粉煤灰抑制碱硅反应长期有效性研究

李光伟 ， 周麒雯， 杨 轶， 李鹏翔

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072; 2.长江水利委员会长江科学院， 湖北 武汉 430010)

1 问题的提出

碱硅酸反应(ASR)是指混凝土孔溶液中的碱与集料中的活性组分发生化学反应，生成碱硅凝胶吸水肿胀导致混凝土破坏的过程。自1940年ASR被发现以来，已在全世界范围内造成了巨大的损失[1]。ASR是一个较缓慢的过程，特别是对于一些低活性慢膨胀型的活性骨料，这一时间会更长。由于水利水电工程的设计使用寿命多达百年，且水工混凝土所处的潮湿环境为碱骨料反应提供了充分的环境条件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的ASR潜在风险[2]。

粉煤灰对水泥水化、孔溶液碱浓度以及水泥浆体结构等均会产生显著的影响，可以有效地延缓或抑制活性骨料的ASR膨胀，因此在混凝土中掺加粉煤灰是抑制活性骨料ASR目前最经济和最有效的途径之一[3～5]。但由于活性骨料岩性的广泛性以及其所对应发生ASR的复杂性，目前对粉煤灰抑制ASR的机理仍然存在着争议，对其机理了解得尚不够清楚全面，在实际工程中也有掺加20%～25%粉煤灰的混凝土工程发生ASR造成了破坏的案例[6]，因此粉煤灰抑制活性骨料ASR的长期有效性是工程界十分关注的问题之一。

本文结合水利水电工程的实际，通过对粉煤灰抑制活性骨料ASR长龄期试件的膨胀率观测以及对试件水化产物的微观分析，对粉煤灰抑制活性骨料ASR的长期有效性进行一定的分析和探讨。

2 粉煤灰抑制ASR长期有效性试验研究

2.1 原材料基本性能

试验所采用的胶凝材料为P.HM42.5水泥和Ⅰ级粉煤灰，水泥和粉煤灰的化学成分见表1。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分

试验所采用的骨料为变质粉砂岩，分别采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法对该岩石的碱活性进行检验，检验结果见图1。检验结果表明：其14 d的砂浆膨胀率为0.260%，1年的混凝土膨胀率为0.062%，按砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法的评判标准可以判定该变质粉砂岩具有潜在的ASR活性。

图1 粉砂岩的ASR活性检验结果

2.2 粉煤灰抑制ASR长龄期膨胀率的试验结果

分别采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行了粉煤灰抑制变质粉砂岩ASR的长龄期试验研究，其中粉煤灰的掺量为20%，试验龄期为3年。砂浆棒快速法的试验结果见图2，混凝土棱柱体法的试验结果见图3，由试验结果可以看出：

(1)掺20%Ⅰ级粉煤灰28 d的砂浆膨胀率小于0.1%，其2年的混凝土膨胀率小于0.04%，按《水工混凝土耐久性技术规范》(DL/T5241-2010)[7]的规定，可以判定掺20%的Ⅰ级粉煤灰可以有效地抑制变质粉砂岩的ASR。

(2)随着龄期的延长，掺20%Ⅰ级粉煤灰的变质粉砂岩砂浆和混凝土的ASR膨胀值均有所增加。当龄期达到50 d左右时，砂浆膨胀率已经超过了砂浆棒快速法规定的0.1%评判标准；当龄期达到3年时，混凝土的膨胀率已经超过了混凝土棱柱体法规定的0.04%评判标准。

(3)随着龄期的延长，20%Ⅰ级粉煤灰对变质粉砂岩砂浆和混凝土ASR膨胀变形的抑制率均有所降低。当龄期延长至3年时，其砂浆膨胀变形抑制率由14 d的94.8%降低为53.1%；其混凝土的膨胀变形抑制率由1年的79.0%降低为58.9%。

综合采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行的粉煤灰抑制变质粉砂岩ASR的长龄期试验结果可以看出：随着龄期的延长，掺20%Ⅰ级粉煤灰的变质粉砂岩砂浆及混凝土的ASR膨胀值均会有所增加，粉煤灰对变质粉砂岩ASR膨胀变形的抑制率有所降低。

图2 粉煤灰抑制变质粉砂岩ASR砂浆棒快速法的试验结果

图3 粉煤灰抑制变质粉砂岩ASR的混凝土棱柱体法试验结果

2.3 粉煤灰抑制ASR水化产物的微观分析

对在80℃温度下，浸泡在1 mol/L NaOH溶液中28 d和1年的掺20%粉煤灰砂浆试件，经无水乙醇中止水化，表面镀金，采用日本电子JSM-6610扫描电镜(SEM)进行观测结果见图4和图5。从观测结果可以看出：

在28 d龄期时，砂浆试件中骨料的表面比较致密完整，骨料与胶凝材料的胶结良好，界面处存在有大量块状水泥凝胶，骨料与胶凝材料的界面看不到骨料的腐蚀现象，未见碱硅凝胶的产生。在1年龄期时，可见砂浆试件中骨料的表面疏松，SiO2胶结物和部分矿物颗粒遭碱溶蚀，结构遭膨胀破坏。骨料与胶凝材料的界面有明显的发生ASR的迹象，存在有较大量的碱硅凝胶，无定形形态，或者已经和水泥凝胶结合成含钙的产物，结构明显比较疏松，具有膨胀性。

