水泥堿含量對堿-骨料反應影響的試驗研究

樊李浩,包想軍,賀晶晶,3,4,盧浩丹,陳書軍,陳雙蠻

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024;3.壩道工程醫院西北水電分院,西安 710065;4.西安市清潔能源數字化技術重點實驗室,西安 710065)

0 前 言

堿骨料反應(Alkali-aggregate reaction,AAR)是指發生在混凝土中的活性骨料(固相)和孔隙溶液中的堿液(液相)發生的反應,堿-骨料反應膨脹機理[1]的觀點可以歸納為兩種:膠凝材料腫脹壓假說和單元滲透壓假說。后經驗證,絕大多數凝膠的膨脹量和膨脹力很小,對堿骨料反應的影響有限;通過人為設置半滲膜進行骨料的堿-硅酸反應,發現反應液相產物在其周圍形成含鈣凝膠后,形成封閉的滲透單元而產生的滲透壓,最終導致無定形SiO2礦物不斷溶出與堿液反應,生成具有膨脹效應的產物,其膨脹量與膨脹力均較大[2]。混凝土中的堿含量主要來源于水泥、礦物摻和料、化學外加劑及外部環境中[3],這些材料在遇到水時釋放的堿性成分(Na2O+K2O)與骨料中堿活性礦物成分發生化學反應[4-5],反應產物體積膨脹而在混凝土內部產生應力集中,誘發混凝土膨脹或開裂,進而導致混凝土力學性能、耐久性能降低[6-7]。混凝土的AAR破壞通常會加劇鋼筋銹蝕、混凝土鹽蝕、混凝土碳化等,給混凝土建筑物安全運行帶來了嚴重的威脅[8-9]。可見,研究混凝土堿活性危害性對工程質量控制、運營管理具有重要意義。

自1940年Stanton[10]發現混凝土堿-集料反應的危害現象以來,國內外學者對骨料堿活性檢驗以及堿骨料反應措施有效性[11-13]展開了大量試驗研究,形成了系列標準試驗方法和評價規則。目前,主要試驗方法包括巖相法、化學法、砂漿棒快速法、砂漿長度法、巖石柱體法和混凝土棱柱體法[14],各種方法均有一定的適用范圍,且有相應的評價規則。對于大多數工程而言,砂漿長度法、巖石柱體法和混凝土棱柱體法的試驗周期從3個月到1 a時間不等,試驗周期較長,而巖相法的檢測結果受取樣代表性、試驗人員經驗、難以定量分析等多種因素影響,試驗準確性不高,且一般只做堿活性類型判斷,需要進一步進行測長試驗以驗證。因此,以上這幾種試驗方法在使用時存在較大的限制條件。

砂漿棒快速法因其鑒定硅質骨料與工程數據有很好的一致性而被認為是最精確、可靠的檢驗方法[15],一般28 d便可獲得試驗結果,試驗周期短。然而,目前大多的試驗是針對常規的單一水泥展開的,對此,不同標準對水泥的要求不同,如:GB/T 14684-2022《建設用砂》[16]、GB/T 14685-2022《建設用卵石、碎石》[17]對試驗用水泥提出了相關的要求,即:采用符合規定的硅酸鹽水泥,水泥中不得有結塊,并在保質期內;而JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[18]對試驗用水泥的要求為“水泥采用符合現行國家標準GB 175-2020《通用硅酸鹽水泥》要求的普通硅酸鹽水泥”;DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》[19]對試驗用水泥的要求為“使用硅酸鹽水泥,按GB/T 750《水泥壓蒸安定性試驗方法》檢驗,該水泥壓蒸膨脹率應小于0.20%。水泥的堿含量為0.9%±0.1%,低于此值可摻濃度10%的NaOH溶液,使水泥的堿含量達到0.9%±0.1%”;SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規程》[20]對試驗用水泥的要求為“水泥應采使用硅酸鹽水泥或基準水泥,用GB/T 750《水泥壓蒸安定性試驗方法》檢測,水泥壓蒸膨脹率應小于0.20%,水泥堿含量應為0.9%±0.1%(以Na2O計,即Na2O+0.658 K2O),當水泥堿含量較低時,可外加NaOH調整”,與DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》中要求基本一致。以上5個試驗標準中,有2個標準的水泥品種為硅酸鹽水泥,有2個標準的水泥品種為硅酸鹽水泥或基準水泥,有1個標準的水泥品種為普通硅酸鹽水泥;有3個標準對水泥的堿含量不做要求,有2個標準要求水泥的堿含量為0.9%±0.1%。可見,不同標準、規范對骨料堿活性試驗所需水泥有不同的要求,但針對不同水泥品種、不同水泥堿含量開展的比對影響性試驗較少,給工程用水泥及判別對骨料堿活性影響帶來了一定困惑。

