快速砂浆棒法检测矿物掺合料与Li2CO3对ASR抑制作用的适用性评价

高　鹏　 余红发　 文　静　 李　颖　 臧亚美

(1南京航空航天大学土木工程系, 南京 210016)(2内蒙古科技大学土木工程学院, 包头 014010)(3中国科学院青海盐湖研究所, 西宁 810008)(4西藏大学资源与土木工程系, 拉萨 850000)

自Stanton[1]报道碱集料危害以来,由混凝土工程碱-硅酸反应(alkali-silica reaction,ASR)引起的破坏受到了广泛的关注[2].使用矿物掺合料(supplementary cementitious materials,SCM)[3-5]和化学外加剂(chemical admixtures,CA)[6-8]是控制ASR的有效手段.使用正确的试验方法,有助于检测抑制材料对ASR的抑制效果.

目前能够检测ASR抑制效果的方法及规程有混凝土棱柱体法(concrete prism expansion tests,CPT)[9-10]、大体积混凝土试块法(large concrete blocks,LCB)[9]、硼硅酸盐玻璃砂浆棒法(pyrex mortar bar test,PMBT)[11]、快速砂浆棒法(accelerated mortar-bars test,AMBT)[12-14]等.其中,CPT，LCB试验周期长(几年甚至十年),不适用于实际混凝土工程应用.而PMBT使用的活性骨料过于单一,其抑制效果并不能准确代表实际骨料的抑制效果,且Thomas等[9]认为,PMBT不宜在美国之外的地区使用.

AMBT具有试验方法简单、快捷的特点,在工程界得到广泛应用.本文利用AMBT的长龄期试验结果,对AMBT用于检测矿物掺合料与Li2CO3对ASR抑制效果的适用性进行评价.

1　原材料与方法

1.1　原材料

水泥选用基准水泥(reference cement,RC)、P·O42.5普通硅酸盐水泥和P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥.SCM选用粉煤灰(fly ash,FA)、磨细矿渣(ground granulated blasted furnace slag,GGBFS)和硅灰(silica-fume,SF),化学组成见表1.骨料选用工程细骨料,中砂产地为青海省湟中县多巴.碱活性骨料存在于细粒砂(粒径小于5 mm)中,主要成分为石英砂岩、少量灰岩和杂砂岩.碱活性主要来源于杂砂岩中分布的微晶质石英、隐晶质石英和应变石英,碱活性骨料约占细砂粒的10%.化学外加剂选用Li2CO3.水选用蒸馏水.

表1　水泥及SCM化学组成　%

1.2　试验方法

骨料碱活性试验、SCM抑制与Li2CO3抑制试验均采用AMBT方法进行短期判定.试验后延长试件浸泡龄期至3 a,期间维持NaOH溶液浓度为1 mol/L和温度80 ℃.利用长龄期试验结果对AMBT短期判定结果进行评价.

2　结果与讨论

2.1　骨料的判定

胶材选用基准水泥,无任何抑制材料,砂浆棒膨胀率结果见图1.由图可见,浸泡龄期14 d的砂浆棒膨胀率为0.126%,膨胀率范围在0.10%～0.20%,因此砂浆棒可能存在碱活性[15-16].继续浸泡至56 d,砂浆棒膨胀率持续增长,56 d膨胀率达到0.333%,相较于14 d膨胀率增加了164.3%,增速极快,因而判定为活性骨料.

2.2　SCM试验

2.2.1短期试验

在砂浆棒胶材中,掺入SCM(包括FA,GGBFS和SF),综合考虑了混凝土工作性、强度、电通量等因素的影响,试件S-1,S-2,S-3和S-4的配比见表2.图2给出了SCM砂浆棒56 d膨胀率.其中,S-1,S-2,S-3和S-4砂浆棒的14 d膨胀率分别为0.077%,0.035%,0.055%和0.034%,满足ASTM C1567[12]的抑制合格评定标准(14 d膨胀率小于0.10%),不满足GB/T 50733—2011[13]的判断标准(14 d膨胀率小于0.03%).此外,SCM砂浆棒28 d膨胀率均小于0.10%,满足规程TB 10424—2010[14]的判断标准(28 d膨胀率小于0.10%).即使浸泡龄期延至56 d,砂浆棒膨胀率仍小于0.10%,相较于无抑制砂浆棒膨胀率0.333%(见图1),SCM砂浆棒抑制效果显著.

