堿活性石英砂巖粉對砂漿體積變化影響試驗研究

王 瑞 一 嘉，李 家 正，李 明 霞，李 鵬 翔

(長江科學院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

被稱為混凝土癌癥的堿-硅酸反應(ASR)是研究混凝土體積穩(wěn)定性的重要課題之一。工程建設中本著就地取材、節(jié)約成本、保護環(huán)境的原則，很多大型水利工程不得不選用一些存在堿活性或者潛在堿活性的骨料，這些結(jié)構(gòu)中的混凝土ASR問題尤其值得關注[1-4]。現(xiàn)行DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》對混凝土粗骨料的品質(zhì)指標提出了明確要求[5]，并規(guī)定使用堿活性骨料應進行專項試驗論證。

堿-硅酸反應是指混凝土中的堿與混凝土骨料中所含的無定形二氧化硅(蛋白石、隱晶質(zhì)纖維狀玉髓和晶質(zhì)鱗石英等)發(fā)生化學反應，并在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后凝膠體體積遠遠大于反應前固體體積，最大時體積可增大3倍以上，導致混凝土脹裂的現(xiàn)象。ASR是一個化學、力學和熱力學耦合的復雜過程，與環(huán)境介質(zhì)的堿度、溫度、濕度、骨料的活性和粒徑、反應時間等因素關系密切[6-7]。ASR過程緩慢，常在大體積混凝土結(jié)構(gòu)建成幾年甚至幾十年后才表現(xiàn)出來，世界范圍內(nèi)水工混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)堿骨料破壞的工程實例屢見不鮮。水工混凝土中骨料體積比一般在80%以上，因此，骨料性質(zhì)對混凝土的質(zhì)量影響很大。有學者研究表明，堿-硅酸反應發(fā)生的速率受硅質(zhì)骨料顆粒尺寸的控制，細顆粒(20～30 μm)在4～8周內(nèi)就會引起膨脹，而較大尺寸顆粒的膨脹發(fā)生在幾年后[8-13]。

本次研究將具有ASR反應活性的石英砂巖磨至一定細度，對比測試不同摻量、溫度、濕度、堿度、細度對ASR膨脹量的影響，分析堿活性石英砂巖粉最不利摻量范圍和最不利顆粒尺寸，探討通過控制粒度和摻量來抑制堿-硅酸反應產(chǎn)生的體積膨脹。

1 試驗方法及原材料

試驗方法參照DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》[14]中砂漿棒長度法進行，試驗設備包括：① 篩；② 膠砂攪拌機、量筒、跳桌等；③ 鏝刀及硬木制搗棒；④ 試模和測頭；⑤ 養(yǎng)護筒；⑥ 測長儀或長比儀；⑦ 養(yǎng)護設備。

試件尺寸25.4 mm×25.4 mm×285.0 mm，每3條為一組試件，基準試件每組材料用量為：400 g水泥、900 g砂、160 mL水，具有堿-硅酸反應活性的不同細度巖粉按水泥的質(zhì)量比摻入，同時等質(zhì)量減少水泥用量。不同養(yǎng)護溫度的砂漿棒在規(guī)定齡期測試前先在(20±3) ℃環(huán)境靜置24 h，待成型完畢，脫模后立即測量試件的長度。測量后將試件調(diào)頭放入養(yǎng)護筒中，繼續(xù)養(yǎng)護到下一測試齡期。

水泥采用華新PM42.5中熱水泥，堿含量0.39%，MgO含量4.9%，密度3.20 cm3/g；砂采用標準石英砂(符合ISO679)，密度2.65 cm3/g；ASR活性巖粉采用石英砂巖，密度2.70 cm3/g，分別磨細至不同細度或篩分，得到3種不同細度：① 粒徑>0.16 mm的連續(xù)級配巖粉；② 粒徑在0.08～0.16 mm之間的連續(xù)級配巖粉；③ 粒徑<0.08 mm的連續(xù)級配巖粉。

黑色變質(zhì)石英砂巖呈粉砂質(zhì)泥狀結(jié)構(gòu)，水平層理構(gòu)造。巖石由粉砂(50%)、泥質(zhì)(40%)以及黑色有機透鏡狀集合體(10%)組成。粉砂的主要成分是單礦物石英(27%)，次之是黑云母(3%)。大多數(shù)粉砂呈棱角狀或次棱角狀，絕大多數(shù)粒度在0.02 mm左右，雜亂分布，無方向性。泥質(zhì)由黏土質(zhì)、有機質(zhì)和伊利水云母黏土礦物組成。透鏡狀黑色有機質(zhì)主要在有機質(zhì)較多的紋層中出現(xiàn)，為黑色，不透明，定向分布；多數(shù)透鏡體長0.50 mm，寬0.25 mm。

