堿硅酸反應(yīng)對水泥基材料力學(xué)性能的影響

摘要：通過對比活性不同的兩種砂制備的砂漿試樣在堿硅酸反應(yīng)中的膨脹率，結(jié)合三軸抗壓測試研究了堿硅酸反應(yīng)前后水泥基材料的力學(xué)性能變化，分析了堿硅酸反應(yīng)后材料微觀結(jié)構(gòu)演變與力學(xué)性能間的關(guān)系。結(jié)果表明堿惰性砂制備的砂漿試樣中骨料周圍局部區(qū)域形成少量針狀凝膠相，由于堿硅酸反應(yīng)速率較慢且凝膠相較少，因而其膨脹率較小且對水泥基材料力學(xué)性能的影響較小。堿活性砂制備的砂漿試樣中，骨料周圍易生成大量針狀凝膠層，且隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行凝膠相膨脹加劇，促進(jìn)水泥基材料中骨料周圍的水泥漿體中形成大量裂紋，進(jìn)而明顯影響水泥基材料的力學(xué)性能。研究表明，三軸抗壓測試中，除膨脹率外，極限抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變量也可以作為評價(jià)水泥基材料堿硅酸反應(yīng)水平的參量。

關(guān)鍵詞：堿硅酸反應(yīng)；水泥基材料；抗壓強(qiáng)度；力學(xué)性能。

中圖分類號(hào)：TU375.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2014）01011906

堿骨料反應(yīng)是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一，在各種堿骨料反應(yīng)中，堿硅酸反應(yīng)（ASR）是最為普遍的類型[1]，因而近年來出現(xiàn)了大量關(guān)于堿硅酸反應(yīng)的報(bào)道。劉晨霞等[2]在研究溫度對堿硅酸反應(yīng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹率與堿硅酸反應(yīng)時(shí)間之間存在雙曲線關(guān)系，且隨著溫度的升高試樣的膨脹速率明顯增加，但其對最終膨脹量無明顯影響。Lu等[3]研究了不同種類的堿液對混凝土堿骨料反應(yīng)的影響，結(jié)果表明在相同的堿濃度下，NaOH溶液中混凝土試樣的硅酸反應(yīng)最強(qiáng)烈， KOH溶液次之，LiOH溶液中的混凝土試樣的堿硅酸反應(yīng)最弱。此外，研究表明在LiOH溶液中，骨料周圍生成的低膨脹性含Li反應(yīng)產(chǎn)物可以阻礙堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，因而LiOH有抑制混凝土中堿硅酸反應(yīng)的作用。Théodore等[4]研究了Al離子對混凝土堿硅酸反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)Al離子吸附在SiO2表面可降低其溶解速率，因而可對堿硅酸反應(yīng)起到抑制作用。Cyrille等[5]研究了骨料粒徑對堿硅酸反應(yīng)引起的膨脹率的影響，結(jié)果表明經(jīng)堿硅酸反應(yīng)后，骨料粒徑在4～8 mm的混凝土試樣的膨脹率最大，其次是骨料粒徑在8～16 mm的混凝土試樣。此外還發(fā)現(xiàn)混凝土的膨脹率在堿硅酸反應(yīng)早期由骨料的破裂方式?jīng)Q定，而后期的膨脹率由漿體相的破裂方式?jīng)Q定。Smaoui等[6]研究了NaOH對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)添加較多NaOH的混凝土更容易形成多孔洞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。近年來，出現(xiàn)了一些用粉煤灰等礦物添加劑抑制混凝土堿硅酸反應(yīng)的報(bào)道[79]。李北星等[7]研究了粉煤灰對混凝土堿硅酸反應(yīng)的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)粉煤灰在消耗水泥漿體中Ca（OH）2的同時(shí)，反應(yīng)生成的堿硅鋁凝膠不具有膨脹性，因而可有效抑制堿硅酸反應(yīng)。此外，也有學(xué)者[8]認(rèn)為粉煤灰對水泥漿體中的堿有物理稀釋作用，粉煤灰中酸性顆粒對Na+、K+和OH-的吸附、滯留等多重作用，能夠有效抑制堿硅酸反應(yīng)。Aydin[9]等研究了研磨過程對含粉煤灰的混凝土試樣力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加研磨后的粉煤灰的混凝土試樣其力學(xué)性能將得到顯著改善。

