粉煤灰掺量和龄期对砼碱骨料反应的因素分析

闫春岭，付向红

(1.郑州大学 土木工程学院,河南 郑州 450002;2.安阳工学院 土木与建筑工程学院,河南 安阳 455000;3.安阳市结构检测与加固工程技术研究中心,河南 安阳 455000)

粉煤灰掺量和龄期对砼碱骨料反应的因素分析

闫春岭1,2,3，付向红2,3

(1.郑州大学 土木工程学院,河南 郑州 450002;2.安阳工学院 土木与建筑工程学院,河南 安阳 455000;3.安阳市结构检测与加固工程技术研究中心,河南 安阳 455000)

摘要：针对混凝土的新病害——碱骨料反应这一问题，对配制的高性能混凝土原材料进行了岩相法测试和快速砂浆棒试验，得出了该骨料具有碱活性。通过掺加不同比例粉煤灰代替水泥制作的砂浆棒试验，得出了砂浆棒膨胀率与粉煤灰的掺量及龄期有关。粉煤灰的掺量(质量分数≤30%)越多，龄期越短，砂浆棒膨胀率越小。结合数理统计分析方法，研究了粉煤灰和龄期两种因素对混凝土碱骨料反应的影响程度。研究结果表明：粉煤灰掺量和龄期均对混凝土碱骨料反应有非常显著的影响。在混凝土施工中，掺入适量的粉煤灰对抑制碱骨料反应是有效的。

关键词：碱骨料反应；因素分析；粉煤灰；龄期

基金项目：河南省科技计划重点攻关基金项目(132102310334);郑州大学科研启动基金项目(20137106)

作者简介：闫春岭(1975-),男,河北唐山人,副教授,博士后,主要从事土木工程方面的教学与研究工作.

收稿日期：2014-08-05

文章编号：1672-6871(2015)02-0070-04

中图分类号：TU528.041

文献标志码：标志码：A

0引言

碱骨料反应(AAR)是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料发生化学反应，引起混凝土的体积膨胀和开裂。碱骨料反应破坏源于混凝土内部，一旦发生，很难修复和治理，因此，碱骨料反应又被称为混凝土的“癌症”。国外碱骨料反应的研究类型可分为3类：碱硅酸反应、碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应[1-2]。文献[3]认为碱骨料反应主要为碱硅酸盐反应和碱碳酸盐反应两种类型，并且通过对中国实际工程中碱骨料反应破坏事例的调查，发现了碱骨料反应往往是碱硅酸盐反应与碱碳酸盐反应同时作用的结果。1940年，文献[1]研究发现水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱-硅酸盐凝胶，这种凝胶有强烈的吸水性，吸水后膨胀从而引起混凝土内部结构开裂。后来，Vivian、Powers等也相继进行了这项研究，他们分别提出了“肿胀压力理论”和“竞争反应理论”[4-5]。20世纪50年代，中国建设第一个大型水利工程——佛子岭水库时，吴中伟教授首次提出了碱骨料反应会导致混凝土结构内部膨胀开裂，当时得到了水电部的高度重视。碱骨料反应给世界各国造成的严重损失已被人们所公认[6-9]，如20世纪30年代，美国加利福尼亚州的桥墩事件、1984年北京建成的三元立交桥、加拿大Mactaquac水电站等，这些工程破坏均是由于碱骨料反应的缘故。 众所周知，碱骨料反应必须具备3个条件：一是混凝土拌合物中水泥含有一定数量的碱；二是拌合物中骨料中具有碱活性；三是有水分存在。工程上通常采用掺加不同比例的外加剂方式来抑制碱骨料反应的发生，如文献[10]通过掺加废旧轮胎橡胶粉的方式，来抑制混凝土工程中的碱骨料反应，研究发现了当废旧轮胎橡胶粉掺量(质量分数)为2.5%时，其对膨胀的抑制作用达到最佳效果。文献[11]通过室内试验，研究了掺加粉煤灰的方式来抑制石英砂岩的碱骨料反应。文献[12]在青藏铁路混凝土施工过程中，为防止混凝土发生碱骨料反应，除控制混凝土的总碱量外，还掺用了DZ型专用复合外加剂及粉煤灰等技术保障措施。而目前，对混凝土工程中碱骨料反应起主要作用因素的研究不多。本文利用掺加不同比例粉煤灰的砂浆棒试验，揭示粉煤灰和龄期两种因素对混凝土碱骨料反应的影响程度，以期为深入研究混凝土碱骨料反应的机理提供有益的参考。

1试验概况

1.1　混凝土材料

以安阳建工(集团)预制构件有限责任公司生产的C50以上的高性能混凝土桥梁板为例，对该厂采用的混凝土原材料同时进行了岩相法和快速砂浆棒法检测骨料碱活性的试验，得出了该骨料具有碱活性，详见文献[13]。现通过掺加掺合料的方法来抑制碱骨料反应，其中，所采用的掺合料为安阳电厂生产的粉煤灰，其化学成分见表1。

