水工混凝土骨料活性检测及抑制措施

陈 鸿

(1.南昌水利投资发展有限公司,江西 南昌 330001；2.南昌赣昌砂石有限公司,江西 南昌 330001 )

0 前言

裂缝是混凝土最常见的病害之一。早期裂缝的出现,往往是养护、干缩、过早加载、水泥后期安定性不好等常见问题所造成。但是过了几年,甚至几十年后,混凝土出现膨胀开裂、混凝土强度及弹性模量降低,严重时导致混凝土完全破坏,则很有可能是因混凝土碱-骨料反应造成的破坏[1]。 碱-骨料反应在混凝土成型后若干年才逐渐发生反应,反应的生成物吸水膨胀使混凝土内部产生应力,膨胀开裂。因混凝土骨料经搅拌后大体上呈均匀分布,一旦发生碱骨料反应,混凝土内各部分均产生膨胀应力,将混凝土胀裂,发展严重的只能拆除,因此有“混凝土癌症”之称。认真做好骨料碱活性检测工作,提前采取工程措施预防混凝土发生碱-骨料反应破坏,对确保混凝土工程安全运行起着十分重要的作用。

1 碱骨料反应的定义与条件

根据标准《水工混凝土砂石骨料试验规程》DLT 5151-2014中的定义：碱-骨料反应是指硬化混凝土中的碱与骨料中的碱活性矿物在潮湿的环境下缓慢发生并导致混凝土膨胀、开裂甚至破坏的化学反应[2]。由定义可以知道,碱-骨料反应的发生,一般需要满足以下几个条件：一、硬化混凝土系统当中的碱含量过高；二、骨料中有一定数量的能与碱发生反应的活性矿物；三、混凝土处于潮湿的环境[3]。有研究表明,混凝土当中的碱需借助水环境,呈现游离状态,才能够与骨料当中的活性矿物成分发生反应；且在存在活性骨料的情况下,碱骨料反应的程度和速度,随着混凝土当中的碱含量的增大而增大。虽然在低碱含量的情况下,也能发生碱骨料反应,但是生成的吸水凝胶数量较少,发生的膨胀量也较少,不足以使混凝土发生破坏[4]。

从反应实质上,碱-骨料反应可以分为碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸盐反应(ACR)两种类型。其中,碱-硅酸反应是分布最广、破坏最多、研究最集中的一类,它是混凝土当中的碱与骨料中的活性二氧化硅矿物成分发生反应,生成的碱硅酸盐凝胶吸水膨胀,引起混凝土破坏。骨料中的活性二氧化硅矿物成分一般是无定形的SiO2或者是结晶SiO2但是晶格发生了改变,种类有黑硅石、火山玻璃、鳞石英、方石英、蛋白石、燧石、玉髓、玛瑙、具有较强波状消光的石英及微晶石英等[5]。而碱-碳酸盐反应是指混凝土中的碱与具有特定结构的黏土质细粒白云质石灰岩或黏土质细粒白云岩骨料发生的去白云化的反应[5]。这一类碱骨料反应的活性矿物与结构比较固定,通常需要岩石中的白云石晶体颗粒外部含有较多黏土基质包裹在白云石颗粒表面,不具备这种结构下的白云石并不具有活性。

2 水工混凝土骨料碱活性检测方法

国内外对骨料碱活性检测做了大量的研究,各行业也制定了相关的检测标准。根据标准SL 352-2006《水工混凝土试验规程》和DLT 5151-2014的规定水工混凝土骨料碱活性检测方法有六种[6]。

2.1 岩相法

岩相法是指通过肉眼观察和借助光学显微镜(必要时还需借助差热分析、红外光谱分析、X射线衍射分析等方法)鉴定骨料的岩石种类、矿物组成及各组分含量,并依此判断骨料的碱活性类别和定性评定骨料的碱活性。由于碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应两种类型的碱活性评定采用的方法不同,需在采用砂浆棒法、岩石柱法等方法之前对碱活性类别进行判定,才不至于用错试验方法,得到错误的结论。

2.2 化学法

化学法不能用于含碳酸盐矿物的骨料(如灰岩等),也不能鉴定由变形石英、微晶石英导致的众多缓慢膨胀的骨料。化学法是取25g 一定粒度范围内的骨料置于1mol浓度的NaOH溶液中,经80℃、24h后,测定溶出的SiO2浓度Sc及溶液的碱度降低值Rc。根据Sc、Rc值来判定碱活性,若Rc> 70且Sc> Rc或Rc< 70但Sc> 35+Rc/2,则判为具有潜在危害的活性骨料,但是也不能作为最后结论,还需进行其它方法的检测。若Sc、Rc值不出现上面两种情况,则判为非活性骨料[6]。