图1　无抑制材料砂浆棒56 d膨胀率

表2　SCM砂浆棒配比设计

图2SCM砂浆棒56d膨胀率

2.2.2长龄期试验

SCM在混凝土工程中抑制ASR的过程与在AMBT的过程不同.对于混凝土工程,其碱来自于混凝土内部,主要来源为胶材中的碱含量.SCM的加入,一方面减少了水泥的掺量,另一方面在水化产物中通过结合[Na]+和[K]+来消耗孔隙溶液中的碱.只要掺入足够量的SCM,抑制效果将永久保持.而对于AMBT砂浆棒,碱的主要来源是外部的浸泡碱液,SCM可以延迟砂浆棒在碱液中发生ASR,也可以结合砂浆棒孔隙溶液中的碱达到抑制ASR效果.但是,AMBT的浸泡溶液中碱资源充足,因此,需确定长龄期浸泡是否会影响SCM的抑制效果.

延长AMBT浸泡龄期至3 a以上,期间NaOH溶液浓度保持为1 mol/L,且维持80 ℃,膨胀率结果见图3.由图可知,SCM砂浆棒在3 a的碱液浸泡龄期内没有产生膨胀率大幅增长,维持了良好的抑制效果.相较于无抑制材料砂浆棒的膨胀率,SCM砂浆棒3 a膨胀率减少了73.1%以上,可以确定SCM在3 a高温碱液浸泡中仍具备ASR抑制作用.因此,3 a长龄期碱液浸泡不会影响SCM对ASR的抑制效果,可以利用3 a长龄期试验结果评价SCM在AMBT的抑制作用.

图3　无抑制砂浆棒和SCM砂浆棒3 a膨胀率

长龄期试验环境十分恶劣,碱资源充足、高温浸泡是其激发碱活性骨料产生ASR的助推剂.因此,长龄期试验结果是可以真实反映抑制材料对ASR的抑制效果.无抑制砂浆棒3 a膨胀率增长明显,达到1.115%,这与AMBT短期的判定结果相吻合.SCM在长龄期试验中维持了良好的抑制作用,延续了其在AMBT短期试验的抑制效果.所以，利用AMBT的短期判定结果来确定SCM抑制ASR的有效性是合适的.

2.3　Li2CO3试验

2.3.1短期试验

规程GB/T 50733—2011[13]和ASTM C1567[12]是针对SCM抑制ASR有效性的检测,而规程TB 10424—2010[14]是针对SCM或化学外加剂抑制ASR有效性的检测.3种AMBT规程的试验方法是一致的,但适用范围不同.锂盐,如LiF,LiCl,LiOH,LiNO3,LiNO2,Li2SO4,Li2HPO4和Li2CO3,均能有效抑制ASR[17].因此,选用Li2CO3作为化学外加剂,单掺进砂浆棒中,观察其在AMBT中的抑制有效性.当锂盐掺量摩尔比n(Li)/n(Na)=0.74时,可以有效抑制ASR[17-18].本文选用Li2CO3掺量摩尔比n(Li)/n(Na)=0.80.

图4给出了无抑制砂浆棒和Li2CO3砂浆棒56 d膨胀率.其中,Li2CO3砂浆棒14 d膨胀率达到了0.166%,28 d膨胀率为0.224%,56 d膨胀率为0.327%.相比无抑制砂浆棒,Li2CO3砂浆棒在AMBT中没有体现出有效的抑制作用,这与Feng等[17]和Millard等[18]的n(Li)/n(Na)=0.74时可以有效抑制ASR的结果不同.