对在38℃温度下，RH不小于95%养护365 d的掺20%粉煤灰的混凝土试件经无水乙醇中止水化，表面镀金，采用日本电子JSM-6610扫描电镜(SEM)进行观测结果见图6。

图4 养护28 d掺20%粉煤灰砂浆试件SEM

图5 养护1年掺20%粉煤灰砂浆试件SEM

图6 养护365 d掺20%粉煤灰混凝土试件SEM

从观测结果可以看出：在混凝土试件中骨料表面还比较致密完整，与胶凝材料胶结良好，粉煤灰界面处有大量长针状、长柱状、片状等水化产物，有少部分胶结物与碱产生反应，部分SiO2胶结物遭碱溶蚀，有极少量的丝网状的碱硅凝胶。

3 分析与探讨

混凝土中的ASR膨胀的发生和发展可分为两个阶段，即：孔溶液中的碱与骨料的活性组分之间发生化学反应生成碱硅凝胶和凝胶的吸水肿胀。在第一阶段包含孔溶液中的碱迁移至活性骨料表面的物理过程和碱与活性组分反应生成凝胶的化学过程。在这个过程中，体系中的碱含量和水泥水化生成的Ca(OH)2在ASR膨胀中起到促进作用。

粉煤灰抑制ASR的机理主要体现在以下几个方面[8-10]：

(1)粉煤灰可以有效降低水泥浆体中的碱含量。粉煤灰中碱的释放速度远小于水泥，掺入粉煤灰后使得混凝土孔溶液中的碱浓度下降。同时粉煤灰中酸性氧化物的界面化学作用将碱离子滞留吸附降低了体系的碱度。粉煤灰发生火山灰反应后生成的低Ca/Si比的C-S-H凝胶也增强了对碱离子的吸附能力，降低了孔溶液的碱浓度。

(2)粉煤灰可以降低水泥浆体中的Ca(OH)2的含量。将粉煤灰取代水泥后可降低体系的Ca(OH)2含量，而且粉煤灰会与Ca(OH)2发生火山灰反应，消耗体系中的Ca(OH)2，从而有效地降低了水泥浆体中的Ca(OH)2含量。

(3)粉煤灰可以提高混凝土基体的致密化。粉煤灰的微集料效应改善界面区组成及结构，火山灰反应生成的低Ca/Si的水化产物可以对混凝土基体起到致密化作用。虽然上述的各种机理均具有一定的合理性，但究竟何种机理才是抑制粉煤灰ASR的主导因素，目前还存在着争议。

分别采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行的粉煤灰抑制ASR长龄期的试验研究结果可以看出：随着龄期的延长，粉煤灰对ASR膨胀的抑制率逐步降低，砂浆和混凝土试件中均出现了ASR的产物。表明在存在足量外碱的情况下，粉煤灰并不能完全抑制ASR膨胀，只是减轻了碱对活性骨料的侵蚀，延缓了活性骨料的ASR发生。当足量的外碱存在时(其中砂浆棒快速法中环境的总含碱量为5.4 kg/m3，混凝土棱柱体法中环境的总含碱量为5.25 kg/m3)，粉煤灰可以降低水泥浆体中碱含量的作用将会被掩盖。

笔者曾经进行了不同总碱含量条件下粉煤灰抑制活性骨料的ASR试验研究，试验研究的结果表明[11]：随着总的碱含量增加，粉煤灰抑制活性骨料ASR的作用将减弱，当环境的总碱含量提高的情况下，要想有效地抑制活性骨料的ASR膨胀，粉煤灰必须要有较高的取代水平。亦就是说，粉煤灰抑制骨料ASR的效果与环境的总碱含量息息相关。

4 结 语

使用非活性骨料对防止混凝土ASR而言是最安全可靠的措施。但由于活性骨料特别是硅质活性骨料分布广泛以及受工程造价的影响，混凝土骨料的可选择余地愈来愈受到限制。在混凝土中使用某些混合材置换部分水泥，不仅能延缓或抑制ASR，而且对混凝土的其他性能有一定的改善作用，同时对节约资源、保护环境也有重要意义。因此采用粉煤灰部分替代水泥作为抑制活性骨料ASR的工程措施已在大量工程中得以应用。

结合水电工程实际开展的粉煤灰抑制活性骨料ASR的长期有效性的试验研究结果表明：随着龄期的延长，粉煤灰对ASR膨胀的抑制率逐步降低，砂浆和混凝土试件中均出现了ASR的产物。表明在足量的外碱存在时，掺入一定量的粉煤灰只是减轻了碱对活性骨料的侵蚀，延缓了ASR的发生，并不能完全有效地抑制活性骨料的ASR。因此，在实际工程中，采用掺一定量粉煤灰作为抑制碱骨料反应的工程措施时，一定要同时控制混凝土的总碱含量，否则达不到抑制碱骨料反应的目的。