水泥碱含量对碱-骨料反应影响的试验研究

樊李浩,包想军,贺晶晶,3,4,卢浩丹,陈书军,陈双蛮

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.中国水利水电第三工程局有限公司,西安 710024;3.坝道工程医院西北水电分院,西安 710065;4.西安市清洁能源数字化技术重点实验室,西安 710065)

0 前 言

碱骨料反应(Alkali-aggregate reaction,AAR)是指发生在混凝土中的活性骨料(固相)和孔隙溶液中的碱液(液相)发生的反应,碱-骨料反应膨胀机理[1]的观点可以归纳为两种:胶凝材料肿胀压假说和单元渗透压假说。后经验证,绝大多数凝胶的膨胀量和膨胀力很小,对碱骨料反应的影响有限;通过人为设置半渗膜进行骨料的碱-硅酸反应,发现反应液相产物在其周围形成含钙凝胶后,形成封闭的渗透单元而产生的渗透压,最终导致无定形SiO2矿物不断溶出与碱液反应,生成具有膨胀效应的产物,其膨胀量与膨胀力均较大[2]。混凝土中的碱含量主要来源于水泥、矿物掺和料、化学外加剂及外部环境中[3],这些材料在遇到水时释放的碱性成分(Na2O+K2O)与骨料中碱活性矿物成分发生化学反应[4-5],反应产物体积膨胀而在混凝土内部产生应力集中,诱发混凝土膨胀或开裂,进而导致混凝土力学性能、耐久性能降低[6-7]。混凝土的AAR破坏通常会加剧钢筋锈蚀、混凝土盐蚀、混凝土碳化等,给混凝土建筑物安全运行带来了严重的威胁[8-9]。可见,研究混凝土碱活性危害性对工程质量控制、运营管理具有重要意义。

自1940年Stanton[10]发现混凝土碱-集料反应的危害现象以来,国内外学者对骨料碱活性检验以及碱骨料反应措施有效性[11-13]展开了大量试验研究,形成了系列标准试验方法和评价规则。目前,主要试验方法包括岩相法、化学法、砂浆棒快速法、砂浆长度法、岩石柱体法和混凝土棱柱体法[14],各种方法均有一定的适用范围,且有相应的评价规则。对于大多数工程而言,砂浆长度法、岩石柱体法和混凝土棱柱体法的试验周期从3个月到1 a时间不等,试验周期较长,而岩相法的检测结果受取样代表性、试验人员经验、难以定量分析等多种因素影响,试验准确性不高,且一般只做碱活性类型判断,需要进一步进行测长试验以验证。因此,以上这几种试验方法在使用时存在较大的限制条件。

砂浆棒快速法因其鉴定硅质骨料与工程数据有很好的一致性而被认为是最精确、可靠的检验方法[15],一般28 d便可获得试验结果,试验周期短。然而,目前大多的试验是针对常规的单一水泥展开的,对此,不同标准对水泥的要求不同,如:GB/T 14684-2022《建设用砂》[16]、GB/T 14685-2022《建设用卵石、碎石》[17]对试验用水泥提出了相关的要求,即:采用符合规定的硅酸盐水泥,水泥中不得有结块,并在保质期内;而JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[18]对试验用水泥的要求为“水泥采用符合现行国家标准GB 175-2020《通用硅酸盐水泥》要求的普通硅酸盐水泥”;DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》[19]对试验用水泥的要求为“使用硅酸盐水泥,按GB/T 750《水泥压蒸安定性试验方法》检验,该水泥压蒸膨胀率应小于0.20%。水泥的碱含量为0.9%±0.1%,低于此值可掺浓度10%的NaOH溶液,使水泥的碱含量达到0.9%±0.1%”;SL/T 352-2020《水工混凝土试验规程》[20]对试验用水泥的要求为“水泥应采使用硅酸盐水泥或基准水泥,用GB/T 750《水泥压蒸安定性试验方法》检测,水泥压蒸膨胀率应小于0.20%,水泥碱含量应为0.9%±0.1%(以Na2O计,即Na2O+0.658 K2O),当水泥碱含量较低时,可外加NaOH调整”,与DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中要求基本一致。以上5个试验标准中,有2个标准的水泥品种为硅酸盐水泥,有2个标准的水泥品种为硅酸盐水泥或基准水泥,有1个标准的水泥品种为普通硅酸盐水泥;有3个标准对水泥的碱含量不做要求,有2个标准要求水泥的碱含量为0.9%±0.1%。可见,不同标准、规范对骨料碱活性试验所需水泥有不同的要求,但针对不同水泥品种、不同水泥碱含量开展的比对影响性试验较少,给工程用水泥及判别对骨料碱活性影响带来了一定困惑。