為此,本文將針對不同堿含量的3種水泥,分別與活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料展開快速堿-硅酸反應試驗研究,分析不同堿含量的水泥在不同試驗標準下對骨料堿活性的影響規律,討論非活性骨料與疑似活性骨料發生堿-骨料反應危害的堿含量條件,為工程用水泥的選擇及堿活性試驗堿含量控制提供依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用撫順澳賽爾科技有限責任公司生產的P·I 42.5硅酸鹽水泥、西藏開投海通水泥有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥、四川嘉華特種水泥股份有限公司生產的P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥。骨料采用西藏江達鄉達榮天然砂、西藏江達鄉索否溝人工砂和四川金川縣人工砂。水泥化學成分見表1,骨料礦物成分及前期堿骨料反應試驗結果見表2。

表1 水泥化學成分表

表2 骨料礦物成分表

1.2 試驗方案

采用不同堿含量的3種水泥(澳賽爾(A)、海通(H)、嘉華(J))以及3種不同活性狀態的骨料(達榮天然砂(D)、索否溝人工砂(S)、金川砂石系統人工砂(J))進行快速堿-硅酸反應比對試驗。

將3種水泥的堿含量分別在不調整堿含量的狀態以及調整堿含量到1.0%的狀態下與3種骨料進行快速堿-硅酸反應試驗,分析不同堿含量的水泥在不同試驗標準下對骨料堿活性的影響規律;同時將(澳賽爾(A))水泥堿含量調整至1.2%、1.5%、2.0%的狀態下與非活性骨料(達榮天然砂(D))、疑似活性骨料(索否溝人工砂(S))進行快速堿-硅酸反應試驗,分析超量液相堿下對骨料堿活性的影響規律。試驗方案見表3。

表3 試驗方案

依據表3方案,采用砂漿棒快速法展開堿活性試驗,檢測儀器采用外徑千分尺,具有足夠的精度進行長度測量,見圖1。膨脹率計算按式(1),精確至0.001%。

圖1 外徑千分尺測長儀器

(1)

式中:∑t為試件t齡期的膨脹率,%;Lt為試件t齡期的長度,mm;L0為試件基準長度,mm;V為測頭長度,mm。以每組試件測值平均值作為該組膨脹率。評價標準如下:當14 d膨脹率小于0.1%時,在大多數情況下可以判定為無潛在堿-硅酸反應危害;當14 d膨脹率大于0.2%時,可以判定為有潛在堿-硅酸反應危害;當14 d膨脹率在0.1%～0.2%時,不能最終判定有潛在堿-硅酸反應危害。

2 試驗結果分析

2.1 不同試驗標準對堿骨料反應的影響分析

兩類標準的最大區別在于是否調整水泥初始堿含量,將無需調整水泥初始堿含量值稱為標準①;需要調整水泥初始堿含量值的稱為標準②,即將初始堿含量調整為某一值后,再展開試驗研究。依據表3試驗方案開展試驗研究,表4給出了不同品種水泥與3種骨料的快速堿-硅酸反應檢測結果。

表4 不同品種水泥與不同種類骨料的快速堿-硅酸反應檢測結果

對于達榮天然砂,按照標準①進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.049%、0.042%、0.046%,按照標準②進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.050%、0.044%、0.045%;試驗結果表明達榮天然砂為非活性骨料。這6組試驗結果中最大值為0.050%,最小值為0.042%,平均值為0.046%,與平均值的最大差值為平均值的8.7%,標準差為0.003,變異系數為0.066。

對于索否溝人工砂,按照標準①進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.178%、0.183%、0.160%,按照標準②進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.183%、0.18%、0.164%;試驗結果表明索否溝人工砂為疑似活性骨料。這6組試驗結果中最大值為0.183%,最小值為0.160%,平均值為0.175%,與平均值的最大差值為平均值的8.6%,標準差為0.010,變異系數為0.058。

對于金川人工砂,按照標準①進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.281%、0.273%、0.267%,按照標準②進行快速堿-硅酸反應,砂漿試件14 d膨脹率分別為0.293%、0.27%、0.272%;試驗結果表明金川人工砂為有活性骨料。這6組試驗結果中最大值為0.293%,最小值為0.267%,平均值為0.276%,與平均值的最大差值為平均值的6.2%,標準差為0.010,變異系數為0.035。

根據以上數據結合圖2～4可以看出,當水泥堿含量不超過1.0%時,在其他條件相同的情況下,不同堿含量水泥與3種骨料成型的砂漿棒試件各齡期的膨脹率較為接近,幾組數據的變異系數較小,離散性較小,說明不同水泥品種及不同堿含量水泥對堿骨料反應的試驗結果沒有明顯影響。這是由于當混凝土/砂漿中的堿含量較少時,骨料中的活性骨料能夠消耗掉參與反應的堿。不僅如此,剩余的未完全參與反應的活性骨料,其表面會出現坑洞或者分裂,從而使得骨料的比表面積增大,能夠吸附更多的OH-,致使分配給每個活性骨料顆粒的堿量減少,即n(Na2O)/n(SiO2)變小,堿-硅酸反應的強度減弱,使溶解出來的SiO2減少,因此膨脹量無法達到極值。當混凝土/砂漿的總堿含量保持不變時,在水泥水化反應過程中隨著膠凝材料CSH不斷生成,OH-的消耗量不斷增加,參與堿-硅酸反應的OH-勢必減少,但SiO2的溶出量并不隨著OH-的消耗無限制地增長,這是因為OH-不僅消耗在堿-硅酸反應上,還有大量OH-被其他非活性顆粒吸附。大量OH-被吸附在顆粒表面將導致骨料內外的滲透壓逐漸趨于平衡,活性骨料中的SiO2也不再溶出參與堿-硅酸反應,亦即只有部分的OH-參與了堿-硅酸反應并且生成具有膨脹性的產物,這一現象與前文中堿-骨料反應膨脹機理的觀點相一致。

