混凝土中骨料碱活性抑制效能试验研究

2022-07-28潘义为

中国水能及电气化 2022年6期

潘义为徐爽

(1.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061)

混凝土中碱骨料反应，是混凝土中有害活性骨料与胶凝材料中的碱发生反应。反应后产生一种碱—硅凝胶物质，这种凝胶包裹着混凝土骨料，当与混凝土中的水分子相互作用时会发生体积膨胀，从而导致混凝土发生破坏现象，降低耐久性。碱骨料反应在混凝土浇筑后就逐渐开始，严重时，产生的裂缝会使整个混凝土结构受到破坏，因此，工程碱骨料反应危害应引起足够重视。本文通过骨料碱活性抑制效能试验，研究在采用有害活性骨料时，掺加掺和料对骨料活性的抑制效果，提高混凝土的耐久性。

1 试验方案选择

1.1 碱骨料反应具备的前提条件及抑制方案

发生混凝土碱骨料反应需要具备以下三种条件：首先是混凝土中胶凝材料和外加剂中含碱量高；第二是骨料为有害活性骨料；第三是混凝土在湿气较大的环境中使用，有充足的水分或湿气供给。当前在抑制碱骨料反应中，一般在设计混凝土配合比时就采取相应的措施，主要措施包括控制水泥含碱量、控制混凝土中总碱量、对骨料选择使用、加掺和料。受地理条件限制，较多工程的混凝土骨料无法选择使用，在尽可能控制混凝土中胶凝材料含碱量的前提下，选择掺入掺和料的方案，控制混凝土碱骨料反应是容易实现和可行的。

1.2 碱骨料反应试验材料

本次试验研究采用的骨料是通过试验被评为有害活性的骨料，混凝土配置时选择掺入掺和料，从而达到控制混凝土碱骨料反应的目的。试验中，选定粉煤灰、硅粉、碳酸锂这三种掺和料作为骨料碱活性抑制材料(见表1)。

表1 抑制材料掺量

1.2.1 粉煤灰骨料碱活性抑制材料

粉煤灰属于活性混合材料，在与水泥熟料水化产生的氢氧化钙和水在有碱的情况下能够生成水硬性物质，降低混凝土中的碱含量，粉煤灰等量代替水泥加入混凝土中还可减少水泥带入混凝土中的碱量，从而有效抑制碱骨料反应的发生。

1.2.2 硅粉骨料碱活性抑制材料

硅粉作为掺和料掺入混凝土中使用时，可以使混凝土的孔隙结构发生变化，产生大量的超细微孔隙，减少混凝土砂浆中的Na+、K+的含量，同时硅粉掺入混凝土中还可使水泥中的氢氧化钙被吸收，能够形成活性较低的凝胶产物，而这样的凝胶呈现很强的吸收碱的能力。

1.2.3 碳酸锂骨料碱活性抑制材料

碳酸锂中锂离子与硅的生成物比碱与硅的生成物离子结合力更强，含锂离子化合物的引入将使锂离子取代钠离子、钾离子，首先形成另一种凝胶产物——锂硅酸凝胶，其自身是非膨胀性物质。锂离子可进入混凝土孔隙中，与有害活性骨料发生反应产生硅酸锂凝胶，对骨料进行保护，可以阻止钠离子、钾离子与有害活性骨料发生碱活性反应。所以碳酸锂有降低碱骨料反应发生的效果，使混凝土尺寸保持稳定。

2 骨料碱活性抑制效能试验

2.1 配合用料

试验混凝土中的骨料采用石英玻璃砂；试验所用水泥为基准水泥，通过加入氢氧化钠溶液使基准水泥碱含量达到1.0%。

为判别掺和料的效能，本次试验选择掺量为0.5%、1.0%碳酸锂，25%粉煤灰，20%粉煤灰+5%硅粉四种方案进行，其中碳酸锂方案，对比试样所用水泥采用与基准试样水泥相同质量，碳酸锂掺量为占水泥用量的0.5%和1%。当采用粉煤灰、粉煤灰与硅粉两种方案时，掺和料掺量按体积计，制作的对比试样中粉煤灰、粉煤灰与硅粉混合料取代25%水泥用量，其余75%水泥用量与基准试样相同。

