粉煤灰摻量和齡期對砼堿骨料反應的因素分析

閆春嶺，付向紅

(1.鄭州大學 土木工程學院,河南 鄭州 450002;2.安陽工學院 土木與建筑工程學院,河南 安陽 455000;3.安陽市結構檢測與加固工程技術研究中心,河南 安陽 455000)

粉煤灰摻量和齡期對砼堿骨料反應的因素分析

閆春嶺1,2,3，付向紅2,3

(1.鄭州大學 土木工程學院,河南 鄭州 450002;2.安陽工學院 土木與建筑工程學院,河南 安陽 455000;3.安陽市結構檢測與加固工程技術研究中心,河南 安陽 455000)

摘要：針對混凝土的新病害——堿骨料反應這一問題，對配制的高性能混凝土原材料進行了巖相法測試和快速砂漿棒試驗，得出了該骨料具有堿活性。通過摻加不同比例粉煤灰代替水泥制作的砂漿棒試驗，得出了砂漿棒膨脹率與粉煤灰的摻量及齡期有關。粉煤灰的摻量(質量分數≤30%)越多，齡期越短，砂漿棒膨脹率越小。結合數理統計分析方法，研究了粉煤灰和齡期兩種因素對混凝土堿骨料反應的影響程度。研究結果表明：粉煤灰摻量和齡期均對混凝土堿骨料反應有非常顯著的影響。在混凝土施工中，摻入適量的粉煤灰對抑制堿骨料反應是有效的。

關鍵詞：堿骨料反應；因素分析；粉煤灰；齡期

基金項目：河南省科技計劃重點攻關基金項目(132102310334);鄭州大學科研啟動基金項目(20137106)

作者簡介：閆春嶺(1975-),男,河北唐山人,副教授,博士后,主要從事土木工程方面的教學與研究工作.

收稿日期：2014-08-05

文章編號：1672-6871(2015)02-0070-04

中圖分類號：TU528.041

文獻標志碼：標志碼：A

0引言

堿骨料反應(AAR)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料發生化學反應，引起混凝土的體積膨脹和開裂。堿骨料反應破壞源于混凝土內部，一旦發生，很難修復和治理，因此，堿骨料反應又被稱為混凝土的“癌癥”。國外堿骨料反應的研究類型可分為3類：堿硅酸反應、堿碳酸鹽反應和堿硅酸鹽反應[1-2]。文獻[3]認為堿骨料反應主要為堿硅酸鹽反應和堿碳酸鹽反應兩種類型，并且通過對中國實際工程中堿骨料反應破壞事例的調查，發現了堿骨料反應往往是堿硅酸鹽反應與堿碳酸鹽反應同時作用的結果。1940年，文獻[1]研究發現水泥中的堿與骨料中的活性氧化硅成分反應產生堿-硅酸鹽凝膠，這種凝膠有強烈的吸水性，吸水后膨脹從而引起混凝土內部結構開裂。后來，Vivian、Powers等也相繼進行了這項研究，他們分別提出了“腫脹壓力理論”和“競爭反應理論”[4-5]。20世紀50年代，中國建設第一個大型水利工程——佛子嶺水庫時，吳中偉教授首次提出了堿骨料反應會導致混凝土結構內部膨脹開裂，當時得到了水電部的高度重視。堿骨料反應給世界各國造成的嚴重損失已被人們所公認[6-9]，如20世紀30年代，美國加利福尼亞州的橋墩事件、1984年北京建成的三元立交橋、加拿大Mactaquac水電站等，這些工程破壞均是由于堿骨料反應的緣故。 眾所周知，堿骨料反應必須具備3個條件：一是混凝土拌合物中水泥含有一定數量的堿；二是拌合物中骨料中具有堿活性；三是有水分存在。工程上通常采用摻加不同比例的外加劑方式來抑制堿骨料反應的發生，如文獻[10]通過摻加廢舊輪胎橡膠粉的方式，來抑制混凝土工程中的堿骨料反應，研究發現了當廢舊輪胎橡膠粉摻量(質量分數)為2.5%時，其對膨脹的抑制作用達到最佳效果。文獻[11]通過室內試驗，研究了摻加粉煤灰的方式來抑制石英砂巖的堿骨料反應。文獻[12]在青藏鐵路混凝土施工過程中，為防止混凝土發生堿骨料反應，除控制混凝土的總堿量外，還摻用了DZ型專用復合外加劑及粉煤灰等技術保障措施。而目前，對混凝土工程中堿骨料反應起主要作用因素的研究不多。本文利用摻加不同比例粉煤灰的砂漿棒試驗，揭示粉煤灰和齡期兩種因素對混凝土堿骨料反應的影響程度，以期為深入研究混凝土堿骨料反應的機理提供有益的參考。

1試驗概況

1.1　混凝土材料

以安陽建工(集團)預制構件有限責任公司生產的C50以上的高性能混凝土橋梁板為例，對該廠采用的混凝土原材料同時進行了巖相法和快速砂漿棒法檢測骨料堿活性的試驗，得出了該骨料具有堿活性，詳見文獻[13]。現通過摻加摻合料的方法來抑制堿骨料反應，其中，所采用的摻合料為安陽電廠生產的粉煤灰，其化學成分見表1。

