粉煤灰抑制堿硅反應(yīng)長期有效性研究

李光偉 ， 周麒雯， 楊 軼， 李鵬翔

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072; 2.長江水利委員會長江科學(xué)院， 湖北 武漢 430010)

1 問題的提出

堿硅酸反應(yīng)(ASR)是指混凝土孔溶液中的堿與集料中的活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿硅凝膠吸水腫脹導(dǎo)致混凝土破壞的過程。自1940年ASR被發(fā)現(xiàn)以來，已在全世界范圍內(nèi)造成了巨大的損失[1]。ASR是一個較緩慢的過程，特別是對于一些低活性慢膨脹型的活性骨料，這一時間會更長。由于水利水電工程的設(shè)計使用壽命多達(dá)百年，且水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為堿骨料反應(yīng)提供了充分的環(huán)境條件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的ASR潛在風(fēng)險[2]。

粉煤灰對水泥水化、孔溶液堿濃度以及水泥漿體結(jié)構(gòu)等均會產(chǎn)生顯著的影響，可以有效地延緩或抑制活性骨料的ASR膨脹，因此在混凝土中摻加粉煤灰是抑制活性骨料ASR目前最經(jīng)濟(jì)和最有效的途徑之一[3～5]。但由于活性骨料巖性的廣泛性以及其所對應(yīng)發(fā)生ASR的復(fù)雜性，目前對粉煤灰抑制ASR的機(jī)理仍然存在著爭議，對其機(jī)理了解得尚不夠清楚全面，在實(shí)際工程中也有摻加20%～25%粉煤灰的混凝土工程發(fā)生ASR造成了破壞的案例[6]，因此粉煤灰抑制活性骨料ASR的長期有效性是工程界十分關(guān)注的問題之一。

本文結(jié)合水利水電工程的實(shí)際，通過對粉煤灰抑制活性骨料ASR長齡期試件的膨脹率觀測以及對試件水化產(chǎn)物的微觀分析，對粉煤灰抑制活性骨料ASR的長期有效性進(jìn)行一定的分析和探討。

2 粉煤灰抑制ASR長期有效性試驗(yàn)研究

2.1 原材料基本性能

試驗(yàn)所采用的膠凝材料為P.HM42.5水泥和Ⅰ級粉煤灰，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分

試驗(yàn)所采用的骨料為變質(zhì)粉砂巖，分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法對該巖石的堿活性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖1。檢驗(yàn)結(jié)果表明：其14 d的砂漿膨脹率為0.260%，1年的混凝土膨脹率為0.062%，按砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法的評判標(biāo)準(zhǔn)可以判定該變質(zhì)粉砂巖具有潛在的ASR活性。

圖1 粉砂巖的ASR活性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 粉煤灰抑制ASR長齡期膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行了粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的長齡期試驗(yàn)研究，其中粉煤灰的摻量為20%，試驗(yàn)齡期為3年。砂漿棒快速法的試驗(yàn)結(jié)果見圖2，混凝土棱柱體法的試驗(yàn)結(jié)果見圖3，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)摻20%Ⅰ級粉煤灰28 d的砂漿膨脹率小于0.1%，其2年的混凝土膨脹率小于0.04%，按《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》(DL/T5241-2010)[7]的規(guī)定，可以判定摻20%的Ⅰ級粉煤灰可以有效地抑制變質(zhì)粉砂巖的ASR。

(2)隨著齡期的延長，摻20%Ⅰ級粉煤灰的變質(zhì)粉砂巖砂漿和混凝土的ASR膨脹值均有所增加。當(dāng)齡期達(dá)到50 d左右時，砂漿膨脹率已經(jīng)超過了砂漿棒快速法規(guī)定的0.1%評判標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)齡期達(dá)到3年時，混凝土的膨脹率已經(jīng)超過了混凝土棱柱體法規(guī)定的0.04%評判標(biāo)準(zhǔn)。

(3)隨著齡期的延長，20%Ⅰ級粉煤灰對變質(zhì)粉砂巖砂漿和混凝土ASR膨脹變形的抑制率均有所降低。當(dāng)齡期延長至3年時，其砂漿膨脹變形抑制率由14 d的94.8%降低為53.1%；其混凝土的膨脹變形抑制率由1年的79.0%降低為58.9%。

綜合采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行的粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的長齡期試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著齡期的延長，摻20%Ⅰ級粉煤灰的變質(zhì)粉砂巖砂漿及混凝土的ASR膨脹值均會有所增加，粉煤灰對變質(zhì)粉砂巖ASR膨脹變形的抑制率有所降低。

圖2 粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR砂漿棒快速法的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果

2.3 粉煤灰抑制ASR水化產(chǎn)物的微觀分析

對在80℃溫度下，浸泡在1 mol/L NaOH溶液中28 d和1年的摻20%粉煤灰砂漿試件，經(jīng)無水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測結(jié)果見圖4和圖5。從觀測結(jié)果可以看出：

在28 d齡期時，砂漿試件中骨料的表面比較致密完整，骨料與膠凝材料的膠結(jié)良好，界面處存在有大量塊狀水泥凝膠，骨料與膠凝材料的界面看不到骨料的腐蝕現(xiàn)象，未見堿硅凝膠的產(chǎn)生。在1年齡期時，可見砂漿試件中骨料的表面疏松，SiO2膠結(jié)物和部分礦物顆粒遭堿溶蝕，結(jié)構(gòu)遭膨脹破壞。骨料與膠凝材料的界面有明顯的發(fā)生ASR的跡象，存在有較大量的堿硅凝膠，無定形形態(tài)，或者已經(jīng)和水泥凝膠結(jié)合成含鈣的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)明顯比較疏松，具有膨脹性。