2 試驗方案及試驗結(jié)果分析

2.1 試驗方案

試驗水平包括：① 不同養(yǎng)護溫度(20，38，60 ℃)；② 不同養(yǎng)護濕度(自然養(yǎng)護，100%)；③ 不同堿-硅酸反應活性巖粉摻量(5%，10%，按水泥質(zhì)量計并等質(zhì)量替代水泥)；④ 不同堿-硅酸反應活性巖粉粒徑(>0.16 mm，0.16～0.08 mm，<0.08 mm)；⑤ 不同堿含量(通過摻加NaOH使水泥中的當量堿含量分別為1.0%，3.0%，5.6%)。

2.2 試驗配合比

砂漿配合比按表1計算，砂漿的拌和、成型、養(yǎng)護及性能試驗均按DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規(guī)程》的相關規(guī)定進行[15]。

表1 單位體積砂漿中材料組成Tab.1 Material composition in 1 m3 mortar

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1幾個假設

考慮ASR活性巖粉較細，以及對體積變化定量計算的需要，作出如下假設：① 同一種類細度活性巖粉在相同反應條件下反應速度和體積變化相同；② 試件產(chǎn)生的收縮變形基于水泥，膨脹變形基于水泥中的氧化鎂和ASR活性反應；③ 線性變形和體積變形各向同性；④ 石英砂體積穩(wěn)定，對不同凝膠體的收縮限制作用相同；⑤ 砂漿中的拌和水足夠氧化鎂水化需要，其膨脹特性與是否養(yǎng)護無關。

2.3.2體積變形計算方法

(1) 線性膨脹或收縮率。

(1)

式中：ε為膨脹率或收縮率，正值表示膨脹，負值表示收縮；L0為試件原始長度；ΔL為影響因素作用下試件的長度變化量。

(2) 體積膨脹和收縮率。

(2)

式中：θ為體積膨脹率或收縮率，正值表示膨脹，負值表示收縮；V0為試件原始體積；ΔV0為影響因素作用下試件的體積變化量。

2.3.3結(jié)果分析

(1) 養(yǎng)護溫度的影響。本次試驗采用的中熱水泥中氧化鎂含量為4.9%。自然養(yǎng)護條件下(武漢，20 ℃)，氧化鎂7 d前略有膨脹，7 d后持續(xù)收縮；養(yǎng)護溫度升高到38 ℃后，氧化鎂膨脹反應仍不明顯，高溫養(yǎng)護會加大砂漿的后期收縮(見圖1)；溫度升高到60 ℃，水泥中MgO早期膨脹反應明顯，7 d后轉(zhuǎn)為收縮，但收縮量不大，總體穩(wěn)定，7～84 d收縮的絕對值明顯降低。

摻入5%～10%堿活性巖粉替代水泥并自然養(yǎng)護，20 ℃，38 ℃時堿活性巖粉并未表現(xiàn)出理論上的堿活性膨脹反應，而是與其他非活性的石粉類似，表現(xiàn)為收縮略有增加；60℃時，堿活性巖粉仍未表現(xiàn)出堿活性膨脹，但后期體積穩(wěn)定性比純水泥略好。

由此可以得出結(jié)論：常溫下自然養(yǎng)護，不會因堿活性巖粉的摻入增加砂漿前期的膨脹或減少砂漿后期的收縮。

圖1 不同溫度對ASR膨脹量影響Fig.1 Effect of different temperatures on ASR expansion

(2) 養(yǎng)護濕度的影響。加濕條件下的砂漿體積收縮或膨脹，包括因濕度條件改變引起的濕脹(物理變化)，以及因濕度改變導致化學反應條件變化從而引起的堿活性巖粉和水泥內(nèi)含氧化鎂膨脹值的變化(化學變化)。

100%濕度養(yǎng)護下，20 ℃時氧化鎂在7 d前微膨脹，28 d后略微收縮，相比自然養(yǎng)護，7～84 d間收縮的增加值緩慢增長，且當加入10%堿活性巖粉摻量替代水泥時這種趨勢最明顯。38 ℃時氧化鎂7 d膨脹反應不明顯，14 d后持續(xù)收縮，直到56 d出現(xiàn)膨脹拐點，56 d后膨脹反應較為明顯，7～84 d間收縮的增加值處于一個很小的變化范圍內(nèi)，相比自然養(yǎng)護，56 d前的膨脹反應較為穩(wěn)定，56 d后出現(xiàn)收縮增加值明顯增大的趨勢，且這種趨勢還在進一步擴大。60 ℃時氧化鎂在7 d和28 d兩個節(jié)點后出現(xiàn)小幅收縮，但總體呈穩(wěn)定膨脹的趨勢，當加入10%堿活性巖粉替代水泥時，膨脹反應最為明顯，相比自然養(yǎng)護，7～84 d收縮增加值隨齡期發(fā)展有逐漸增加的趨勢(見圖2)。

