不同摻和料對(duì)砂巖骨料堿活性抑制效果的試驗(yàn)

朱安龍 李寶仁 張軍

摘要：以洪屏抽水蓄能電站砂巖骨料堿活性抑制試驗(yàn)為例，分別對(duì)粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及粉煤灰復(fù)合摻加硅灰的抑制效果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)混凝土含氣量、含砂率的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及粉煤灰復(fù)合摻加硅灰均可以有效抑制骨料的堿活性反應(yīng)，而且隨著混凝土含氣量的增加或含砂率的減小，骨料的堿活性反應(yīng)有所減弱。不同的摻和料起到有效抑制作用的摻量差別較大，粉煤灰、礦渣灰、硅灰達(dá)到有效抑制效果的摻量分別為30%、50%和4%。不同試驗(yàn)方法得到的結(jié)果有一定差異，在選擇檢測(cè)方法時(shí)應(yīng)予以注意。

關(guān)鍵詞：砂巖：堿活性；摻和料；含氣量；含砂率；抑制效果；洪屏抽水蓄能電站

中圖分類號(hào)：TV431；TV641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.029

堿一骨料反應(yīng)（簡(jiǎn)稱AAR）是影響混凝土耐久性的重要因素之一。混凝土工程一旦發(fā)生AAR反應(yīng)便難以遏制，不僅導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，而且促使影響混凝土耐久性的其他破壞作用加劇，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)喪失使用功能，危及工程安全。AAR不僅危害大，而且其破壞后基本無(wú)法修補(bǔ)，只能拆除重建，損失巨大，被稱為混凝土的“癌癥”。目前骨料的堿活性問題已得到工程界的普遍重視，對(duì)其抑制措施的研究成果也在工程中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)外常用的外摻料有粉煤灰、粒化高爐礦渣、硅灰及偏高嶺土，國(guó)內(nèi)常用的有粉煤灰、硅藻土和沸石，應(yīng)用最為廣泛的是粉煤灰。不同外摻料對(duì)混凝土性能的影響不同，如粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要表現(xiàn)在后期，具有很好的“強(qiáng)度潛力”：而硅灰活性高，其對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)主要在前期，后期相對(duì)較緩慢。

洪屏抽水蓄能電站上下水庫(kù)共有4座大壩，分別為兩座混凝土面板堆石壩、一座常態(tài)混凝土重力壩、一座碾壓混凝土重力壩。壩體不同部位對(duì)混凝土性能的要求差別較大：混凝土面板是面板堆石壩重要的防滲結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期處于水位變動(dòng)區(qū)，工作條件較為惡劣，混凝土的強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性等要求均較高；碾壓混凝土重力壩表孔溢洪道表面混凝土對(duì)強(qiáng)度、抗沖耐磨性能要求較高：混凝土重力壩大體積混凝土對(duì)澆筑溫度控制要求較為嚴(yán)格。該工程采用地下硐室開挖料，巖性為變質(zhì)中粗砂巖，堿活性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示為具有潛在危害性的活性骨料。在工程實(shí)際所用水泥下砂漿棒快速法和棱柱體法檢測(cè)的膨脹率分別達(dá)到0.40%和0.08%，膨脹率之高在國(guó)內(nèi)工程中較為少見，因此能否使用以及如何使用活性骨料是該工程建設(shè)面臨的一大難題。選用堿活性抑制方案時(shí)，需要綜合考慮摻和料對(duì)堿活性的抑制效果和對(duì)混凝土性能的影響。為了有效指導(dǎo)混凝土配合比設(shè)計(jì)，分別對(duì)粉煤灰、礦渣灰、硅灰的抑制效果進(jìn)行試驗(yàn)，包括單獨(dú)摻加和復(fù)合摻加，同時(shí)進(jìn)行了含砂率、含氣量對(duì)堿活性的影響試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 水泥

試驗(yàn)用水泥為江西豐城南方水泥有限公司生產(chǎn)的南方牌P.042.5水泥（以下簡(jiǎn)稱南方普硅）。水泥的化學(xué)成分分析執(zhí)行《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T 176-2008），水泥的品質(zhì)檢測(cè)執(zhí)行《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007），分析檢測(cè)結(jié)果見表1和表2。

1.2 粉煤灰

試驗(yàn)使用上高縣鼎易工程服務(wù)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。粉煤灰的品質(zhì)檢驗(yàn)執(zhí)行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰>（GB/T 1596-2005），化學(xué)成分見表3，品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表4。檢測(cè)結(jié)果表明，粉煤灰的細(xì)度滿足GB/T 1596-2005對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求，其他性能均滿足I級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求。

2 骨料堿活性檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方法

骨料堿活性測(cè)試方法有巖相法、砂漿棒快速法及棱柱體法，不同的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。為了使檢測(cè)結(jié)果更為可靠，分別采用上述三種方法進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，以作綜合評(píng)判。由于是人工骨料，巖相單一，因此只對(duì)人工砂進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 巖相法

