混凝土中骨料堿活性抑制效能試驗(yàn)研究

潘義為 徐 爽

(1.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，北京 100038；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

混凝土中堿骨料反應(yīng)，是混凝土中有害活性骨料與膠凝材料中的堿發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)后產(chǎn)生一種堿—硅凝膠物質(zhì)，這種凝膠包裹著混凝土骨料，當(dāng)與混凝土中的水分子相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹，從而導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞現(xiàn)象，降低耐久性。堿骨料反應(yīng)在混凝土澆筑后就逐漸開始，嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生的裂縫會(huì)使整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞，因此，工程堿骨料反應(yīng)危害應(yīng)引起足夠重視。本文通過骨料堿活性抑制效能試驗(yàn)，研究在采用有害活性骨料時(shí)，摻加摻和料對(duì)骨料活性的抑制效果，提高混凝土的耐久性。

1 試驗(yàn)方案選擇

1.1 堿骨料反應(yīng)具備的前提條件及抑制方案

發(fā)生混凝土堿骨料反應(yīng)需要具備以下三種條件：首先是混凝土中膠凝材料和外加劑中含堿量高；第二是骨料為有害活性骨料；第三是混凝土在濕氣較大的環(huán)境中使用，有充足的水分或濕氣供給。當(dāng)前在抑制堿骨料反應(yīng)中，一般在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)就采取相應(yīng)的措施，主要措施包括控制水泥含堿量、控制混凝土中總堿量、對(duì)骨料選擇使用、加摻和料。受地理?xiàng)l件限制，較多工程的混凝土骨料無法選擇使用，在盡可能控制混凝土中膠凝材料含堿量的前提下，選擇摻入摻和料的方案，控制混凝土堿骨料反應(yīng)是容易實(shí)現(xiàn)和可行的。

1.2 堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)研究采用的骨料是通過試驗(yàn)被評(píng)為有害活性的骨料，混凝土配置時(shí)選擇摻入摻和料，從而達(dá)到控制混凝土堿骨料反應(yīng)的目的。試驗(yàn)中，選定粉煤灰、硅粉、碳酸鋰這三種摻和料作為骨料堿活性抑制材料(見表1)。

表1 抑制材料摻量

1.2.1 粉煤灰骨料堿活性抑制材料

粉煤灰屬于活性混合材料，在與水泥熟料水化產(chǎn)生的氫氧化鈣和水在有堿的情況下能夠生成水硬性物質(zhì)，降低混凝土中的堿含量，粉煤灰等量代替水泥加入混凝土中還可減少水泥帶入混凝土中的堿量，從而有效抑制堿骨料反應(yīng)的發(fā)生。

1.2.2 硅粉骨料堿活性抑制材料

硅粉作為摻和料摻入混凝土中使用時(shí)，可以使混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生大量的超細(xì)微孔隙，減少混凝土砂漿中的Na+、K+的含量，同時(shí)硅粉摻入混凝土中還可使水泥中的氫氧化鈣被吸收，能夠形成活性較低的凝膠產(chǎn)物，而這樣的凝膠呈現(xiàn)很強(qiáng)的吸收堿的能力。

1.2.3 碳酸鋰骨料堿活性抑制材料

碳酸鋰中鋰離子與硅的生成物比堿與硅的生成物離子結(jié)合力更強(qiáng)，含鋰離子化合物的引入將使鋰離子取代鈉離子、鉀離子，首先形成另一種凝膠產(chǎn)物——鋰硅酸凝膠，其自身是非膨脹性物質(zhì)。鋰離子可進(jìn)入混凝土孔隙中，與有害活性骨料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鋰凝膠，對(duì)骨料進(jìn)行保護(hù)，可以阻止鈉離子、鉀離子與有害活性骨料發(fā)生堿活性反應(yīng)。所以碳酸鋰有降低堿骨料反應(yīng)發(fā)生的效果，使混凝土尺寸保持穩(wěn)定。

2 骨料堿活性抑制效能試驗(yàn)

2.1 配合用料

試驗(yàn)混凝土中的骨料采用石英玻璃砂；試驗(yàn)所用水泥為基準(zhǔn)水泥，通過加入氫氧化鈉溶液使基準(zhǔn)水泥堿含量達(dá)到1.0%。

為判別摻和料的效能，本次試驗(yàn)選擇摻量為0.5%、1.0%碳酸鋰，25%粉煤灰，20%粉煤灰+5%硅粉四種方案進(jìn)行，其中碳酸鋰方案，對(duì)比試樣所用水泥采用與基準(zhǔn)試樣水泥相同質(zhì)量，碳酸鋰摻量為占水泥用量的0.5%和1%。當(dāng)采用粉煤灰、粉煤灰與硅粉兩種方案時(shí)，摻和料摻量按體積計(jì)，制作的對(duì)比試樣中粉煤灰、粉煤灰與硅粉混合料取代25%水泥用量，其余75%水泥用量與基準(zhǔn)試樣相同。

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)比試樣水泥用量與標(biāo)準(zhǔn)試樣相同?；炷猎囼?yàn)樣品制作完成后，在不拆除模具的情況下立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)22～26h后拆除混凝土試樣外模具。模具拆除后立即測(cè)量試樣的基準(zhǔn)長(zhǎng)度。長(zhǎng)度測(cè)量完成后將混凝土試樣置于密閉的養(yǎng)護(hù)容器中，將養(yǎng)護(hù)容器放入36～40℃的養(yǎng)護(hù)室里進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至14d和56d的測(cè)長(zhǎng)齡期前一天，把試樣和養(yǎng)護(hù)容器一同從養(yǎng)護(hù)室拿出，儲(chǔ)存在18～22℃的恒溫環(huán)境中，到達(dá)14d和56d齡期時(shí)測(cè)量混凝土試樣長(zhǎng)度。

