fig 4 Relative dynamic modulus under the combined action of ASR-freeze-thaw cycle

2.2.2 膨脹率

圖5(a)為試件膨脹率的變化，在ASR作用下，試件膨脹率隨齡期的增長緩慢增大，但后期進行凍融循環(huán)時，其膨脹率隨凍融次數(shù)的增加迅速增大.結合表3試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，試件前期經(jīng)過ASR，后期再進行凍融循環(huán)20次和40次的膨脹率均大于單一凍融循環(huán)以及單一ASR與單一凍融循環(huán)作用下之和的膨脹率，說明前期ASR對混凝土造成了一定程度的損傷，并且ASR-凍融循環(huán)雙重因素作用下對混凝土造成的損傷不是二者單一作用效應的簡單疊加，而是表現(xiàn)為一種超疊加效應.主要原因是前期ASR作用下，混凝土中堿與骨料中活性SiO2發(fā)生化學反應，生成堿硅酸凝膠吸水，使得混凝土膨脹，受到一定的損傷，在后期進行凍融循環(huán)時，水分通過ASR形成的微小裂縫滲透進混凝土內部，溫度較低時結冰，增大了混凝土的膨脹，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的破壞加劇.

圖5 ASR-凍融循環(huán)耦合作用下的膨脹率Fig 5 Expansion rate under the combined action of ASR-freeze-thaw cycle

由圖5(b)可見，在不同凍融循環(huán)次數(shù)的耦合作用下試件膨脹率隨鋰渣摻量的增加，大致呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，并且均小于對照組，摻量為20%時最優(yōu).

2.2.3 質量損失率

圖6(a)為試件質量損失率的變化，在進行ASR前期，試件的質量損失率表現(xiàn)為不同程度的負增長，隨著ASR的進行，試件的質量損失增長緩慢；后期進行凍融循環(huán)時，試件的質量損失率快速增加.試件質量增加的主要原因是混凝土中的堿與骨料中的活性SiO2發(fā)生化學反應，生成堿硅酸凝膠吸水膨脹.在試驗后期隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質量損失快速增長.其變化規(guī)律與膨脹率類似.

由圖6(b)可知，隨著鋰渣摻量的增加，質量損失率表現(xiàn)為先減小后增加，摻量20%時，試件質量損失率最小，與相對動彈性模量與膨脹率指標規(guī)律一致，說明摻入適量的鋰渣對ASR-凍融耦合作用下混凝土損傷有一定的抑制作用.

圖6 ASR-凍融循環(huán)耦合作用下的質量損失率Fig 6 Mass loss rate under the coupling action of ASR-freeze-thaw cycle

2.3 先凍融循環(huán)再ASR耦合損傷效應

2.3.1 膨脹率

圖7(a)、圖7 (c)為試件在D20+ASR，D40+ASR耦合作用下膨脹率的變化，凍融階段，試件的膨脹率變化速率很快，進行ASR后，膨脹率變化逐漸緩慢；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件ASR前期的膨脹率變化速率增大，說明凍融循環(huán)次數(shù)越大，對試件造成的損傷越大，主要原因是早期凍融循環(huán)次數(shù)越多，可能使得堿的遷移和富集更嚴重，進而加速了試件在ASR下的破壞；結合表4數(shù)據(jù)分析，鋰渣摻量20%混凝土試件單一凍融20次，40次與ASR 28 d膨脹率分別為0.069%，0.170%，0.123%，凍融20次+ASR 28 d膨脹率為0.265%，凍融40次+ASR 28 d膨脹率為0.388%，D20與28 d ASR反應的各自膨脹率之和為0.192%，比經(jīng)過20次凍融循環(huán)再進行28 d ASR作用反應的膨脹率小0.073%；D40與28 d ASR反應的各自膨脹率之和為0.293%，比經(jīng)過40次凍融循環(huán)再進行28 d ASR反應的膨脹率小0.095%，這說明凍融循環(huán)促進了ASR 進行，并隨著凍融次數(shù)的增加，其促進作用加強；在凍融循環(huán)+ASR耦合作用下，試件的膨脹率均大于單一作用下膨脹率之和，與先ASR后凍融循環(huán)耦合作用對比，凍融-ASR耦合作用下試件的膨脹率更大，說明試件在凍融-ASR作用下劣化程度更大.

表4 ASR單一作用下試驗結果Tab 4 Test results under single ASR action

由圖7(b)、圖7(d)可知，鋰渣的摻入對混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)+ASR耦合作用下的劣化有一定的抑制作用，表現(xiàn)為隨著鋰渣摻量的增多，試件的膨脹率呈先下降后上升的趨勢，且均小于對照組，在摻量為20%時，其膨脹率最小.

圖7 凍融循環(huán)+ASR耦合作用下的膨脹率Fig 7 The expansion rate under the combined action of freeze-thaw cycle and ASR

2.3.2 相對動彈性模量

圖8(a)、圖8(c)為D20+ASR，D40+ASR耦合作用下試件的相對動彈性模量變化，D20+ASR作用下，試件的相對動彈性模量前期下降比較緩慢，隨著齡期的增加，試件的相對動彈性模量平穩(wěn)下降；D40+ASR作用下，試件的相對動彈性模量下降速率很快，在ASR前期，相對動彈性模量有增加的趨勢，隨著ASR的進行，試件的相對動彈性模量下降，其下降速率大于D20+ASR作用下，說明凍融循環(huán)次數(shù)增加，加劇了試件的內部損傷，其變化規(guī)律與膨脹率一致.