偏光顯微鏡顯示該碎石巖性為砂巖，具砂狀結(jié)構(gòu)，由碎屑和膠結(jié)物組成。碎屑的成分主要為石英（包括石英巖、硅質(zhì)巖巖屑）、巖屑，少量長(zhǎng)石，多呈次圓狀一網(wǎng)狀，均為砂級(jí)碎屑。石英顆粒較粗、不屬微晶石英，部分具波狀消光，石英巖巖屑由顆粒較粗的石英組成、部分具波狀消光，硅質(zhì)巖巖屑主要由隱一微晶石英組成：巖屑主要為酸一中性火山巖，少部分為黏土巖巖屑等，酸一中性火山巖主要由隱一微晶長(zhǎng)石、石英組成，部分具蝕變、由黏土質(zhì)生成，黏土巖主要由黏土質(zhì)組成，含部分細(xì)小長(zhǎng)石、石英；長(zhǎng)石不具堿活性。膠結(jié)物主要為黏土質(zhì)，少量石英，黏土質(zhì)呈顯微鱗片狀，石英呈隱一微晶狀，隱于黏土質(zhì)間。

碎屑和膠結(jié)物中粒徑小于0.05mm的隱一微晶石英占總量的IO%～15%.波狀消光石英約占總量的15%，這兩類石英均具有潛在堿硅活性，因此該碎石具有潛在堿硅活性。

2.2.2 試驗(yàn)測(cè)試法

分別采用砂漿棒快速法及棱柱體法進(jìn)行骨料堿活性檢測(cè)。砂漿棒快速法顯示，在基準(zhǔn)水泥以及該工程實(shí)際采用的南方普硅下14d膨脹率分別達(dá)到0.448%、0.400%。棱柱體法結(jié)果顯示，該工程實(shí)際采用的南方普硅下52周膨脹率達(dá)到0.081%。根據(jù)規(guī)范均評(píng)判為具有潛在危害性活性骨料。

3 堿活性抑制方法與檢測(cè)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法檢測(cè)單摻或復(fù)合摻加粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及調(diào)整含砂率或含氣量等措施對(duì)骨料堿硅酸反應(yīng)活性的抑制效果。不同抑制措施試驗(yàn)方案見表5。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 粉煤灰抑制效果

試驗(yàn)結(jié)果（圖1）顯示，粉煤灰的抑制作用非常明顯，摻加20%以上的粉煤灰對(duì)砂巖骨料的堿活性有明顯的抑制效果，不同試驗(yàn)方法的檢測(cè)結(jié)果基本一致。砂漿棒快速法檢測(cè)的14d膨脹率降低到-0.03%～-0.06%、269d膨脹率只有0.01%～0.07%，棱柱體法檢測(cè)的52周膨脹率僅為-0.003%～0.001%。

3.2.2 礦渣灰抑制效果

試驗(yàn)結(jié)果（圖2）顯示，礦渣灰對(duì)砂巖堿活性具有抑制作用，但與粉煤灰相比抑制效果相對(duì)較差，而且不同試驗(yàn)方法的檢測(cè)結(jié)果存在一定的差異。對(duì)摻30%～50%礦渣灰的試件，砂漿棒快速法檢測(cè)的14d膨脹率為0.05%～0.20%，只有摻量為50%的試件檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求，而且后期膨脹率增加明顯，269d膨脹率為0.16%～0.44%。但棱柱體法檢測(cè)的52周膨脹率為0.001%～0.007%，三種摻量的抑制效果均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 硅灰抑制效果

試驗(yàn)結(jié)果（圖3）顯示，摻加4%以上的硅灰可以有效抑制砂巖骨料的堿活性，其變化規(guī)律和礦渣灰相似。砂漿棒快速法檢測(cè)的14d膨脹率降低到-0.01%～-0.02%，雖然均滿足規(guī)范的評(píng)定要求，但其后開始膨脹，269d膨脹率達(dá)到0.14%～0.28%。棱柱體法檢測(cè)的52周膨脹率為-0.001%～0.005%，抑制效果與礦渣灰接近，均滿足規(guī)范評(píng)定要求。

3.2.4 粉煤灰和硅灰復(fù)摻抑制效果

試驗(yàn)結(jié)果（圖4）顯示，在摻加20%粉煤灰基礎(chǔ)上復(fù)摻4%以上硅灰同樣可以有效抑制砂巖骨料的堿活性，與單獨(dú)摻加20%粉煤灰相比抑制效果更好，其變化規(guī)律與單獨(dú)摻加粉煤灰相似。砂漿棒快速法檢測(cè)的14d膨脹率為-0.02%～-0.03%.269d膨脹率為0.04%～0.06%：棱柱體法檢測(cè)的52周膨脹率降低到-0.005%～-0.003%，均滿足規(guī)范評(píng)定要求。