采用表1中的四種抑制材料摻量方案進(jìn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，25%摻量的粉煤灰對(duì)骨料堿活性抑制效果最好(見表2)。

表2 骨料堿活性抑制效能試驗(yàn)結(jié)果

3 堿活性抑制效能驗(yàn)證試驗(yàn)

通過抑制效能試驗(yàn)得出的初步結(jié)果是25%摻量的粉煤灰可以有效降低骨料堿活性，為驗(yàn)證該結(jié)果的可靠性，采用砂漿棒快速法及混凝土棱柱體法進(jìn)行有害活性骨料的堿活性驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)一步評(píng)定混凝土中摻入25%粉煤灰對(duì)骨料堿活性的抑制效果。

3.1 砂漿棒快速法效能驗(yàn)證

砂漿棒快速法是測(cè)試有害活性骨料在混凝土中的有害堿—硅酸反應(yīng)的一種方法。試驗(yàn)所用水泥為基準(zhǔn)水泥，通過加入氫氧化鈉溶液使其堿含量達(dá)到1.0%。砂料采用有害活性骨料，經(jīng)破碎組合成標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配試驗(yàn)用砂，水泥與砂的質(zhì)量比為1 ∶2.25，一組3個(gè)試樣，砂漿水灰比為0.47。粉煤灰摻量按體積計(jì)，等量取代25%的水泥摻量。

混凝土試驗(yàn)樣品制作完成后，在不拆除模具的情況下放入溫度為17～23℃、濕度在95%以上的養(yǎng)護(hù)室中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)22～26h后拆除混凝土試樣外模具，模具拆除后立即在18～22℃的恒溫環(huán)境中測(cè)量試樣的初始讀數(shù)。測(cè)量完成后將試樣全部置于裝有水的密閉養(yǎng)護(hù)容器中，在78～82℃具有恒溫功能的水箱中放置1d。然后將試樣從養(yǎng)護(hù)容器內(nèi)拿出并盡快測(cè)量試樣的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，測(cè)量完畢后，將試樣放置于裝有1mol/L濃度的NaOH溶液的養(yǎng)護(hù)容器中，試樣應(yīng)全部置于溶液中，再將密閉的養(yǎng)護(hù)容器放入溫度在78～82℃具有恒溫功能的水箱中，之后的3d、7d、14d進(jìn)行三次長(zhǎng)度測(cè)量。從試驗(yàn)結(jié)果(見表3)可以看出，不摻任何抑制材料的活性骨料7d和14d憑膨脹率明顯大于摻加25%粉煤灰的活性骨料。

表3 砂漿棒快速法堿活性檢測(cè)結(jié)果

3.2 混凝土棱柱體試驗(yàn)法效能驗(yàn)證

混凝土棱柱體試驗(yàn)法是測(cè)試混凝土試樣在溫度38℃及濕度較大的環(huán)境下，混凝土膠凝材料中的堿與有害活性骨料相互作用產(chǎn)生的體積變化現(xiàn)象對(duì)混凝土破壞程度量化的一種試驗(yàn)。試驗(yàn)所用水泥與砂漿棒快速法相同。骨料采用活性骨料。

混凝土試樣按試驗(yàn)方案規(guī)定的材料配合比制作完成后，在不拆除模具的情況下放入溫度為17～23℃、濕度在95%以上的養(yǎng)護(hù)室中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)22～26h后拆除混凝土試樣外模具，模具拆除后測(cè)量試樣的長(zhǎng)度，試樣長(zhǎng)度的測(cè)量需要在18～22℃的恒溫環(huán)境中完成?；炷猎嚇訙y(cè)長(zhǎng)后將試樣放入密閉養(yǎng)護(hù)容器中，置于36～40℃的養(yǎng)護(hù)室里進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別在第1周齡期、第2周齡期、第4周齡期、第8周齡期、第13周齡期、第18周齡期、第26周齡期、第39周齡期、第52周齡期時(shí)期進(jìn)行混凝土試樣長(zhǎng)度測(cè)量。進(jìn)行混凝土試樣長(zhǎng)度測(cè)量的前1d，將養(yǎng)護(hù)容器從36～40℃的養(yǎng)護(hù)室中拿出，放入18～22℃的恒溫室中1d后進(jìn)行混凝土試樣長(zhǎng)度測(cè)量，通過混凝土試樣長(zhǎng)度的變化計(jì)算膨脹率，從而判定堿活性的危害程度。從試驗(yàn)結(jié)果(見表4)可以看出，活性骨料在摻入25%的粉煤灰后，試樣一年膨脹率僅為0.015%。

表4 混凝土棱柱體試驗(yàn)法堿活性檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

骨料堿活性抑制效能試驗(yàn)選擇摻量為0.5%碳酸鋰、1.0%碳酸鋰、25%粉煤灰、20%粉煤灰+5%硅粉四種方案進(jìn)行，最終試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入25%粉煤灰具有抑制骨料堿活性反應(yīng)的效能；砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入25%粉煤灰對(duì)有害骨料堿活性起到了明顯的抑制作用。