碱活性石英砂岩粉对砂浆体积变化影响试验研究

王 瑞 一 嘉，李 家 正，李 明 霞，李 鹏 翔

(长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

被称为混凝土癌症的碱-硅酸反应(ASR)是研究混凝土体积稳定性的重要课题之一。工程建设中本着就地取材、节约成本、保护环境的原则，很多大型水利工程不得不选用一些存在碱活性或者潜在碱活性的骨料，这些结构中的混凝土ASR问题尤其值得关注[1-4]。现行DL/T 5144-2015《水工混凝土施工规范》对混凝土粗骨料的品质指标提出了明确要求[5]，并规定使用碱活性骨料应进行专项试验论证。

碱-硅酸反应是指混凝土中的碱与混凝土骨料中所含的无定形二氧化硅(蛋白石、隐晶质纤维状玉髓和晶质鳞石英等)发生化学反应，并在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大时体积可增大3倍以上，导致混凝土胀裂的现象。ASR是一个化学、力学和热力学耦合的复杂过程，与环境介质的碱度、温度、湿度、骨料的活性和粒径、反应时间等因素关系密切[6-7]。ASR过程缓慢，常在大体积混凝土结构建成几年甚至几十年后才表现出来，世界范围内水工混凝土结构出现碱骨料破坏的工程实例屡见不鲜。水工混凝土中骨料体积比一般在80%以上，因此，骨料性质对混凝土的质量影响很大。有学者研究表明，碱-硅酸反应发生的速率受硅质骨料颗粒尺寸的控制，细颗粒(20～30 μm)在4～8周内就会引起膨胀，而较大尺寸颗粒的膨胀发生在几年后[8-13]。

本次研究将具有ASR反应活性的石英砂岩磨至一定细度，对比测试不同掺量、温度、湿度、碱度、细度对ASR膨胀量的影响，分析碱活性石英砂岩粉最不利掺量范围和最不利颗粒尺寸，探讨通过控制粒度和掺量来抑制碱-硅酸反应产生的体积膨胀。

1 试验方法及原材料

试验方法参照DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》[14]中砂浆棒长度法进行，试验设备包括：① 筛；② 胶砂搅拌机、量筒、跳桌等；③ 镘刀及硬木制捣棒；④ 试模和测头；⑤ 养护筒；⑥ 测长仪或长比仪；⑦ 养护设备。

试件尺寸25.4 mm×25.4 mm×285.0 mm，每3条为一组试件，基准试件每组材料用量为：400 g水泥、900 g砂、160 mL水，具有碱-硅酸反应活性的不同细度岩粉按水泥的质量比掺入，同时等质量减少水泥用量。不同养护温度的砂浆棒在规定龄期测试前先在(20±3) ℃环境静置24 h，待成型完毕，脱模后立即测量试件的长度。测量后将试件调头放入养护筒中，继续养护到下一测试龄期。

水泥采用华新PM42.5中热水泥，碱含量0.39%，MgO含量4.9%，密度3.20 cm3/g；砂采用标准石英砂(符合ISO679)，密度2.65 cm3/g；ASR活性岩粉采用石英砂岩，密度2.70 cm3/g，分别磨细至不同细度或筛分，得到3种不同细度：① 粒径>0.16 mm的连续级配岩粉；② 粒径在0.08～0.16 mm之间的连续级配岩粉；③ 粒径<0.08 mm的连续级配岩粉。

黑色变质石英砂岩呈粉砂质泥状结构，水平层理构造。岩石由粉砂(50%)、泥质(40%)以及黑色有机透镜状集合体(10%)组成。粉砂的主要成分是单矿物石英(27%)，次之是黑云母(3%)。大多数粉砂呈棱角状或次棱角状，绝大多数粒度在0.02 mm左右，杂乱分布，无方向性。泥质由黏土质、有机质和伊利水云母黏土矿物组成。透镜状黑色有机质主要在有机质较多的纹层中出现，为黑色，不透明，定向分布；多数透镜体长0.50 mm，宽0.25 mm。

2 试验方案及试验结果分析

2.1 试验方案

试验水平包括：① 不同养护温度(20，38，60 ℃)；② 不同养护湿度(自然养护，100%)；③ 不同碱-硅酸反应活性岩粉掺量(5%，10%，按水泥质量计并等质量替代水泥)；④ 不同碱-硅酸反应活性岩粉粒径(>0.16 mm，0.16～0.08 mm，<0.08 mm)；⑤ 不同碱含量(通过掺加NaOH使水泥中的当量碱含量分别为1.0%，3.0%，5.6%)。

2.2 试验配合比

砂浆配合比按表1计算，砂浆的拌和、成型、养护及性能试验均按DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》的相关规定进行[15]。

表1 单位体积砂浆中材料组成Tab.1 Material composition in 1 m3 mortar

2.3 试验结果分析

2.3.1几个假设

考虑ASR活性岩粉较细，以及对体积变化定量计算的需要，作出如下假设：① 同一种类细度活性岩粉在相同反应条件下反应速度和体积变化相同；② 试件产生的收缩变形基于水泥，膨胀变形基于水泥中的氧化镁和ASR活性反应；③ 线性变形和体积变形各向同性；④ 石英砂体积稳定，对不同凝胶体的收缩限制作用相同；⑤ 砂浆中的拌和水足够氧化镁水化需要，其膨胀特性与是否养护无关。

