骨料级配及碱含量对水工混凝土性能影响分析

赵德奎

(盘山县水利事务服务中心,辽宁 盘锦 124100)

碱骨料反应(ARR)是指具有碱活性的骨料与混凝土中的碱发生引起混凝土开裂及体积膨胀的化学反应,一旦混凝土内部发生碱骨料反应破坏就很难治理和修复,故又称为混凝土的“癌症”[1]。目前,针对碱骨料反应的研究总体上可以分成碱硅酸盐、碱碳酸盐和碱硅酸反应3大类。唐明述等认为碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应为碱骨料反应的主要类型,通过调查实际工程碱骨料反应破坏事例提出碱碳酸盐与碱硅酸盐反应的共同作用是碱骨料反应的重要原因;张红心等研究发现骨料与水泥反应可以生成具有强烈吸水性的碱-硅酸盐凝胶,从而导致内部结构开裂,结合试验数据总结出“膨胀压力”理论[2-3]。碱骨料反应引起的工程破坏事例有加拿大Mactaquac水电站、加利福尼亚州桥墩事件和北京三元立交桥等工程,国际上对碱骨料反应带来的巨大损失已达成共识[4-6]。众所周知,碱骨料反应必须具备有水分存在、拌合物中的骨料有碱活性、掺合料或水泥中含有一定数量的碱3个条件。通过掺入适量的外加剂可以有效抑制碱骨料反应,如谢永江等提出控制混凝土碱总量和掺用粉煤灰、DZ型专用复合外加剂等技术措施,从而防止青藏铁路工程中混凝土碱骨料反应的发生;李鹏翔等利用室内试验探究了石英砂岩碱骨料反应受粉煤灰掺入方式的影响;王宝民等研究表明混凝土中掺入橡胶粉可以减缓其碱骨料反应,并提出掺2.5%橡胶粉对于减缓膨胀作用效果达到最优[7-9]。

通过添加掺合料、不用含有碱活性的骨料以及降低混凝土碱含量等措施可以防止碱骨料反应的发生,其中矿物掺合料的加入既能抑制和缓解碱骨料反应,还有利于改善混凝土性能以及节约资源、保护环境等,而对骨料级配及碱含量抑制效果的研究较少。目前,评价骨料是否具有碱性的方法有混凝土棱柱体法、岩石柱法、压蒸法、化学法、岩相法、砂浆棒快速法和砂浆棒法等[10]。鉴于此,文章利用砂浆棒快速法试验探讨了工程用砂岩骨料碱含量对碱骨料反应膨胀的影响,并结合工程实际配合比配制湿筛一、二、三级配混凝土试件,探究碱骨料反应受骨料级配的影响作用,为科学评定水利工程受碱骨料反应的不利影响提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥:盘锦金润水泥有限责任公司生产的P·MH42.5中热硅酸盐水泥,压蒸膨胀率0.02%,碱含量(Na2Oeq)0.55%,MgO、K2O、Na2O含量1.56%、0.54%和0.17%,符合《水工混凝土砂石骨料试验规程》中各项性能指标要求。骨料:石英砂岩人工骨料,拌合水用实验室自来水。

1.2 试验方法

1)参照《水工混凝土砂石骨料试验规程》全面分析骨料岩相,利用显微镜与肉眼观察的方式鉴定骨料矿物成分及种类,并进一步检验其活性成分的数量和种类。

2)根据现行规程中的砂浆棒快速法探讨骨料碱活性反应受碱含量的影响,通过外掺NaOH溶液调整水泥碱含量至2.0%、1.5%、1.2%、0.9%、0.6%,观测不同养护龄期的碱活性反应。

3)采用高拱坝混凝土配合比拌制四级配混凝土(骨料最大粒径150mm),如表1所示。将80mm以上骨料筛除制成高600mm×内径300mm的试件,将40mm以上骨料筛除制成高550mm×150mm×150mm的试件,将20mm以上骨料筛除制成高275mm×75mm×75mm的试件,标养至规定龄期后在25℃环境下测试各组试件的碱骨料反应膨胀率,并对比分析不同骨料粒径对膨胀率的影响趋势。

表1 试验配合比

2 结果与分析

2.1 骨料岩性试验

采用岩相法先肉眼鉴定骨料外观形状,然后利用岩相显微镜和磨制薄片测定骨料岩性及其矿物成分,镜下鉴定结果显示该碎石主要由胶结物与碎岩构成,具砂状结构和砂岩岩性,具体如下:①胶结物成分主要为显微鳞片状黏土质,黏土质间含有少量微-隐晶状石英。②碎屑成分以岩屑、石英(含硅质岩与石英岩岩屑)为主,少量长石,大部分为圆状或次圆状的砂级碎屑。其中,岩屑以中-酸性火山岩(由石英、微-隐晶长石及少量黏土质蚀变构成)为主,并且含有少量黏土岩岩屑(由黏土质及部分石英、细小长石组成)等;石英颗粒较粗不属微晶结构,由颗粒较粗的石英和微-隐晶石英组成石英岩及硅质岩岩屑,少部分表现出波状消光特征。