3.2.5 含砂率的影響

試驗(yàn)結(jié)果（圖5）顯示，含砂率對(duì)膨脹率也存在一定的影響，提高含砂率時(shí)混凝土膨脹率變大，棱柱體法檢測(cè)的45%含砂率52周的混凝土膨脹率比30%含砂率的增大11%左右。

3.2.6 含氣量的影響

通過調(diào)整引氣劑摻量得到1.0%～9.3%含氣量的砂漿，可以看出含氣量對(duì)后期膨脹率有一定的影響（圖6）。隨著含氣量的增加試件的膨脹性有所減弱，192d時(shí)9.3%含氣量砂漿膨脹率是1%含氣量砂漿膨脹率的74%左有。

3.3 堿活性抑制機(jī)理分析

砂巖骨料堿活性反應(yīng)屬于堿一硅酸鹽反應(yīng)，其作用機(jī)理是骨料中的堿活性成分二氧化硅在混凝土硬化后逐漸與堿發(fā)生反應(yīng)，生成堿硅酸鹽膠凝體。堿硅酸鹽膠凝體集聚后具有吸水膨脹的作用，從而使混凝土產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力而開裂。抑制堿活性反應(yīng)就是采取一定的措施使水泥中的鉀、鈉離子處于非游離狀態(tài)，或者使混凝土硬化后生成的堿硅酸鹽膠凝體處于非聚集狀態(tài)。

（1）活性礦物細(xì)粉作用機(jī)理。對(duì)比試驗(yàn)中采用的硅灰、粉煤灰、礦渣灰中含活性硅，活性硅與混凝土漿液中游離的鉀鈉離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成細(xì)而分散的堿硅凝膠。該堿硅凝膠一方面將仍處于游離態(tài)的鉀鈉離子包裹，將其轉(zhuǎn)換為非游離態(tài)，減緩骨料堿活性反應(yīng)：另一方面礦粉顆粒細(xì)，生成的堿硅凝膠呈非集聚狀態(tài)，減緩了吸水膨脹的作用。因此，摻和的礦粉顆粒越細(xì)小、活性硅含量越高，其抑制效果越明顯。本次試驗(yàn)所反映的硅粉、粉煤灰、礦渣灰抑制效果差異即源于此。

（2）含氣量作用機(jī)理。混凝土內(nèi)部氣體以均勻分布的細(xì)微氣泡形式存在，能夠阻礙游離態(tài)鉀鈉離子與骨料堿活性礦物之間的反應(yīng)，因此起到抑制堿活性反應(yīng)的作用。

（3）含砂率作用機(jī)理。試驗(yàn)采用的是人工砂，同樣具有堿活性。砂子與粗骨料相比比表面積大，當(dāng)含砂量增大時(shí)，骨料與水泥內(nèi)堿性物質(zhì)接觸的面積增大，堿活性礦物與游離態(tài)的鉀鈉離子發(fā)生反應(yīng)的速度與激勵(lì)程度也隨之增大。

4 結(jié)論和建議

（1）堿活性抑制試驗(yàn)表明，粉煤灰、礦渣灰、硅灰均可作為洪屏工程砂巖骨料堿活性抑制物。試驗(yàn)可為高膨脹性砂巖骨料在大型水電工程應(yīng)用中混凝土配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）試驗(yàn)表明，針對(duì)洪屏工程所采用的砂巖骨料，粉煤灰摻量大于20%、礦渣灰摻量大于50%或者硅灰摻量大于4%均可達(dá)到有效的抑制效果。含砂率和含氣量對(duì)骨料的膨脹性也有一定的影響。從抑制效果的穩(wěn)定性上看，粉煤灰抑制效果較為穩(wěn)定，摻加礦渣灰、硅灰試件后期膨脹率均有一定程度的增長(zhǎng)。

（3）在粉煤灰摻量為20%的前提下，復(fù)摻硅灰可以進(jìn)一步抑制混凝土的堿活性。由于復(fù)合摻加的試驗(yàn)中粉煤灰的含量較高，已具有明顯的抑制效果，因此復(fù)摻硅灰的效果未能得到明顯體現(xiàn)。實(shí)際工程應(yīng)用中如果因混凝土其他性能要求，某種礦粉添加量不能滿足堿活性抑制要求時(shí)，可以考慮復(fù)合摻加其他礦粉。

（4）本次試驗(yàn)所揭示的不同測(cè)試方法之間的差異對(duì)堿活性抑制試驗(yàn)方法的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)砂巖骨料采用礦渣灰或者硅灰作為抑制材料時(shí)，砂漿棒快速法檢測(cè)試件后期膨脹率增長(zhǎng)較大，采用14d齡期測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)判可能導(dǎo)致偏差過大，因此在進(jìn)行骨料堿活性測(cè)試或者抑制試驗(yàn)時(shí)，建議采用兩種或兩種以上的檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試，綜合評(píng)判。