對在38℃溫度下，RH不小于95%養(yǎng)護(hù)365 d的摻20%粉煤灰的混凝土試件經(jīng)無水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測結(jié)果見圖6。

圖4 養(yǎng)護(hù)28 d摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖5 養(yǎng)護(hù)1年摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖6 養(yǎng)護(hù)365 d摻20%粉煤灰混凝土試件SEM

從觀測結(jié)果可以看出：在混凝土試件中骨料表面還比較致密完整，與膠凝材料膠結(jié)良好，粉煤灰界面處有大量長針狀、長柱狀、片狀等水化產(chǎn)物，有少部分膠結(jié)物與堿產(chǎn)生反應(yīng)，部分SiO2膠結(jié)物遭堿溶蝕，有極少量的絲網(wǎng)狀的堿硅凝膠。

3 分析與探討

混凝土中的ASR膨脹的發(fā)生和發(fā)展可分為兩個階段，即：孔溶液中的堿與骨料的活性組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿硅凝膠和凝膠的吸水腫脹。在第一階段包含孔溶液中的堿遷移至活性骨料表面的物理過程和堿與活性組分反應(yīng)生成凝膠的化學(xué)過程。在這個過程中，體系中的堿含量和水泥水化生成的Ca(OH)2在ASR膨脹中起到促進(jìn)作用。

粉煤灰抑制ASR的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個方面[8-10]：

(1)粉煤灰可以有效降低水泥漿體中的堿含量。粉煤灰中堿的釋放速度遠(yuǎn)小于水泥，摻入粉煤灰后使得混凝土孔溶液中的堿濃度下降。同時粉煤灰中酸性氧化物的界面化學(xué)作用將堿離子滯留吸附降低了體系的堿度。粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)后生成的低Ca/Si比的C-S-H凝膠也增強(qiáng)了對堿離子的吸附能力，降低了孔溶液的堿濃度。

(2)粉煤灰可以降低水泥漿體中的Ca(OH)2的含量。將粉煤灰取代水泥后可降低體系的Ca(OH)2含量，而且粉煤灰會與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗體系中的Ca(OH)2，從而有效地降低了水泥漿體中的Ca(OH)2含量。

(3)粉煤灰可以提高混凝土基體的致密化。粉煤灰的微集料效應(yīng)改善界面區(qū)組成及結(jié)構(gòu)，火山灰反應(yīng)生成的低Ca/Si的水化產(chǎn)物可以對混凝土基體起到致密化作用。雖然上述的各種機(jī)理均具有一定的合理性，但究竟何種機(jī)理才是抑制粉煤灰ASR的主導(dǎo)因素，目前還存在著爭議。

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行的粉煤灰抑制ASR長齡期的試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出：隨著齡期的延長，粉煤灰對ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現(xiàn)了ASR的產(chǎn)物。表明在存在足量外堿的情況下，粉煤灰并不能完全抑制ASR膨脹，只是減輕了堿對活性骨料的侵蝕，延緩了活性骨料的ASR發(fā)生。當(dāng)足量的外堿存在時(其中砂漿棒快速法中環(huán)境的總含堿量為5.4 kg/m3，混凝土棱柱體法中環(huán)境的總含堿量為5.25 kg/m3)，粉煤灰可以降低水泥漿體中堿含量的作用將會被掩蓋。

筆者曾經(jīng)進(jìn)行了不同總堿含量條件下粉煤灰抑制活性骨料的ASR試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究的結(jié)果表明[11]：隨著總的堿含量增加，粉煤灰抑制活性骨料ASR的作用將減弱，當(dāng)環(huán)境的總堿含量提高的情況下，要想有效地抑制活性骨料的ASR膨脹，粉煤灰必須要有較高的取代水平。亦就是說，粉煤灰抑制骨料ASR的效果與環(huán)境的總堿含量息息相關(guān)。

4 結(jié) 語

使用非活性骨料對防止混凝土ASR而言是最安全可靠的措施。但由于活性骨料特別是硅質(zhì)活性骨料分布廣泛以及受工程造價的影響，混凝土骨料的可選擇余地愈來愈受到限制。在混凝土中使用某些混合材置換部分水泥，不僅能延緩或抑制ASR，而且對混凝土的其他性能有一定的改善作用，同時對節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境也有重要意義。因此采用粉煤灰部分替代水泥作為抑制活性骨料ASR的工程措施已在大量工程中得以應(yīng)用。

結(jié)合水電工程實(shí)際開展的粉煤灰抑制活性骨料ASR的長期有效性的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：隨著齡期的延長，粉煤灰對ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現(xiàn)了ASR的產(chǎn)物。表明在足量的外堿存在時，摻入一定量的粉煤灰只是減輕了堿對活性骨料的侵蝕，延緩了ASR的發(fā)生，并不能完全有效地抑制活性骨料的ASR。因此，在實(shí)際工程中，采用摻一定量粉煤灰作為抑制堿骨料反應(yīng)的工程措施時，一定要同時控制混凝土的總堿含量，否則達(dá)不到抑制堿骨料反應(yīng)的目的。