经统计计算,微-隐晶石英(粒径<0.05)和波状消光石英约占胶凝物和碎屑总量的10%～15%及15%。结合岩相分析结果,有一定量的波状消光石英和微-隐晶石英分布在砂岩骨料中,而波状消光石英和微-隐晶石英组分均具备潜在碱-硅酸反应活性,说明该骨料具有以上活性,还必须通过测长试验进一步判定砂石骨料的碱活性。

2.2 骨料碱含量试验

通过外掺NaOH溶液调整水泥碱含量至2.0%、1.5%、1.2%、0.9%、0.6%,采用砂浆棒快速法测定不同碱含量、不同养护龄期情况下骨料砂浆试件的碱活性反应膨胀曲线如图1所示。

图1 碱-硅酸反应膨胀曲线

依据现行规范规定的碱含量值:若14d膨胀率<0.1%或>0.2%,则判定为非活性和具有潜在碱骨料反应的活性骨料;若试件14d膨胀率处于0.1%～0.2%范围,必须结合棱柱体法试验结果或观测时间延长至28d的测试数据、岩相分析、现场记录使用历史等综合评定。由图1可知,碱含量0.9%时的14d膨胀率为0.19%,介于0.1%～2.0%之间,28d膨胀率为0.35%高于0.2%,从14d～28d膨胀率近似呈线性上升趋势,收敛不明显。因此,结合岩相分析和以上试验数据判定该砂岩骨料属潜在碱-硅酸反应活性骨料。另外,0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和2.0%碱含量砂岩骨料砂浆试件膨胀率均随着养护龄期的延长趋于收敛。随着碱含量的增大虽然早龄期砂浆试件的膨胀率逐渐增加,但数值变化相差较小,随着反应时间的延长后期砂浆试件的膨胀率相差逐渐增加。随碱含量的提高砂浆试件的最终膨胀率显著增加,说明碱骨料反应受碱含量的影响显著,为保证水工混凝土质量必须严格控制碱含量[11]。

2.3 骨料粒径试验

结合砂浆棒快速法测定的不同碱含量砂浆试件测试数据,碱含量越大则最终膨胀率相差越明显,探究碱骨料反应受不同骨料粒径的影响时,采用外掺NaOH溶液的方式调整水泥碱含量至2.0%,采用高拱坝实际工程配合比配制四级配混凝土,将80mm以上骨料筛除可以制成三级配混凝土试件(圆柱体),将40mm以上骨料筛除可以制成二级配混凝土试件(棱柱体),将20mm以上骨料筛除制成一级配混凝土试件(棱柱体)。成型拆模养护至规定龄期,在25℃潮湿环境下测定不同骨料粒径试件的碱骨料反应膨胀曲线如图2所示。

图2 碱-硅酸反应膨胀曲线

从图2可以看出,早期一级配混凝土碱骨料反应膨胀发展较快而后期趋于平缓,二级配和三级配混凝土碱骨料反应膨胀发展较为缓慢,500d后膨胀曲线平缓并趋于收敛,二级配与一级配混凝土碱骨料反应最终膨胀率接近,三级配略低于二级配混凝土最终膨胀率。通过分析大坝混凝土碱骨料反应受不同骨料粒径的影响可知,混凝土碱骨料反应膨胀率受骨料粒径的影响随养护龄期的延长逐渐下降,最终膨胀率相差不大。因此,采用快速测长法能够快速判定文中所用砂岩骨料的碱活性,为及时准确地评定水工混凝土受碱骨料反应的不利影响提供参考依据。

3 结 论

1)结合岩相分析结果,有一定量的波状消光石英和微-隐晶石英分布在砂岩骨料中,而波状消光石英和微-隐晶石英组分均具备潜在碱-硅酸反应活性,说明该骨料具有以上活性。

2)根据砂浆棒快速法试验数据,不同碱含量砂岩骨料砂浆试件膨胀率均随着养护龄期的延长趋于收敛。随着碱含量的增大虽然早龄期砂浆试件的膨胀率逐渐增加,但数值变化相差较小,随着反应时间的延长后期砂浆试件的膨胀率相差逐渐增加。因此,碱骨料反应受碱含量的影响显著,为保证水工混凝土质量必须严格控制碱含量。

3)碱骨料反应试验数据表明,早期一级配混凝土碱骨料反应膨胀发展较快而后期趋于平缓,二级配和三级配混凝土碱骨料反应膨胀发展较为缓慢,二级配与一级配混凝土碱骨料反应最终膨胀率接近,三级配略低于二级配混凝土最终膨胀率。混凝土碱骨料反应膨胀率受骨料粒径的影响随养护龄期的延长逐渐下降,最终膨胀率相差不大,可为及时准确地评定水工混凝土受碱骨料反应的不利影响提供参考依据。