由此可以得出結(jié)論：自然養(yǎng)護下，砂漿膨脹值低于100%濕度養(yǎng)護下的膨脹值，部分情況下砂漿收縮；100%濕養(yǎng)條件下，大部分情況下砂漿膨脹，晚齡期膨脹值較高，不利于砂漿體積穩(wěn)定性。

圖2 養(yǎng)護濕度對ASR膨脹量影響(堿含量1%)Fig.2 Effeet of different curing humidities on ASR expansion(Alkali content of 1%)

(3) 堿含量的影響。在38 ℃，100%濕養(yǎng)條件下，不摻堿活性巖粉的試件隨著堿含量的上升，在14 d后和56 d后的收縮趨勢較為明顯。選用0.08～0.16 mm粒徑的堿活性巖粉，摻入5%替代水泥時，隨著堿度的增大，28 d后試樣持續(xù)膨脹，且此趨勢有不斷擴大的跡象(見圖3)。但總體來看，粒徑0.08～0.16 mm的巖粉對于堿度這個因素不太敏感。而對于粒徑小于0.08 mm的堿活性巖粉，在相同摻量下，堿度越高，膨脹值越大，其中摻10%巖粉的試件收縮率最高(見圖4)，摻5%巖粉的試件膨脹反應最明顯。

由此可以得出結(jié)論：只有特定粒徑下的堿活性巖粉會因堿含量的提高而增加砂漿前期的膨脹并減小砂漿后期的收縮，不利于砂漿后期的穩(wěn)定性。

圖3 堿含量對ASR膨脹量影響 (巖粉粒徑0.08～0.16 mm)Fig.3 Effect of alkali contents on ASR expansion (rock powder size of 0.08～0.16 mm)

圖4 堿含量對ASR膨脹量影響 (巖粉粒徑<0.08 mm)Fig.4 Effect of alkali contents on ASR expansion (rock powder size less than 0.08 mm)

(4) 堿活性巖粉粒徑的影響。在38 ℃，100%濕養(yǎng)條件下，不同堿濃度環(huán)境下?lián)饺?.08～0.16 mm粒徑巖粉的試件均有膨脹反應，且在低堿度下膨脹值隨巖粉摻量的增加而降低，摻量10%時降低較為明顯。而不同堿濃度環(huán)境下?lián)饺肓?0.08 mm巖粉的試件基本處于膨脹狀態(tài)，低堿度下?lián)饺霂r粉后，膨脹值降低較為明顯，但巖粉摻量為10%時，試件收縮。高堿度下?lián)饺霂r粉后，摻量少時膨脹值降低不明顯。同摻量且低堿度的環(huán)境下，摻0.08～0.16 mm粒徑巖粒的試件膨脹率均大于摻小于0.08 mm粒徑巖粒的試件(見圖5)，但在高堿度環(huán)境下，規(guī)律相反。

由此可以得出結(jié)論：堿活性巖粉的粒徑減小會在一定程度上降低試件的膨脹反應，隨著齡期發(fā)展，變形增加較為緩慢，有利于砂漿后期的體積穩(wěn)定性。

圖5 巖粉粒徑對ASR膨脹量的影響Fig.5 Effect of rock powder size on ASR expansion

3 結(jié) 論

(1) 不論是自然養(yǎng)護還是100%濕養(yǎng)，試件膨脹率皆隨養(yǎng)護溫度的升高而增大；即便養(yǎng)護溫度各異，試件的體積穩(wěn)定性隨養(yǎng)護濕度仍呈現(xiàn)一定共性，養(yǎng)護濕度越大，試件收縮越小；隨著齡期的發(fā)展，變形絕對值逐漸增加，但隨巖粉摻量變化規(guī)律不明顯。高溫高濕是堿活性巖粉表現(xiàn)出堿活性膨脹的主要原因。

(2) 100%濕養(yǎng)條件下，摻0.08～0.16 mm粒徑巖粒的試件均表現(xiàn)為膨脹，且膨脹值隨摻入巖粉的增多而降低，提高堿含量，則無此規(guī)律。摻粒徑<0.08 mm巖粒的試件基本膨脹，膨脹值隨巖粉摻量的增加而降低，但摻量10%時試件收縮，提高堿含量，膨脹值均有不同程度的提高。

(3) 相同摻量下，摻0.08～0.16 mm粒徑巖粒的試件其膨脹率均大于摻粒徑<0.08 mm巖粒試件，提高堿含量后規(guī)律相反。若巖粉粒徑<0.08 mm，巖粉摻量一致時，堿含量越高，膨脹值越大，但摻粒徑0.08～0.16 mm巖粒的試件無此規(guī)律。

綜合試驗結(jié)果可知，堿活性石英砂巖粉的摻量和粒徑對水泥砂漿體積變化影響不大，針對堿-硅酸反應產(chǎn)生的體積膨脹性，建議采用粒徑<0.08 mm且?guī)r粉摻量10%左右的堿活性石英砂巖粉。