为此,本文将针对不同碱含量的3种水泥,分别与活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料展开快速碱-硅酸反应试验研究,分析不同碱含量的水泥在不同试验标准下对骨料碱活性的影响规律,讨论非活性骨料与疑似活性骨料发生碱-骨料反应危害的碱含量条件,为工程用水泥的选择及碱活性试验碱含量控制提供依据。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用抚顺澳赛尔科技有限责任公司生产的P·I 42.5硅酸盐水泥、西藏开投海通水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥、四川嘉华特种水泥股份有限公司生产的P·MH42.5中热硅酸盐水泥。骨料采用西藏江达乡达荣天然砂、西藏江达乡索否沟人工砂和四川金川县人工砂。水泥化学成分见表1,骨料矿物成分及前期碱骨料反应试验结果见表2。

表1 水泥化学成分表

表2 骨料矿物成分表

1.2 试验方案

采用不同碱含量的3种水泥(澳赛尔(A)、海通(H)、嘉华(J))以及3种不同活性状态的骨料(达荣天然砂(D)、索否沟人工砂(S)、金川砂石系统人工砂(J))进行快速碱-硅酸反应比对试验。

将3种水泥的碱含量分别在不调整碱含量的状态以及调整碱含量到1.0%的状态下与3种骨料进行快速碱-硅酸反应试验,分析不同碱含量的水泥在不同试验标准下对骨料碱活性的影响规律;同时将(澳赛尔(A))水泥碱含量调整至1.2%、1.5%、2.0%的状态下与非活性骨料(达荣天然砂(D))、疑似活性骨料(索否沟人工砂(S))进行快速碱-硅酸反应试验,分析超量液相碱下对骨料碱活性的影响规律。试验方案见表3。

表3 试验方案

依据表3方案,采用砂浆棒快速法展开碱活性试验,检测仪器采用外径千分尺,具有足够的精度进行长度测量,见图1。膨胀率计算按式(1),精确至0.001%。

图1 外径千分尺测长仪器

(1)

式中:∑t为试件t龄期的膨胀率,%;Lt为试件t龄期的长度,mm;L0为试件基准长度,mm;V为测头长度,mm。以每组试件测值平均值作为该组膨胀率。评价标准如下:当14 d膨胀率小于0.1%时,在大多数情况下可以判定为无潜在碱-硅酸反应危害;当14 d膨胀率大于0.2%时,可以判定为有潜在碱-硅酸反应危害;当14 d膨胀率在0.1%～0.2%时,不能最终判定有潜在碱-硅酸反应危害。

2 试验结果分析

2.1 不同试验标准对碱骨料反应的影响分析

两类标准的最大区别在于是否调整水泥初始碱含量,将无需调整水泥初始碱含量值称为标准①;需要调整水泥初始碱含量值的称为标准②,即将初始碱含量调整为某一值后,再展开试验研究。依据表3试验方案开展试验研究,表4给出了不同品种水泥与3种骨料的快速碱-硅酸反应检测结果。

表4 不同品种水泥与不同种类骨料的快速碱-硅酸反应检测结果

对于达荣天然砂,按照标准①进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.049%、0.042%、0.046%,按照标准②进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.050%、0.044%、0.045%;试验结果表明达荣天然砂为非活性骨料。这6组试验结果中最大值为0.050%,最小值为0.042%,平均值为0.046%,与平均值的最大差值为平均值的8.7%,标准差为0.003,变异系数为0.066。

对于索否沟人工砂,按照标准①进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.178%、0.183%、0.160%,按照标准②进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.183%、0.18%、0.164%;试验结果表明索否沟人工砂为疑似活性骨料。这6组试验结果中最大值为0.183%,最小值为0.160%,平均值为0.175%,与平均值的最大差值为平均值的8.6%,标准差为0.010,变异系数为0.058。

对于金川人工砂,按照标准①进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.281%、0.273%、0.267%,按照标准②进行快速碱-硅酸反应,砂浆试件14 d膨胀率分别为0.293%、0.27%、0.272%;试验结果表明金川人工砂为有活性骨料。这6组试验结果中最大值为0.293%,最小值为0.267%,平均值为0.276%,与平均值的最大差值为平均值的6.2%,标准差为0.010,变异系数为0.035。

根据以上数据结合图2～4可以看出,当水泥碱含量不超过1.0%时,在其他条件相同的情况下,不同碱含量水泥与3种骨料成型的砂浆棒试件各龄期的膨胀率较为接近,几组数据的变异系数较小,离散性较小,说明不同水泥品种及不同碱含量水泥对碱骨料反应的试验结果没有明显影响。这是由于当混凝土/砂浆中的碱含量较少时,骨料中的活性骨料能够消耗掉参与反应的碱。不仅如此,剩余的未完全参与反应的活性骨料,其表面会出现坑洞或者分裂,从而使得骨料的比表面积增大,能够吸附更多的OH-,致使分配给每个活性骨料颗粒的碱量减少,即n(Na2O)/n(SiO2)变小,碱-硅酸反应的强度减弱,使溶解出来的SiO2减少,因此膨胀量无法达到极值。当混凝土/砂浆的总碱含量保持不变时,在水泥水化反应过程中随着胶凝材料CSH不断生成,OH-的消耗量不断增加,参与碱-硅酸反应的OH-势必减少,但SiO2的溶出量并不随着OH-的消耗无限制地增长,这是因为OH-不仅消耗在碱-硅酸反应上,还有大量OH-被其他非活性颗粒吸附。大量OH-被吸附在颗粒表面将导致骨料内外的渗透压逐渐趋于平衡,活性骨料中的SiO2也不再溶出参与碱-硅酸反应,亦即只有部分的OH-参与了碱-硅酸反应并且生成具有膨胀性的产物,这一现象与前文中碱-骨料反应膨胀机理的观点相一致。