图4　无抑制砂浆棒与Li2CO3砂浆棒56 d膨胀率

在56 d龄期内,基本看不到Li2CO3的抑制效果.因为,Li2CO3在水中的溶解性较低,微溶于水,短时期内[Li]离子还没有完全从Li2CO3中释放.同时,浸泡溶液中碱资源充足,随着浸泡龄期的增加,浸泡溶液中的[Na]离子不断侵蚀进试件内部,使得孔隙溶液中的n(Li)/n(Na)不断降低,使Li2CO3抑制效果在56 d龄期内很难观测到,且衰退速度非常快.因此,AMBT不能在短期内有效评价Li2CO3的抑制效果.

2.3.2长龄期试验

图5给出了无抑制砂浆棒和Li2CO3砂浆棒3 a龄期的膨胀率.其中,Li2CO3砂浆棒3 a膨胀率为1.023%,相较于无抑制砂浆棒3 a膨胀率,降低了8.2%.结果表明,Li2CO3在长龄期试验中体现出抑制作用,但抑制效果很小.由于Li2CO3砂浆棒在NaOH溶液持续浸泡条件下,不断受到[Na]离子的侵蚀,使得砂浆棒中的n(Li)/n(Na)不能保持在0.80.因此,长龄期试验虽然能够体现Li2CO3的抑制作用,但不能表现出Li2CO3真实的抑制效果.

图5　无抑制砂浆棒和Li2CO3砂浆棒3 a膨胀率

2.4　判定龄期

基于Li2CO3不能在AMBT中体现抑制ASR的有效性,本文讨论SCM在AMBT的判定龄期.规程GB/T 50733—2011[13]和ASTM C1567[12]的判定龄期为14 d,而TB 10424—2010[14]的判定龄期为28 d.将SCM砂浆棒14 d膨胀率和28 d膨胀率进行对比,并进行线性分析,结果如图6所示.经对比发现,4种不同配比的SCM砂浆棒的14 d膨胀率和28 d膨胀率线性相关性很好,相关性系数R2=0.999 3,趋势线拟合可靠.同时,线性方程y=kx+a中,k=0.928 6,接近于1.这表明,14～28 d龄期内膨胀率增长速率是稳定的,SCM在此期间对ASR的抑制效果不变.因此,14 d膨胀率完全可以体现28 d膨胀率的抑制效果.

图6　SCM砂浆棒14 d膨胀率与28 d膨胀率对比

2.5　水泥碱含量的影响

Bektas等[19]指出,由于砂浆棒浸泡在碱液中,初始碱含量在AMBT中不会产生影响.文献[20-21]指出,水泥碱含量对AMBT会产生一些小影响.虽然AMBT中试件的碱环境充足,但是骨料发生ASR取决于孔隙溶液中的碱含量.胶材碱含量不同,试件内部的孔隙溶液初期碱浓度不同,从而影响到抑制材料对ASR的抑制效果.基于以上分析,需确定AMBT中的胶材碱含量对ASR抑制效果产生的影响.

使用基准水泥,并掺入NaOH使水泥碱含量分别为0.52%,0.80%和1.20%.同时,在胶材中掺入SCM.利用AMBT的短期试验结果和长龄期试验结果,观测SCM砂浆棒在不同水泥碱含量下的膨胀率变化.

图7给出了SCM砂浆棒在水泥碱含量变化时的14 d膨胀率.其中,S-1砂浆棒膨胀率最低的为水泥碱含量0.80%;S-2砂浆棒膨胀率最低的为水泥碱含量0.80%;S-3砂浆棒膨胀率最低的为水泥碱含量1.20%.结果表明,相同SCM掺量条件下,砂浆棒的14 d膨胀率没有体现出随着水泥碱含量的增加而增加.因此,水泥碱含量在AMBT初期,不是影响砂浆棒膨胀率的主要因素.