圖8 凍融循環(huán)+ASR耦合作用下的相對動彈性模量Fig 8 The relative dynamic elastic modulus under the combined action of freeze-thaw cycle and ASR

由圖8(b)、圖8(d)分析可知，鋰渣對混凝土在凍融+ASR耦合作用下的損傷有一定的抑制作用，隨著鋰渣摻量的增加其相對動彈性模量表現(xiàn)為先增加后減小，并且均大于對照組，鋰渣摻量為20%時最優(yōu)，試件的相對動彈性模量損失最小，與膨脹率變化規(guī)律一致.圖8(d)中，試件經(jīng)過7 d ASR，其相對動彈性模量高于凍融循環(huán)40次，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于凍融40次給混凝土造成了較大的損傷，凍融破壞會使混凝土形成一些裂縫，早期ASR生成的堿硅酸凝膠，可以填充前期凍融破壞產(chǎn)生的裂縫和孔隙，增強混凝土的密實度，在一定程度上提高了混凝土的動彈性模量.

2.3.3 質量損失率

圖9(a)、圖9(c)為試件在D20+ASR,D40+ASR耦合作用下質量損失率的變化，前期凍融循環(huán)階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件質量損失速率增加；試驗進入ASR階段，試件質量損失率增長比較緩慢，隨著ASR反應的進行，試件質量損失速率逐漸增加，這是由于前期凍融循環(huán)階段對混凝土造成一定損傷，產(chǎn)生一些小裂縫，當進入到ASR階段時，養(yǎng)護液中的堿會經(jīng)過裂縫滲透進混凝土內部發(fā)生ASR，早期ASR生成的一部分堿硅酸凝膠會填充到混凝土裂縫中，減少混凝土的質量損失，但隨著ASR不斷加劇，膨脹越來越大，損傷也越來越大，混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，生成的一部分堿硅酸凝膠也可能通過裂縫流出，表皮砂漿也開始繼續(xù)脫落，其質量損失逐漸增大.

圖9 凍融循環(huán)+ASR耦合作用下的質量損失率Fig 9 Mass loss rate under the coupling action of freeze-thaw cycle and ASR

由圖9(b)、圖9(d)可知，凍融+ASR耦合作用的試件在摻入鋰渣后，其質量損失率呈現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，并且均小于普通混凝土，說明鋰渣對凍融+ASR耦合作用的損傷有抑制作用，鋰渣摻量為20%時，抑制效果最優(yōu)；圖9(d)中鋰渣摻量為20%在7 d ASR下的質量損失率最小，主要原因是鋰渣中活性SiO2先于集料中的活性SiO2和Ca(OH)2發(fā)生反應，形成致密的硅酸鈣，起到彌補水泥漿與骨料之間界面過渡區(qū)微裂縫的作用，減少試件質量損失.

3 ASR與凍融耦合作用破壞機理分析

通過對ASR和凍融循環(huán)耦合作用下的膨脹率、相對動彈性模量以及質量損失率三個指標進行分析，發(fā)現(xiàn)耦合作用對混凝土的破壞程度大于其單一作用的破壞程度.堿集料反應和凍融循環(huán)都會使混凝土產(chǎn)生膨脹開裂.開裂對混凝土滲透性及混凝土劣化是一個鏈鎖反應，裂紋為滲透通道互相連通創(chuàng)造了條件進而提高混凝土的滲透性，水和一些侵蝕性離子就會滲入混凝土內部，易使混凝土劣化.當混凝土遭受凍融時，內部孔隙水會凍結膨脹，使混凝土內部產(chǎn)生細微裂縫，外界的水分、堿離子就會沿著細微裂縫滲透進混凝土內部，促進混凝土ASR的進行，生成更多的堿硅酸凝膠，吸水膨脹，形成更多更大的裂縫，當混凝土再受到冰凍作用時，裂縫中的冰又加深裂縫的發(fā)展，如此循環(huán)加速了混凝土破壞；另外，凍融循環(huán)過程中會導致堿集料遷移和富集，也會促進ASR的進行.所以，當具有潛在ASR的混凝土結構處在凍融交替循環(huán)的環(huán)境中時，ASR與凍融破壞作用相互提供了損傷條件，表現(xiàn)為協(xié)同破壞.

4 結論

(1)混凝土先經(jīng)ASR后進行凍融循環(huán)作用時，ASR對凍融循環(huán)有一定促進作用.隨著ASR程度加大，混凝土會形成微裂紋，對混凝土造成一定程度損傷，從而降低混凝土的抗凍性；

(2)混凝土先經(jīng)凍融循環(huán)后進行ASR時，凍融循環(huán)對ASR有促進作用，前期在凍融條件下，混凝土表皮脫落開裂，加劇了外界的堿和水分滲進混凝土內部，加速ASR的發(fā)生，進而加劇了混凝土的損傷；

(3)鋰渣的加入對混凝土在ASR與凍融循環(huán)耦合作用下的損傷有抑制作用，最佳摻量為20%；

(4)混凝土試件在ASR與凍融循環(huán)耦合作用下，其劣化值均大于單一ASR與單一凍融作用下劣化值，甚至超過兩者單一作用下劣化值之和，即ASR與凍融循環(huán)對混凝土的破壞為協(xié)同破壞，且表現(xiàn)為超疊加效應.