圖2 達榮天然砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應檢測結果對比

圖3 索否溝人工砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應檢測結果對比

圖4 金川人工砂與不同堿含量水泥快速堿-硅酸反應檢測結果對比

根據以上分析可知:

(1) 骨料的快速堿-硅酸反應試驗中砂漿棒的膨脹率并未因為水泥品種的不同而產生實質性變化,即不同品種的水泥對骨料的快速堿-硅酸反應試驗結果沒有實質影響。

(2) 不摻堿水泥與外加NaOH溶液調整水泥堿含量至1.0%的骨料快速堿-硅酸反應試驗結果基本一致,因此當水泥堿含量不超過1.0%時,對骨料的快速堿-硅酸反應試驗結果沒有影響。

2.2 超量液相堿含量對骨料堿反應的影響分析

結合2.1節的研究結果,針對澳賽爾水泥展開超量液相堿含量對非活性骨料、疑似活性骨料的堿骨料反應試驗,表5給出了不同齡期的砂漿棒膨脹率測試結果。

表5 堿含量調整后,不同骨料的快速堿-硅酸反應檢測結果

由表5知,當超量液相堿含量超過1.0%時,加速了骨料中的活性成分與堿的反應,砂漿棒試件的膨脹率與液相堿含量超量值呈遞增關系,且隨液相堿含量的增加,該遞增關系越發明顯。圖5給出了不同液相堿含量對達榮天然砂砂漿棒膨脹率的影響規律;索否溝人工砂砂漿棒膨脹率也有類似的結果,如圖6所示。對于非活性骨料,當液相堿含量超過2.0%時,會產生堿-硅酸反應危害。對于疑似活性骨料,當水泥堿含量超過1.2%時,會產生堿-硅酸反應危害。

圖5 達榮天然砂不同齡期砂漿棒膨脹率

圖6 索否溝人工砂不同齡期砂漿棒膨脹率

這是因為混凝土/砂漿中的堿含量一部分參與了水化反應生成膠凝材料,一部分被吸附在顆粒表面,剩余大量的OH-存在于混凝土/砂漿內部,這些OH-參與了堿-硅酸反應后仍有剩余,形成的滲透壓依然存在,導致骨料中的活性成分一直進行反應,最終導致生成的膨脹性產物不斷增多,從而引起膨脹,這也就解釋了疑似活性骨料在提高液相堿含量后砂漿棒膨脹率大幅上升直至出現明顯的堿骨料反應危害;而非活性骨料并非不存在任何活性成分,而是在一般件環境下無法表現出明顯的膨脹現象,但是由于液相堿含量的提高,少量的活性成分在滲透壓的作用下不斷與堿反應,直至完全消耗掉。此時,如果非活性骨料中的活性成分達到一定數量,即產生的膨脹性產物達到一定數量也會引起較為明顯的堿-硅酸反應。值得注意的是,即使非活性成分在滲透壓作用下,其內部結構也會產生膨脹,所以對于非活性骨料而言,在同時具備一定量活性成分和大量液相堿的條件下也能夠出現明顯的堿骨料反應危害。

3 結 論

(1) 當水泥堿含量不超過1.0%時,水泥品種對骨料快速堿-硅酸反應試驗結果的影響可忽略不計,即對于活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料,水泥堿含量是否進行調整對結果影響不大。同時也驗證了不同標準對于骨料堿活性的檢測方法均具有很好的適用性。

(2) 當快速法砂漿棒試件中的液相堿含量超過1.0%時,過量的堿對快速堿-硅酸反應具有加速作用,即除去正常水化反應及顆粒表面吸附的OH-外,還剩余足夠的堿與骨料中的活性成分繼續反應,最終導致生成足夠的膨脹性產物,從而引起試件繼續膨脹。本次試驗中,當水泥堿含量超過2.0%時,無潛在活性骨料會產生堿-硅酸反應危害;當水泥堿含量超過1.2%時,疑似活性骨料會產生堿-硅酸反應危害。

(3) 混凝土或砂漿中存在過量液相堿含量會引起非活性骨料或疑似活性骨料發生堿-硅酸反應危害反應,因此在進行結構設計時,應當注意控制混凝土或砂漿的總堿含量,在工程施工時,應該注意能夠引起混凝土或砂漿堿含量增大的環境因素或材料因素等。