SEM测试技术在全级配混凝土长龄期碱活性试验研究中的应用

邵晓妹，李 珍，韩 炜

(长江科学院a.长江工程技术公司;b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

从20世纪40年代初发现碱－骨料反应问题开始，骨料碱活性试验研究一直受到工程界高度重视。半个多世纪以来，我国建设了许多混凝土高坝，在这些工程中是否存在碱－活性骨料反应破坏，一直为人们所关注。

根据20世纪80年代中期对全国已建的32座高坝和40余座水闸的混凝土耐久性和老化病害状态进行的调查，总结了影响水工混凝土耐久性的6类主要病害形式，即裂缝、渗漏、冻融破坏、冲磨空蚀、水质侵蚀和碳化以及钢筋锈蚀破坏，调查中并没有发现由于碱－活性骨料反应引起工程破坏的实例。究其原因，主要是由于国内对防止水工混凝土由于碱－活性骨料反应而引起混凝土劣化问题重视较早。由此可见，水利水电工程建设一直高度重视混凝土碱－骨料反应问题［1］。对所建工程，尤其是国家级重点工程，从地质勘探、料场选择时就要求进行骨料的碱活性检测，目前已形成了一套系统的、具有可行性的混凝土碱－活性骨料反应风险预测与评估体系，同时根据大量的工程经验总结出了对骨料碱活性行之有效的判定方法，并尝试对新的试验方法进行了探索性的研究。受区域地质条件的限制，某些工程不得不使用活性骨料，并采取相应的抑制措施，因此，如何评价混凝土碱－骨料反应抑制措施的效果，是研究者必须面对的一个课题。

近年来，随着扫描电子显微镜(SEM—scanning electron microscope)测试技术的发展，人们开始借助SEM对混凝土中的碱骨料反应产物进行形貌观测，同时进行反应产物特征细观分析。SEM测试手段在混凝土碱骨料反应及其膨胀机理的研究运用中，对进一步了解碱骨料反应产物、混凝土遭受碱硅反应劣化机理及膨胀源萌生过程的研究具有十分重要的意义。

本文在国内某大型水电站砂岩骨料碱活性试验基础上，充分考虑工程实际需要，开展了全级配大体积混凝土碱骨料反应长龄期模拟试验，运用SEM测试技术结合已有碱骨料反应评估体系进行了骨料碱活性抑制效果长期有效性研究，以期从宏观及微观全面系统掌握实际工程混凝土膨胀劣化特性。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

水泥为峨嵋中热42.5水泥;粉煤灰为宣威Ⅰ级粉煤灰;骨料为某水电站用砂岩粗骨料和大理岩细骨料，其中砂岩骨料具有ASR反应活性。

2.2 试验方案

2.2.1 砂岩SEM测试

对取自某水电站的砂岩骨料进行SEM分析，具体步骤为:将岩石样品加工成粒径＜5 mm的颗粒，分别放入不锈钢容器中，在试管中加入1 mol/L的NaOH溶液10 mL，拧紧盖子，将容器置于80℃恒温水浴中;养护至3 d和7 d龄期时将样品颗粒取出，用无水乙醇冲洗后放入坩埚，将样品烘干;样品经烘干后，采用日本电子的JSM－6610扫描电镜(SEM)进行观测。

2.2.2 全级配大体积混凝土长龄期试件SEM测试

采用峨嵋中热42.5水泥和宣威Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰掺量为35%，2种骨料组合(砂岩粗骨料+砂岩人工砂、砂岩粗骨料+大理岩人工砂)，配合比选用实际工程配合比成型的混凝土试件。试件尺寸选用450 mm×450 mm×1 350 mm，养护条件分别为20℃标准养护室养护与室外自然潮湿养护，进行混凝土膨胀率长龄期观测。试验配合比见表1，混凝土总碱量按实际工程配合比的总碱量控制。对取自20℃标准养护与室外自然潮湿条件下的2种骨料组合(砂岩粗骨料+砂岩人工砂、砂岩粗骨料+大理岩人工砂)的全级配混凝土试件［2－3］，在尽量减少破碎振动的前提下，取具有相对平整且完好骨料及水泥石界面的试块表面镀金，抽真空备用进行SEM 测试［4］。

3 试验结果与讨论

3.1 砂岩SEM分析

对砂岩原岩及碱溶液浸泡后的砂岩进行了SEM测试。图1为砂岩原样和浸泡于1 mol/L的NaOH溶液3 d和7 d之后的SEM照片。图1(a)的2个小图表示砂岩不同部位的SEM照片，下同。

图1的SEM图像表明:砂岩原岩表面结构致密、节理清晰;浸泡3 d后试样表面明显有花瓣状物质分布萌生，其结构柔软、分布均匀;浸泡7 d后试样表面花瓣状物质增多，郁郁葱葱。浸泡后比较产物形貌，经浸泡后砂岩试样中的活性成分与碱发生了碱－硅酸反应(ASR)，且随着反应龄期的增加，砂岩表面的反应产物形貌发生增量变化，反应产物明显增多，细观现象上进一步验证了砂岩具有ASR反应活性［5］。