图2 达荣天然砂与不同碱含量水泥快速碱-硅酸反应检测结果对比

图3 索否沟人工砂与不同碱含量水泥快速碱-硅酸反应检测结果对比

图4 金川人工砂与不同碱含量水泥快速碱-硅酸反应检测结果对比

根据以上分析可知:

(1) 骨料的快速碱-硅酸反应试验中砂浆棒的膨胀率并未因为水泥品种的不同而产生实质性变化,即不同品种的水泥对骨料的快速碱-硅酸反应试验结果没有实质影响。

(2) 不掺碱水泥与外加NaOH溶液调整水泥碱含量至1.0%的骨料快速碱-硅酸反应试验结果基本一致,因此当水泥碱含量不超过1.0%时,对骨料的快速碱-硅酸反应试验结果没有影响。

2.2 超量液相碱含量对骨料碱反应的影响分析

结合2.1节的研究结果,针对澳赛尔水泥展开超量液相碱含量对非活性骨料、疑似活性骨料的碱骨料反应试验,表5给出了不同龄期的砂浆棒膨胀率测试结果。

表5 碱含量调整后,不同骨料的快速碱-硅酸反应检测结果

由表5知,当超量液相碱含量超过1.0%时,加速了骨料中的活性成分与碱的反应,砂浆棒试件的膨胀率与液相碱含量超量值呈递增关系,且随液相碱含量的增加,该递增关系越发明显。图5给出了不同液相碱含量对达荣天然砂砂浆棒膨胀率的影响规律;索否沟人工砂砂浆棒膨胀率也有类似的结果,如图6所示。对于非活性骨料,当液相碱含量超过2.0%时,会产生碱-硅酸反应危害。对于疑似活性骨料,当水泥碱含量超过1.2%时,会产生碱-硅酸反应危害。

图5 达荣天然砂不同龄期砂浆棒膨胀率

图6 索否沟人工砂不同龄期砂浆棒膨胀率

这是因为混凝土/砂浆中的碱含量一部分参与了水化反应生成胶凝材料,一部分被吸附在颗粒表面,剩余大量的OH-存在于混凝土/砂浆内部,这些OH-参与了碱-硅酸反应后仍有剩余,形成的渗透压依然存在,导致骨料中的活性成分一直进行反应,最终导致生成的膨胀性产物不断增多,从而引起膨胀,这也就解释了疑似活性骨料在提高液相碱含量后砂浆棒膨胀率大幅上升直至出现明显的碱骨料反应危害;而非活性骨料并非不存在任何活性成分,而是在一般件环境下无法表现出明显的膨胀现象,但是由于液相碱含量的提高,少量的活性成分在渗透压的作用下不断与碱反应,直至完全消耗掉。此时,如果非活性骨料中的活性成分达到一定数量,即产生的膨胀性产物达到一定数量也会引起较为明显的碱-硅酸反应。值得注意的是,即使非活性成分在渗透压作用下,其内部结构也会产生膨胀,所以对于非活性骨料而言,在同时具备一定量活性成分和大量液相碱的条件下也能够出现明显的碱骨料反应危害。

3 结 论

(1) 当水泥碱含量不超过1.0%时,水泥品种对骨料快速碱-硅酸反应试验结果的影响可忽略不计,即对于活性骨料、疑似活性骨料、非活性骨料,水泥碱含量是否进行调整对结果影响不大。同时也验证了不同标准对于骨料碱活性的检测方法均具有很好的适用性。

(2) 当快速法砂浆棒试件中的液相碱含量超过1.0%时,过量的碱对快速碱-硅酸反应具有加速作用,即除去正常水化反应及颗粒表面吸附的OH-外,还剩余足够的碱与骨料中的活性成分继续反应,最终导致生成足够的膨胀性产物,从而引起试件继续膨胀。本次试验中,当水泥碱含量超过2.0%时,无潜在活性骨料会产生碱-硅酸反应危害;当水泥碱含量超过1.2%时,疑似活性骨料会产生碱-硅酸反应危害。

(3) 混凝土或砂浆中存在过量液相碱含量会引起非活性骨料或疑似活性骨料发生碱-硅酸反应危害反应,因此在进行结构设计时,应当注意控制混凝土或砂浆的总碱含量,在工程施工时,应该注意能够引起混凝土或砂浆碱含量增大的环境因素或材料因素等。