2.2 试验方法

对比试样水泥用量与标准试样相同。混凝土试验样品制作完成后，在不拆除模具的情况下立即进行养护，标准养护22～26h后拆除混凝土试样外模具。模具拆除后立即测量试样的基准长度。长度测量完成后将混凝土试样置于密闭的养护容器中，将养护容器放入36～40℃的养护室里进行养护，至14d和56d的测长龄期前一天，把试样和养护容器一同从养护室拿出，储存在18～22℃的恒温环境中，到达14d和56d龄期时测量混凝土试样长度。

采用表1中的四种抑制材料掺量方案进行试验。从试验结果可看出，25%掺量的粉煤灰对骨料碱活性抑制效果最好(见表2)。

表2 骨料碱活性抑制效能试验结果

3 碱活性抑制效能验证试验

通过抑制效能试验得出的初步结果是25%掺量的粉煤灰可以有效降低骨料碱活性，为验证该结果的可靠性，采用砂浆棒快速法及混凝土棱柱体法进行有害活性骨料的碱活性验证试验，进一步评定混凝土中掺入25%粉煤灰对骨料碱活性的抑制效果。

3.1 砂浆棒快速法效能验证

砂浆棒快速法是测试有害活性骨料在混凝土中的有害碱—硅酸反应的一种方法。试验所用水泥为基准水泥，通过加入氢氧化钠溶液使其碱含量达到1.0%。砂料采用有害活性骨料，经破碎组合成标准级配试验用砂，水泥与砂的质量比为1 ∶2.25，一组3个试样，砂浆水灰比为0.47。粉煤灰掺量按体积计，等量取代25%的水泥掺量。

混凝土试验样品制作完成后，在不拆除模具的情况下放入温度为17～23℃、湿度在95%以上的养护室中，标准养护22～26h后拆除混凝土试样外模具，模具拆除后立即在18～22℃的恒温环境中测量试样的初始读数。测量完成后将试样全部置于装有水的密闭养护容器中，在78～82℃具有恒温功能的水箱中放置1d。然后将试样从养护容器内拿出并尽快测量试样的基准长度，测量完毕后，将试样放置于装有1mol/L浓度的NaOH溶液的养护容器中，试样应全部置于溶液中，再将密闭的养护容器放入温度在78～82℃具有恒温功能的水箱中，之后的3d、7d、14d进行三次长度测量。从试验结果(见表3)可以看出，不掺任何抑制材料的活性骨料7d和14d凭膨胀率明显大于掺加25%粉煤灰的活性骨料。

表3 砂浆棒快速法碱活性检测结果

3.2 混凝土棱柱体试验法效能验证

混凝土棱柱体试验法是测试混凝土试样在温度38℃及湿度较大的环境下，混凝土胶凝材料中的碱与有害活性骨料相互作用产生的体积变化现象对混凝土破坏程度量化的一种试验。试验所用水泥与砂浆棒快速法相同。骨料采用活性骨料。

混凝土试样按试验方案规定的材料配合比制作完成后，在不拆除模具的情况下放入温度为17～23℃、湿度在95%以上的养护室中，标准养护22～26h后拆除混凝土试样外模具，模具拆除后测量试样的长度，试样长度的测量需要在18～22℃的恒温环境中完成。混凝土试样测长后将试样放入密闭养护容器中，置于36～40℃的养护室里进行标准养护，分别在第1周龄期、第2周龄期、第4周龄期、第8周龄期、第13周龄期、第18周龄期、第26周龄期、第39周龄期、第52周龄期时期进行混凝土试样长度测量。进行混凝土试样长度测量的前1d，将养护容器从36～40℃的养护室中拿出，放入18～22℃的恒温室中1d后进行混凝土试样长度测量，通过混凝土试样长度的变化计算膨胀率，从而判定碱活性的危害程度。从试验结果(见表4)可以看出，活性骨料在掺入25%的粉煤灰后，试样一年膨胀率仅为0.015%。