2.3 砂浆棒长度法

砂浆棒长度法是将砂料(碎石或卵石破碎成人工砂)与高碱水泥(碱含量为1.2%,如若水泥含碱量达不到1.2%,则用10%的NaOH溶液调整系统碱含量为水泥量的1.2%)按2.25∶1制成25mm*25mm*285mm的砂浆棒(砂的用量为900g,按一定的级配配制而成),标准养护24h脱模后测基长,然后在温度为38℃、湿度为95%条件下养护,测定其180d膨胀率。以180d的膨胀率是否超过0.1%作为活性骨料与非活性骨料的判据。

2.4 岩石柱法

岩石柱法是一种专门用于检测碳酸盐集料碱活性的方法。该方法采用小型钻孔取芯机从岩石块体中取出(9±1)mm×(35±5)mm的圆柱体,将此试件浸泡在1mol/L的NaOH溶液当中,如84d膨胀率大于0.1%,则将此骨料判定为具有潜在反应活性,不宜用于混凝土骨料。

2.5 快速砂浆棒法

快速砂浆棒法与砂浆棒长度法的适用范围是一样的,都只适用于碱-硅酸反应活性骨料的检测,在砂浆棒的制备也是一致的。快速砂浆棒法标准养护24h脱模后,先在80℃的纯水中养护24小时后测初长,然后将试件放入1mol/L的NaOH溶液中80℃恒温14d,以14d的膨胀率作为活性骨料与非活性骨料的判据。如14d膨胀率小于0.1%,为非活性骨料;若14d膨胀率大于0.2%,为活性骨料;若14d膨胀率在0.1%和0.2%之间,则结合其它评定方法综合判定[7]。此方法试验周期较短且工程适应性较好,是实际碱-硅酸反应活性骨料的检测应用最多的方法。由于此方法反应温度较高,加速条件过严,可能激发在低温时不易发生的化学反应,有时存在错判的现象。

2.6 混凝土棱柱体法

混凝土棱柱体法适用于碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸盐反应(ACR),成型试件尺寸为75mm×75mm×275mm,水泥含碱量应达到1.25%(如水泥含碱量不到1.25%,则采用NaOH溶液将碱含量调到1.25%)。试件成型后在温度为38℃、湿度为95%条件下养护,测定其一年的膨胀率。以一年的膨胀率是否超过0.04%作为活性骨料与非活性骨料的判断判据。混凝土棱柱体法检测比较接近实际情况,对碱活性矿物类型没有限制,但是该方法工作量较大,且试验长达一年,周期较长,在实际原料选择时很少采用此方法。

3 水工混凝土碱骨料反应的抑制措施

由于碱骨料反应必须同时满足3个条件才会发生：即在混凝土中具有足够的碱含量、足够的碱活性矿物、水分供应。因此,对碱活性反应的抑制,应从这三个条件入手。

3.1 控制碱含量

混凝土系统中的碱,主要来源有以下几个方面：水泥、混合材、外加剂、水、骨料以及环境。因此,在配制混凝土时,需从原材料入手,降低各项原材料中的碱含量,最终降低混凝土系统中的总碱含量。采用低碱水泥,无碱或低碱外加剂,均能有效地降低系统的总碱含量。对于一般混凝土工程,总碱含量控制在3.0kg/m3以内；重点混凝土工程,总碱含量控制在2.0kg/m3以内[1]．

3.2 采用无碱活性骨料

在选用混凝土粗、细骨料时,应按照试验规程,采用上述相应的碱活性检测方法,评定骨料的碱活性。不得采用碱活性较高的或未经碱活性抑制试验并证明有效的骨料。

3.3 掺入混合材料

掺入粉煤灰、硅灰等活性混合材,能够有效地降低、缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。周麒雯等通过对水工混凝土常用的混合材粉煤灰、磷渣、硅粉以及锂盐渣进行的ASR抑制试验研究结果表明,在水工混凝土中掺用一定量的混合材,对活性骨料ASR的膨胀都具有一定的抑制作用[8]。

3.4 隔绝水分

水在碱骨料反应中,主要起三个作用,①水是碱离子化的基础；②作为输送碱的载体；③碱骨料反应生成凝胶吸水膨胀的源泉。与普通混凝土相比,水工混凝土基本上都是处于潮湿环境当中,一旦混凝土中有足够的碱及碱活性矿物,混凝土发生碱骨料反应破坏的可能性将增加。采用有效的方法,隔绝水分和湿气,可以缓解碱-骨料反应发生的速度。此外,通过引入引气剂、引气减水剂,掺入钢纤维、聚丙烯纤维,提高混凝土自身的密实性,也可以对混凝土膨胀、开裂起到阻止的作用。

4 结语

碱-骨料反应是混凝土的癌症,一旦发生,引起混凝土的破坏,将对混凝土的耐久性与使用性能造成重大影响,这不仅是人力、资金的浪费,也是对能源的极大浪费。了解碱一骨料反应的机理,充分认识碱-骨料反应的危害,从而在混凝土的各种原料选择、尤其是骨料的碱活性检测,到混凝土后期防护,才能有效避免碱-骨料反应的发生,提高混凝土质量和耐久性。