骨料級(jí)配及堿含量對水工混凝土性能影響分析

趙德奎

(盤山縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124100)

堿骨料反應(yīng)(ARR)是指具有堿活性的骨料與混凝土中的堿發(fā)生引起混凝土開裂及體積膨脹的化學(xué)反應(yīng),一旦混凝土內(nèi)部發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞就很難治理和修復(fù),故又稱為混凝土的“癌癥”[1]。目前,針對堿骨料反應(yīng)的研究總體上可以分成堿硅酸鹽、堿碳酸鹽和堿硅酸反應(yīng)3大類。唐明述等認(rèn)為堿碳酸鹽反應(yīng)和堿硅酸鹽反應(yīng)為堿骨料反應(yīng)的主要類型,通過調(diào)查實(shí)際工程堿骨料反應(yīng)破壞事例提出堿碳酸鹽與堿硅酸鹽反應(yīng)的共同作用是堿骨料反應(yīng)的重要原因;張紅心等研究發(fā)現(xiàn)骨料與水泥反應(yīng)可以生成具有強(qiáng)烈吸水性的堿-硅酸鹽凝膠,從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)開裂,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出“膨脹壓力”理論[2-3]。堿骨料反應(yīng)引起的工程破壞事例有加拿大Mactaquac水電站、加利福尼亞州橋墩事件和北京三元立交橋等工程,國際上對堿骨料反應(yīng)帶來的巨大損失已達(dá)成共識(shí)[4-6]。眾所周知,堿骨料反應(yīng)必須具備有水分存在、拌合物中的骨料有堿活性、摻合料或水泥中含有一定數(shù)量的堿3個(gè)條件。通過摻入適量的外加劑可以有效抑制堿骨料反應(yīng),如謝永江等提出控制混凝土堿總量和摻用粉煤灰、DZ型專用復(fù)合外加劑等技術(shù)措施,從而防止青藏鐵路工程中混凝土堿骨料反應(yīng)的發(fā)生;李鵬翔等利用室內(nèi)試驗(yàn)探究了石英砂巖堿骨料反應(yīng)受粉煤灰摻入方式的影響;王寶民等研究表明混凝土中摻入橡膠粉可以減緩其堿骨料反應(yīng),并提出摻2.5%橡膠粉對于減緩膨脹作用效果達(dá)到最優(yōu)[7-9]。

通過添加摻合料、不用含有堿活性的骨料以及降低混凝土堿含量等措施可以防止堿骨料反應(yīng)的發(fā)生,其中礦物摻合料的加入既能抑制和緩解堿骨料反應(yīng),還有利于改善混凝土性能以及節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等,而對骨料級(jí)配及堿含量抑制效果的研究較少。目前,評(píng)價(jià)骨料是否具有堿性的方法有混凝土棱柱體法、巖石柱法、壓蒸法、化學(xué)法、巖相法、砂漿棒快速法和砂漿棒法等[10]。鑒于此,文章利用砂漿棒快速法試驗(yàn)探討了工程用砂巖骨料堿含量對堿骨料反應(yīng)膨脹的影響,并結(jié)合工程實(shí)際配合比配制濕篩一、二、三級(jí)配混凝土試件,探究堿骨料反應(yīng)受骨料級(jí)配的影響作用,為科學(xué)評(píng)定水利工程受堿骨料反應(yīng)的不利影響提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 原材料

水泥:盤錦金潤水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥,壓蒸膨脹率0.02%,堿含量(Na2Oeq)0.55%,MgO、K2O、Na2O含量1.56%、0.54%和0.17%,符合《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》中各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。骨料:石英砂巖人工骨料,拌合水用實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1)參照《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》全面分析骨料巖相,利用顯微鏡與肉眼觀察的方式鑒定骨料礦物成分及種類,并進(jìn)一步檢驗(yàn)其活性成分的數(shù)量和種類。

2)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程中的砂漿棒快速法探討骨料堿活性反應(yīng)受堿含量的影響,通過外摻NaOH溶液調(diào)整水泥堿含量至2.0%、1.5%、1.2%、0.9%、0.6%,觀測不同養(yǎng)護(hù)齡期的堿活性反應(yīng)。

3)采用高拱壩混凝土配合比拌制四級(jí)配混凝土(骨料最大粒徑150mm),如表1所示。將80mm以上骨料篩除制成高600mm×內(nèi)徑300mm的試件,將40mm以上骨料篩除制成高550mm×150mm×150mm的試件,將20mm以上骨料篩除制成高275mm×75mm×75mm的試件,標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期后在25℃環(huán)境下測試各組試件的堿骨料反應(yīng)膨脹率,并對比分析不同骨料粒徑對膨脹率的影響趨勢。

表1 試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 骨料巖性試驗(yàn)

采用巖相法先肉眼鑒定骨料外觀形狀,然后利用巖相顯微鏡和磨制薄片測定骨料巖性及其礦物成分,鏡下鑒定結(jié)果顯示該碎石主要由膠結(jié)物與碎巖構(gòu)成,具砂狀結(jié)構(gòu)和砂巖巖性,具體如下:①膠結(jié)物成分主要為顯微鱗片狀黏土質(zhì),黏土質(zhì)間含有少量微-隱晶狀石英。②碎屑成分以巖屑、石英(含硅質(zhì)巖與石英巖巖屑)為主,少量長石,大部分為圓狀或次圓狀的砂級(jí)碎屑。其中,巖屑以中-酸性火山巖(由石英、微-隱晶長石及少量黏土質(zhì)蝕變構(gòu)成)為主,并且含有少量黏土巖巖屑(由黏土質(zhì)及部分石英、細(xì)小長石組成)等;石英顆粒較粗不屬微晶結(jié)構(gòu),由顆粒較粗的石英和微-隱晶石英組成石英巖及硅質(zhì)巖巖屑,少部分表現(xiàn)出波狀消光特征。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,微-隱晶石英(粒徑<0.05)和波狀消光石英約占膠凝物和碎屑總量的10%～15%及15%。結(jié)合巖相分析結(jié)果,有一定量的波狀消光石英和微-隱晶石英分布在砂巖骨料中,而波狀消光石英和微-隱晶石英組分均具備潛在堿-硅酸反應(yīng)活性,說明該骨料具有以上活性,還必須通過測長試驗(yàn)進(jìn)一步判定砂石骨料的堿活性。