陳達(dá)，等：堿硅酸反應(yīng)對水泥基材料力學(xué)性能的影響

工程結(jié)構(gòu)中的混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，材料往往承受三向應(yīng)力。研究表明[1012]水泥基材料的力學(xué)特征與圍壓狀態(tài)相關(guān)，隨著圍壓的增加，塑性應(yīng)變成為材料最主要的力學(xué)特征。為了更好了解水泥基材料，掌握其在多向應(yīng)力下尤其是三軸圍壓下的力學(xué)特性具有重要意義。然而，目前關(guān)于堿硅酸反應(yīng)的研究多數(shù)集中在反應(yīng)機(jī)理以及抑制堿硅酸反應(yīng)等方面[18]，而關(guān)于堿硅酸反應(yīng)后水泥基材料的力學(xué)性能[9，1314]的研究較少，尤其是堿硅酸反應(yīng)對水泥基材料的三軸抗壓性能方面的影響則鮮有報(bào)道。本文以活性不同的砂制備的砂漿為試驗(yàn)材料，研究了堿硅酸反應(yīng)對其三軸抗壓性能的影響，并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)的演變討論了堿硅酸反應(yīng)引起水泥基材料力學(xué)性能變化的機(jī)理。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用活性不同的兩種砂樣制備砂漿試樣，一種由石灰?guī)r組成，對堿反應(yīng)不敏感，即堿惰性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為NR試樣；另一種由硅質(zhì)灰?guī)r組成，對堿反應(yīng)呈潛在活性，即堿活性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為R試樣。制備砂漿試樣前，兩種砂進(jìn)行粉碎、篩分、沖洗去除極細(xì)顆粒和干燥處理，且選取25% （V.%）細(xì)砂（粒徑0.08 ～0.16 mm）、50%中砂（粒徑0.63～1.25 mm）和25% 粗砂（粒徑2.5～4 mm）。本文以高堿水泥（堿含量（Na2Oeq） 111%）、去離子水和篩選的砂按照一定比例攪拌制備砂漿試。水膠比對水泥基材料的性能有明顯的影響[1516]，周述光等[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.3～0.5的范圍內(nèi)，各砂漿試樣在經(jīng)過堿硅酸反應(yīng)后的膨脹率雖有一定的差異，但不同水膠比試樣膨脹率的演變規(guī)律卻相似。因此，為突出堿硅酸反應(yīng)與水泥基材料力學(xué)性能劣化間的關(guān)聯(lián)，將灰砂比和水灰比分別設(shè)定為1∶3和1∶2以制備砂漿試樣，即各種材料含量為：砂1 613.4 kg/m3，水泥537.8 kg/m3，去離子水268.9 kg/m3。關(guān)于水膠比對堿硅酸反應(yīng)后水泥基材料力學(xué)性能的影響，將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究。為加速砂漿中的堿硅酸反應(yīng)，制作砂漿試樣時(shí)以11.7 kg/m3 的比例加入NaOH顆粒以增加砂漿的堿性。

兩種砂漿均制備了一系列的40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試樣和φ36 mm×72 mm圓柱體試樣。其中棱柱體試樣用于膨脹率測定；圓柱體試樣用于三軸抗壓測試，每個(gè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)試樣的平均值。所有砂漿試樣在澆注后以塑料薄膜覆蓋表面養(yǎng)護(hù)3 d后拆模，然后將拆模后的試樣放入防水袋中室溫養(yǎng)護(hù)至28 d。此后，將部分砂漿試樣放入溫度為60°C、相對濕度為95%的恒溫箱中進(jìn)行加速堿骨料反應(yīng)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

以養(yǎng)護(hù)28 d的棱柱體砂漿試樣長度為基準(zhǔn)，每隔6 d測量試樣的長 度，根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2006）中的砂漿干縮（濕脹）試驗(yàn)的規(guī)程計(jì)算砂漿試樣的膨脹率。

以TOP INDUSTRIE水泥基材料三軸流變儀分別在圍壓為0、5和15 MPa條件下對圓柱體砂漿試樣進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)。以位移控制模式進(jìn)行軸向加載，軸向壓縮位移速率為2 μm/s。試驗(yàn)通過加載-卸載-加載的循環(huán)方式評估試樣在加載過程中彈性模量的變化。需要說明的是由于設(shè)備徑向變形測量環(huán)的特殊性，圍壓為0時(shí)無法進(jìn)行徑向變形測量。以JSM-6490A掃描電子顯微鏡對堿骨料反應(yīng)前后的砂漿試樣進(jìn)行微觀形貌觀察。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1堿硅酸反應(yīng)對膨脹變形的影響