图1 砂岩SEM照片Fig.1 Photographs of sandstone sample by SEM

3.2 全级配混凝土长龄期试件SEM分析

按全级配混凝土试验配合比成型了4组试件，分成2组分别在20℃室内进行标准养护及室外自然养护，试件照片如图2所示，试件从成型观测至今将近有4 a龄期。对取自20℃标准养护与室外自然潮湿条件下的2种骨料组合(砂岩粗骨料+砂岩人工砂、砂岩粗骨料+大理岩人工砂)全级配混凝土试件进行SEM测试。图3为20℃标准养护和室外自然养护条件下砂岩粗骨料+砂岩人工砂全级配混凝土试件4 a龄期SEM照片，图4为20℃标准养护和室外自然养护条件下砂岩粗骨料+大理岩人工砂全级配混凝土试件4 a龄期SEM照片。

表1 长龄期试验全级配混凝土配合比Table 1 Mix proportion of fully-graded concrete for long age test

图2 不同养护条件下全级配混凝土棱柱体试件Fig.2 Prismoid specimens of fully-graded concrete under different curing conditions

图3 不同养护条件下砂岩粗骨料+砂岩人工砂全级配混凝土试件4 a龄期SEM照片Fig.3 SEM photographs of 4-year age fully-graded concrete specimens of sandstone coarse aggregate＆sandstone grit under different curing conditions

图4 不同养护条件下砂岩粗骨料和大理岩人工砂全级配混凝土试件4 a龄期SEM照片Fig.4 SEM photographs of 4-year age fully-graded concrete specimens of sandstone coarse aggregate＆marble grit under different curing conditions

从图3和图4微观形貌可以看出:

(1)全砂岩骨料长龄期混凝土在分别在20℃标准养护和室外自然养护条件下均明显可见小贝壳状、棉絮状等松软的混凝土碱活性反应产物。

(2)大理岩与砂岩组合骨料在标准养护和自然养护条件下，局部可见碱活性反应产物，但更多的是长柱状或细柱状的水泥水化产物，且堆积紧密，说明大理岩砂减缓了砂岩骨料碱膨胀反应［6］。

(3)标准养护条件下2种骨料组合的碱活性反应产物多于自然养护条件，这也验证了碱骨料反应速度和程度与混凝土所处温湿度密切相关。

4 结论

(1)将SEM测试技术运用于混凝土碱活性研究，能清晰观测到发生骨料界面典型反应产物形貌，可半定量了解其碱活性反应程度，预测混凝土劣化趋势。

(2)在某大型水电站全级配混凝土长龄期碱活性试验中，SEM图像所展现的活性骨料反应状况表明大理岩人工砂能减缓砂岩骨料碱活性膨胀;若将此配合比应用于工程，还需结合其他方法进行综合判定。

(3)由于试验条件限制，为更好地从细观上对全级配混凝土长龄期碱活性骨料反应进行动态观测，力求找到长龄期混凝土碱活性反应膨胀历程，尝试下一步进行不同龄期全级配混凝土碱活性反应SEM观测。

［1］刘崇熙，文梓芸.坝工混凝土专论(一):混凝土碱－骨料反应［M］.广州:华南理工大学出版社，1995.(LIU Chong-xi，WEN Zi-yun.Monograph on Dam Engineering Concrete(1):Concrete Alkali Aggregate Reaction［M］.Guangzhou:South China University of Technology Press，1995.(in Chinese))

［2］DL/T5151—2001，水工混凝土砂石骨料试验规程［S］.北京:中国电力出版社，2002.(DL/T5151—2001，Test Procedures of Sandstone Aggregate of Hydraulic Concrete［S］.Beijing:China Electric Power Press，2002.(in Chinese))

［3］Standard ASTM C295—2003，Guide for Petrographic Examination of Aggregates for Concrete［S］.USA:American Society of Testing and Materials，2003.

［4］李 珍，肖 靓，章瑞文.40年大坝混凝土芯样的微观测试与分析［J］.中国水能及电气化，2010，(5):46－50.(LI Zhen，XIAO Liang，ZHANG Rui-wen.Microscopic Tests and Analysis of Concrete Core Sample in a 40-year-old Dam［J］.China Hydropower＆ Electrification，2010，(5):46－50.(in Chinese))

［5］李 珍，肖 靓，陈 亮.碱－硅反应产物的微观形貌特征研究［J］.长江科学院院报，2012，29(3):62－66.(LI Zhen，XIAO Liang，CHEN Liang.Microscopic Appearance of the Products of Alkali-Silica Reaction(ASR)［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29(3):62－66.(in Chinese))

［6］李 珍，肖 靓，汪在芹.丹江口大坝混凝土芯样的微观测试与分析［J］.长江科学院院报，2011，28(5):59－62.(LI Zhen，XIAO Liang，WANG Zai-qin.Microscopic Tests and Analysis on Concrete Core Samples from Danjiangkou Dam［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(5):59－62.(in Chinese))