本工程所有建筑物安全等级均为二级，对于安全等级为二级的建构筑物置于溶洞上部，施工勘察中桩位较密，查明溶洞后，若需按洞室地基稳定性进行处理，则需要对施工勘察中发现溶洞进行插值包围法查明溶洞洞跨，据《工程地质手册》(第四版)采用经验公式对溶洞顶板的稳定性进行验算：原理和方法：顶板坍塌后，塌落体积增大，当塌落至一定高度H时，溶洞空间自行填满，无需考虑对地基的影响。所需塌落高度H按下式计算：

图7　不同水泥碱含量SCM砂浆棒的14 d膨胀率

此外,将浸泡龄期延长,观测水泥碱含量在长龄期是否会影响SCM砂浆棒膨胀率,其91和196 d膨胀率见图8和图9.由图可见，只有S-3砂浆棒的水泥碱含量为0.52%时砂浆棒膨胀率最低.但S-3与S-1,S-2相同,并没有体现出膨胀率与水泥碱含量的线性增长关系.因此,水泥碱含量在长龄期试验中,仍然不是影响砂浆棒膨胀率的主要因素.

图8　不同水泥碱含量SCM砂浆棒的91 d膨胀率

图9　不同水泥碱含量SCM砂浆棒的196 d膨胀率

基于以上分析,在AMBT中水泥碱含量不是影响SCM砂浆棒膨胀率的主要因素,不需要对水泥碱含量进行控制.

2.6　判定限值

AMBT膨胀率抑制有效性的判定限值没有统一标准.ASTM C1567[12]规定,膨胀率抑制有效标准是14 d(浸泡龄期)膨胀率小于0.10%;GB/T 50733—2011[13]规定,膨胀率抑制有效标准是14 d(浸泡龄期)膨胀率小于0.03%;TB 10424—2010[14]规定,膨胀率抑制有效标准是28 d(浸泡龄期)膨胀率小于0.10%.

长龄期试验结果是评价AMBT判定限值的最佳依据.SCM砂浆棒在长龄期试验中均表现出良好的抑制作用,见图3.而SCM砂浆棒对应的14 d膨胀率则分别是:S-1为0.077%,S-2为0.035%,S-3为0.055%,S-4为0.034%.对应的28 d膨胀率则分别是:S-1为0.091%,S-2为0.053%,S-3为0.072%,S-4为0.051%,见图10.结果表明,所有SCM砂浆棒14 d膨胀率均高于0.03%,低于0.10%;所有28 d膨胀率均低于0.10%.因此,ASTM C1567[12]和TB 10424—2010[14]的限值标准是适用的,而GB/T 50733—2011[13]的限值标准则过于严格,可以作为判定SCM抑制ASR有效的标准,不宜作为判定SCM抑制ASR无效的标准.

图10　SCM砂浆棒14和28 d膨胀率

3　结论

1) AMBT能够在短期内检测SCM抑制ASR的有效性.

2) AMBT不能在短期内评价Li2CO3抑制ASR的有效性.长龄期试验虽然能够体现Li2CO3的抑制作用,但不能表现出Li2CO3真实的抑制效果.建议未来研究中,在NaOH浸泡溶液中加入相同摩尔比的锂盐,以保持AMBT试验中摩尔比n(Li)/n(Na)不变,以观察锂盐在AMBT中抑制ASR的有效性.

3) AMBT的判定龄期为14 d能够有效检测SCM抑制ASR的有效性,无需延长至28 d.

4) AMBT中,水泥碱含量不是影响SCM砂浆棒膨胀率的主要因素,无需对水泥碱含量进行控制.

5) ASTM C1567[12]和TB 10424—2010[14]的限值标准是适用的,而GB/T 50733—2011[13]的限值标准则过于严格,可以作为判定SCM抑制ASR有效的标准,不宜作为判定SCM抑制ASR无效的标准.

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