從圖1中2種砂漿試樣的膨脹率隨著時(shí)間的變化曲線可以看出，由堿惰性砂制備的NR砂漿試樣的膨脹率在整個(gè)堿硅酸反應(yīng)過程中維持在一個(gè)較低的水平，始終保持在0.02%左右。而由堿活性砂制備的R砂漿試樣的膨脹率在開始的20 d內(nèi)幾乎呈線性增長；隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，在隨后的一段時(shí)間內(nèi)R砂漿試樣的膨脹率仍有所增加，但增加速率明顯降低；在反應(yīng)50 d后，R砂漿試樣的膨脹率趨于穩(wěn)定，保持在0.4%左右。Dunant[5]等也曾報(bào)道過混凝土的膨脹速率隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行而降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)槌跗诘膲A硅酸反應(yīng)速度較快，因而膨脹率迅速增加；隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，其生成的反應(yīng)產(chǎn)物一定程度上阻礙了骨料的進(jìn)一步溶解[3]，降低了堿硅酸反應(yīng)速率，使得水泥基材料的膨脹速率降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2堿硅酸反應(yīng)對砂漿力學(xué)性能的影響

對養(yǎng)護(hù)28 d的砂漿試樣和放入恒溫箱中進(jìn)行100 d堿硅酸反應(yīng)的2種砂漿試樣分別在0、5和15 MPa的圍壓下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。各砂漿試樣在不同圍壓情況下的偏應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，2種砂漿試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。在較小的應(yīng)變下，應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增加，余自若等[14]認(rèn)為在此階段，材料在應(yīng)力作用下被壓實(shí)，但未導(dǎo)致材料中大量裂紋的生成和擴(kuò)展，因而偏應(yīng)力隨著應(yīng)變呈線性增加。當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增加，應(yīng)力增加速率將明顯降低，應(yīng)力應(yīng)變偏離線性關(guān)系。Giaccio等[13]和余自若等[14]認(rèn)為這種應(yīng)力軟化現(xiàn)象與砂漿內(nèi)部大量裂紋的形成密切相關(guān)，由于壓應(yīng)力增加較大以致材料內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋，且裂紋間相互作用增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致該階段材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征。當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增加以致偏應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后試樣開始破壞，偏應(yīng)力應(yīng)變曲線開始轉(zhuǎn)為下降段。從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，偏應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著圍壓的增加而變得更加平緩，材料的塑形特性愈加明顯，張研和邵建富[17]等認(rèn)為這是由于水泥基材料中的孔隙在圍壓作用下的收縮所致。

圖3是2種砂漿試樣在堿硅酸反應(yīng)前后其峰值強(qiáng)度隨著圍壓的變化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)各砂漿試樣的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增加而明顯提高。此外，在圍壓為0、5、15 MPa下，堿硅酸反應(yīng)后R砂漿試樣的峰值強(qiáng)度比反應(yīng)前分別增加了13、20和19 MPa；而相同圍壓下堿硅酸反應(yīng)后NR砂漿試樣的峰值強(qiáng)度僅比反應(yīng)前的分別增加了2、5和3 MPa，可見堿硅酸反應(yīng)后R砂漿試樣的峰值強(qiáng)度增加比NR試樣顯著。在自由狀態(tài)下，由于堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)物填充到砂漿內(nèi)部的孔隙中增加了砂漿致密度[14，18]，因而砂漿試樣的峰值強(qiáng)度隨著堿硅酸反應(yīng)的進(jìn)行而有所增加。本文中由于R砂漿試樣的堿硅酸反應(yīng)比NR砂漿更加劇烈，其生成更多的反應(yīng)產(chǎn)物使R砂漿更加致密，因而其峰值強(qiáng)度增加更加明顯。因此，極限抗壓強(qiáng)度是評價(jià)堿硅酸反應(yīng)的重要參量，即相同圍壓下堿硅酸反應(yīng)越強(qiáng)烈，其極限抗壓強(qiáng)度增加越明顯。

圖4是堿硅酸反應(yīng)前后的砂漿試樣在50 MPa偏應(yīng)力和在不同圍壓下的軸向應(yīng)變量（ε1）的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓從5 MPa提高到15 MPa時(shí)，各試樣的應(yīng)變量都有明顯增加，表明隨著圍壓的增加，砂漿試樣存在明顯的軟化現(xiàn)象。同時(shí)，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)同堿硅酸反應(yīng)前相比，堿硅酸反應(yīng)后砂漿試樣在相同偏應(yīng)力下的應(yīng)變量明顯降低，且堿硅酸反應(yīng)更加強(qiáng)烈的R砂漿試樣的應(yīng)變量降低更加明顯。因?yàn)閴A硅酸反應(yīng)的產(chǎn)物增加材料的致密性[14]，進(jìn)而弱化了水泥基材料在三軸抗壓試驗(yàn)中的軟化。因此，三軸抗壓測試中的應(yīng)變量（ε1）也可以作為評價(jià)堿硅酸反應(yīng)的參量。