2.2 骨料堿含量試驗(yàn)

通過外摻NaOH溶液調(diào)整水泥堿含量至2.0%、1.5%、1.2%、0.9%、0.6%,采用砂漿棒快速法測定不同堿含量、不同養(yǎng)護(hù)齡期情況下骨料砂漿試件的堿活性反應(yīng)膨脹曲線如圖1所示。

圖1 堿-硅酸反應(yīng)膨脹曲線

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的堿含量值:若14d膨脹率<0.1%或>0.2%,則判定為非活性和具有潛在堿骨料反應(yīng)的活性骨料;若試件14d膨脹率處于0.1%～0.2%范圍,必須結(jié)合棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果或觀測時(shí)間延長至28d的測試數(shù)據(jù)、巖相分析、現(xiàn)場記錄使用歷史等綜合評(píng)定。由圖1可知,堿含量0.9%時(shí)的14d膨脹率為0.19%,介于0.1%～2.0%之間,28d膨脹率為0.35%高于0.2%,從14d～28d膨脹率近似呈線性上升趨勢,收斂不明顯。因此,結(jié)合巖相分析和以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)判定該砂巖骨料屬潛在堿-硅酸反應(yīng)活性骨料。另外,0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和2.0%堿含量砂巖骨料砂漿試件膨脹率均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長趨于收斂。隨著堿含量的增大雖然早齡期砂漿試件的膨脹率逐漸增加,但數(shù)值變化相差較小,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長后期砂漿試件的膨脹率相差逐漸增加。隨堿含量的提高砂漿試件的最終膨脹率顯著增加,說明堿骨料反應(yīng)受堿含量的影響顯著,為保證水工混凝土質(zhì)量必須嚴(yán)格控制堿含量[11]。

2.3 骨料粒徑試驗(yàn)

結(jié)合砂漿棒快速法測定的不同堿含量砂漿試件測試數(shù)據(jù),堿含量越大則最終膨脹率相差越明顯,探究堿骨料反應(yīng)受不同骨料粒徑的影響時(shí),采用外摻NaOH溶液的方式調(diào)整水泥堿含量至2.0%,采用高拱壩實(shí)際工程配合比配制四級(jí)配混凝土,將80mm以上骨料篩除可以制成三級(jí)配混凝土試件(圓柱體),將40mm以上骨料篩除可以制成二級(jí)配混凝土試件(棱柱體),將20mm以上骨料篩除制成一級(jí)配混凝土試件(棱柱體)。成型拆模養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,在25℃潮濕環(huán)境下測定不同骨料粒徑試件的堿骨料反應(yīng)膨脹曲線如圖2所示。

圖2 堿-硅酸反應(yīng)膨脹曲線

從圖2可以看出,早期一級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹發(fā)展較快而后期趨于平緩,二級(jí)配和三級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹發(fā)展較為緩慢,500d后膨脹曲線平緩并趨于收斂,二級(jí)配與一級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)最終膨脹率接近,三級(jí)配略低于二級(jí)配混凝土最終膨脹率。通過分析大壩混凝土堿骨料反應(yīng)受不同骨料粒徑的影響可知,混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹率受骨料粒徑的影響隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長逐漸下降,最終膨脹率相差不大。因此,采用快速測長法能夠快速判定文中所用砂巖骨料的堿活性,為及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)定水工混凝土受堿骨料反應(yīng)的不利影響提供參考依據(jù)。

3 結(jié) 論

1)結(jié)合巖相分析結(jié)果,有一定量的波狀消光石英和微-隱晶石英分布在砂巖骨料中,而波狀消光石英和微-隱晶石英組分均具備潛在堿-硅酸反應(yīng)活性,說明該骨料具有以上活性。

2)根據(jù)砂漿棒快速法試驗(yàn)數(shù)據(jù),不同堿含量砂巖骨料砂漿試件膨脹率均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長趨于收斂。隨著堿含量的增大雖然早齡期砂漿試件的膨脹率逐漸增加,但數(shù)值變化相差較小,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長后期砂漿試件的膨脹率相差逐漸增加。因此,堿骨料反應(yīng)受堿含量的影響顯著,為保證水工混凝土質(zhì)量必須嚴(yán)格控制堿含量。

3)堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,早期一級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹發(fā)展較快而后期趨于平緩,二級(jí)配和三級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)膨脹發(fā)展較為緩慢,二級(jí)配與一級(jí)配混凝土堿骨料反應(yīng)最終膨脹率接近,三級(jí)配略低于二級(jí)配混凝土最終膨脹率?；炷翂A骨料反應(yīng)膨脹率受骨料粒徑的影響隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長逐漸下降,最終膨脹率相差不大,可為及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)定水工混凝土受堿骨料反應(yīng)的不利影響提供參考依據(jù)。