表1　粉煤灰的化學成分　 %

1.2　試驗方法

表2　摻粉煤灰的砂漿棒膨脹率　 %

按照國家技術標準制作砂漿棒試件，試件大小為25 mm×25 mm×280 mm(長×寬×高)，其摻加的粉煤灰取代水泥的質量比(下用摻量)分別為0%，10%，15%，20%，25%和30%[14]。經過試件的脫模、預養護后，測定試件的初長。最后，配制試件的養護液，至養護容器的養護溫度達到(80±1) ℃時，觀測3 d、7 d、14 d的砂漿棒膨脹率，也可以把試件觀測延期至28 d，具體可參見中華人民共和國鐵道行業標準(TB/T 2922.5—2002)快速砂漿棒法。試驗結果見表2。由表2可以看出：齡期(T)相同時，砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量(質量分數≤30%)的增加而減小，表明在混凝土工程中，摻加一定量的粉煤灰對抑制堿骨料反應有積極的作用；當摻入粉煤灰的量一定時，砂漿棒膨脹率大體上隨著齡期的增長而增大，這進一步說明堿骨料反應是一個時間過程，因此砂漿棒膨脹率增大。

2試驗結果的方差分析

采用數理統計方法，為了不失一般性，設在某試驗中，有兩個因素A和B在變化，其中，A為粉煤灰的摻量，A有r種水平A1，A2，…，Ar；B為混凝土早齡期，B有s種水平B1，B2，…，Bs。在每一種組合水平(Ai，Bj)上做1次試驗，試驗結果為xij(i=1，2…，r；j=1，2…，s)，所有xij相互獨立，且總試驗有效次數n=rs，則方差分析按下列步驟進行[15]。

令

(1)

離差平方和及自由度為：

(2)

其中：SA為因素A引起的離差平方和；SB為因素B引起的離差平方和；SE為誤差平方和。

2.1　計算F值

A、B兩因素的顯著性檢驗即為考察兩個試驗因素對試驗指標是否確有顯著性，采用F統計量進行檢驗，一般來說，顯著性水平在0.05以下均有意義。F檢驗式為：

(3)

通過計算得到FA=20.210 7>F0.01(5,20)=4.10，FB=7.280 5>F0.01(4,20)=4.43。為了更直觀地表述兩個因素的顯著水平，將方差分析結果列于表3中。由表3可知：兩個因素對混凝土堿骨料反應均有影響。從Fj值的大小次序來看，對混凝土堿骨料反應的影響大小順序，首先是粉煤灰的摻量A；其次是混凝土早齡期B，且兩個都是主要的影響因素，影響極顯著(“*”、“**”、“***”表示顯著性從小到大，最高顯著性為“***”)[16]。

2.2　粉煤灰摻量和早齡期對混凝土堿骨料反應的分析

本次試驗采用的粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%和30%，齡期分別為3 d、7 d、14 d、21 d和28 d，試驗結果見圖1。由圖1可以看出：齡期相同時，粉煤灰摻量越多，對混凝土中堿骨料反應的抑制作用就越大，砂漿棒膨脹率就越小。以齡期T=28 d為例，對砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量進行線性擬合，y=a+bx，結果見圖2。同理，對齡期為3 d、7 d、14 d和21 d也進行了相同的擬合，且相關系數R的絕對值均大于0.88，線性顯著相關，擬合的最終結果見表4。由表4可以得出：在相同的齡期條件下，砂漿棒膨脹率隨著粉煤灰摻量(質量分數≤30%)線性遞減。

表3　方差分析表

注：A為粉煤灰的摻量，%；B為混凝土早齡期，d;S為離差平方和；d為自由度；M為因素的均方；F為因素的F值。

表4　砂漿棒膨脹率隨粉煤灰摻量的線性擬合結果

圖1 砂漿棒膨脹率與粉煤灰摻量的關系 圖2 齡期T=28d的砂漿棒膨脹率隨粉煤灰摻量的擬合關系

圖3為砂漿棒膨脹率隨齡期的變化關系。由圖3可以看出：在相同相條件下，隨著齡期的增加，砂漿棒膨脹率總體上也在增加，其中，粉煤灰的摻量為15%和25%時，齡期為21 d時出現波動。出現這種現象可能有兩種原因：一是由試驗誤差引起；二是摻量為15%~25%時，21 d本身就是一個特殊點，有待進一步深入研究。以粉煤灰的摻量30%為例，對砂漿棒膨脹率隨著齡期進行線性擬合，y=a+bx，結果見圖4。同理，對粉煤灰的摻量為25%、20%、15%、10%和0%也進行了相同的擬合，且相關系數R的絕對值均大于0.75，線性相關，擬合的結果見表5。由表5可以得出：在相同粉煤灰的摻量條件下，砂漿棒膨脹率隨著齡期線性遞增。

圖3砂漿棒膨脹率與齡期的關系圖4粉煤灰摻量為30%的砂漿棒膨脹率隨齡期的擬合關系

表5　砂漿棒膨脹率隨齡期線性擬合結果

3結論

(1)對粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%和30%，齡期分別3 d、7 d、14 d、21 d和28 d的混凝土進行堿骨料反應試驗，試驗結果表明：齡期相同時，粉煤灰摻量越多，砂漿棒膨脹率就越小，對混凝土中堿骨料反應的抑制作用就越大。

(2)在相同相條件下，隨著齡期的增加，砂漿棒膨脹率總體上也在增加，其中粉煤灰的摻量為15%和25%時，齡期為21 d時出現波動。

(3)通過數理統計和方差分析得出：粉煤灰摻量和齡期均對混凝土堿骨料反應有顯著的影響，其中粉煤灰的摻量影響更大。

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