表1　粉煤灰的化学成分　 %

1.2　试验方法

表2　掺粉煤灰的砂浆棒膨胀率　 %

按照国家技术标准制作砂浆棒试件，试件大小为25 mm×25 mm×280 mm(长×宽×高)，其掺加的粉煤灰取代水泥的质量比(下用掺量)分别为0%，10%，15%，20%，25%和30%[14]。经过试件的脱模、预养护后，测定试件的初长。最后，配制试件的养护液，至养护容器的养护温度达到(80±1) ℃时，观测3 d、7 d、14 d的砂浆棒膨胀率，也可以把试件观测延期至28 d，具体可参见中华人民共和国铁道行业标准(TB/T 2922.5—2002)快速砂浆棒法。试验结果见表2。由表2可以看出：龄期(T)相同时，砂浆棒膨胀率随着粉煤灰掺量(质量分数≤30%)的增加而减小，表明在混凝土工程中，掺加一定量的粉煤灰对抑制碱骨料反应有积极的作用；当掺入粉煤灰的量一定时，砂浆棒膨胀率大体上随着龄期的增长而增大，这进一步说明碱骨料反应是一个时间过程，因此砂浆棒膨胀率增大。

2试验结果的方差分析

采用数理统计方法，为了不失一般性，设在某试验中，有两个因素A和B在变化，其中，A为粉煤灰的掺量，A有r种水平A1，A2，…，Ar；B为混凝土早龄期，B有s种水平B1，B2，…，Bs。在每一种组合水平(Ai，Bj)上做1次试验，试验结果为xij(i=1，2…，r；j=1，2…，s)，所有xij相互独立，且总试验有效次数n=rs，则方差分析按下列步骤进行[15]。

令

(1)

离差平方和及自由度为：

(2)

其中：SA为因素A引起的离差平方和；SB为因素B引起的离差平方和；SE为误差平方和。

2.1　计算F值

A、B两因素的显著性检验即为考察两个试验因素对试验指标是否确有显著性，采用F统计量进行检验，一般来说，显著性水平在0.05以下均有意义。F检验式为：

(3)

通过计算得到FA=20.210 7>F0.01(5,20)=4.10，FB=7.280 5>F0.01(4,20)=4.43。为了更直观地表述两个因素的显著水平，将方差分析结果列于表3中。由表3可知：两个因素对混凝土碱骨料反应均有影响。从Fj值的大小次序来看，对混凝土碱骨料反应的影响大小顺序，首先是粉煤灰的掺量A；其次是混凝土早龄期B，且两个都是主要的影响因素，影响极显著(“*”、“**”、“***”表示显著性从小到大，最高显著性为“***”)[16]。

2.2　粉煤灰掺量和早龄期对混凝土碱骨料反应的分析

本次试验采用的粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%和30%，龄期分别为3 d、7 d、14 d、21 d和28 d，试验结果见图1。由图1可以看出：龄期相同时，粉煤灰掺量越多，对混凝土中碱骨料反应的抑制作用就越大，砂浆棒膨胀率就越小。以龄期T=28 d为例，对砂浆棒膨胀率随着粉煤灰掺量进行线性拟合，y=a+bx，结果见图2。同理，对龄期为3 d、7 d、14 d和21 d也进行了相同的拟合，且相关系数R的绝对值均大于0.88，线性显著相关，拟合的最终结果见表4。由表4可以得出：在相同的龄期条件下，砂浆棒膨胀率随着粉煤灰掺量(质量分数≤30%)线性递减。

表3　方差分析表

注：A为粉煤灰的掺量，%；B为混凝土早龄期，d;S为离差平方和；d为自由度；M为因素的均方；F为因素的F值。

表4　砂浆棒膨胀率随粉煤灰掺量的线性拟合结果

图1 砂浆棒膨胀率与粉煤灰掺量的关系 图2 龄期T=28d的砂浆棒膨胀率随粉煤灰掺量的拟合关系

图3为砂浆棒膨胀率随龄期的变化关系。由图3可以看出：在相同相条件下，随着龄期的增加，砂浆棒膨胀率总体上也在增加，其中，粉煤灰的掺量为15%和25%时，龄期为21 d时出现波动。出现这种现象可能有两种原因：一是由试验误差引起；二是掺量为15%~25%时，21 d本身就是一个特殊点，有待进一步深入研究。以粉煤灰的掺量30%为例，对砂浆棒膨胀率随着龄期进行线性拟合，y=a+bx，结果见图4。同理，对粉煤灰的掺量为25%、20%、15%、10%和0%也进行了相同的拟合，且相关系数R的绝对值均大于0.75，线性相关，拟合的结果见表5。由表5可以得出：在相同粉煤灰的掺量条件下，砂浆棒膨胀率随着龄期线性递增。

图3砂浆棒膨胀率与龄期的关系图4粉煤灰掺量为30%的砂浆棒膨胀率随龄期的拟合关系

表5　砂浆棒膨胀率随龄期线性拟合结果

3结论

(1)对粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20%、25%和30%，龄期分别3 d、7 d、14 d、21 d和28 d的混凝土进行碱骨料反应试验，试验结果表明：龄期相同时，粉煤灰掺量越多，砂浆棒膨胀率就越小，对混凝土中碱骨料反应的抑制作用就越大。

(2)在相同相条件下，随着龄期的增加，砂浆棒膨胀率总体上也在增加，其中粉煤灰的掺量为15%和25%时，龄期为21 d时出现波动。

(3)通过数理统计和方差分析得出：粉煤灰掺量和龄期均对混凝土碱骨料反应有显著的影响，其中粉煤灰的掺量影响更大。

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