2.3.2体积变形计算方法

(1) 线性膨胀或收缩率。

(1)

式中：ε为膨胀率或收缩率，正值表示膨胀，负值表示收缩；L0为试件原始长度；ΔL为影响因素作用下试件的长度变化量。

(2) 体积膨胀和收缩率。

(2)

式中：θ为体积膨胀率或收缩率，正值表示膨胀，负值表示收缩；V0为试件原始体积；ΔV0为影响因素作用下试件的体积变化量。

2.3.3结果分析

(1) 养护温度的影响。本次试验采用的中热水泥中氧化镁含量为4.9%。自然养护条件下(武汉，20 ℃)，氧化镁7 d前略有膨胀，7 d后持续收缩；养护温度升高到38 ℃后，氧化镁膨胀反应仍不明显，高温养护会加大砂浆的后期收缩(见图1)；温度升高到60 ℃，水泥中MgO早期膨胀反应明显，7 d后转为收缩，但收缩量不大，总体稳定，7～84 d收缩的绝对值明显降低。

掺入5%～10%碱活性岩粉替代水泥并自然养护，20 ℃，38 ℃时碱活性岩粉并未表现出理论上的碱活性膨胀反应，而是与其他非活性的石粉类似，表现为收缩略有增加；60℃时，碱活性岩粉仍未表现出碱活性膨胀，但后期体积稳定性比纯水泥略好。

由此可以得出结论：常温下自然养护，不会因碱活性岩粉的掺入增加砂浆前期的膨胀或减少砂浆后期的收缩。

图1 不同温度对ASR膨胀量影响Fig.1 Effect of different temperatures on ASR expansion

(2) 养护湿度的影响。加湿条件下的砂浆体积收缩或膨胀，包括因湿度条件改变引起的湿胀(物理变化)，以及因湿度改变导致化学反应条件变化从而引起的碱活性岩粉和水泥内含氧化镁膨胀值的变化(化学变化)。

100%湿度养护下，20 ℃时氧化镁在7 d前微膨胀，28 d后略微收缩，相比自然养护，7～84 d间收缩的增加值缓慢增长，且当加入10%碱活性岩粉掺量替代水泥时这种趋势最明显。38 ℃时氧化镁7 d膨胀反应不明显，14 d后持续收缩，直到56 d出现膨胀拐点，56 d后膨胀反应较为明显，7～84 d间收缩的增加值处于一个很小的变化范围内，相比自然养护，56 d前的膨胀反应较为稳定，56 d后出现收缩增加值明显增大的趋势，且这种趋势还在进一步扩大。60 ℃时氧化镁在7 d和28 d两个节点后出现小幅收缩，但总体呈稳定膨胀的趋势，当加入10%碱活性岩粉替代水泥时，膨胀反应最为明显，相比自然养护，7～84 d收缩增加值随龄期发展有逐渐增加的趋势(见图2)。

由此可以得出结论：自然养护下，砂浆膨胀值低于100%湿度养护下的膨胀值，部分情况下砂浆收缩；100%湿养条件下，大部分情况下砂浆膨胀，晚龄期膨胀值较高，不利于砂浆体积稳定性。

图2 养护湿度对ASR膨胀量影响(碱含量1%)Fig.2 Effeet of different curing humidities on ASR expansion(Alkali content of 1%)

(3) 碱含量的影响。在38 ℃，100%湿养条件下，不掺碱活性岩粉的试件随着碱含量的上升，在14 d后和56 d后的收缩趋势较为明显。选用0.08～0.16 mm粒径的碱活性岩粉，掺入5%替代水泥时，随着碱度的增大，28 d后试样持续膨胀，且此趋势有不断扩大的迹象(见图3)。但总体来看，粒径0.08～0.16 mm的岩粉对于碱度这个因素不太敏感。而对于粒径小于0.08 mm的碱活性岩粉，在相同掺量下，碱度越高，膨胀值越大，其中掺10%岩粉的试件收缩率最高(见图4)，掺5%岩粉的试件膨胀反应最明显。

由此可以得出结论：只有特定粒径下的碱活性岩粉会因碱含量的提高而增加砂浆前期的膨胀并减小砂浆后期的收缩，不利于砂浆后期的稳定性。

图3 碱含量对ASR膨胀量影响 (岩粉粒径0.08～0.16 mm)Fig.3 Effect of alkali contents on ASR expansion (rock powder size of 0.08～0.16 mm)

图4 碱含量对ASR膨胀量影响 (岩粉粒径<0.08 mm)Fig.4 Effect of alkali contents on ASR expansion (rock powder size less than 0.08 mm)

(4) 碱活性岩粉粒径的影响。在38 ℃，100%湿养条件下，不同碱浓度环境下掺入0.08～0.16 mm粒径岩粉的试件均有膨胀反应，且在低碱度下膨胀值随岩粉掺量的增加而降低，掺量10%时降低较为明显。而不同碱浓度环境下掺入粒径<0.08 mm岩粉的试件基本处于膨胀状态，低碱度下掺入岩粉后，膨胀值降低较为明显，但岩粉掺量为10%时，试件收缩。高碱度下掺入岩粉后，掺量少时膨胀值降低不明显。同掺量且低碱度的环境下，掺0.08～0.16 mm粒径岩粒的试件膨胀率均大于掺小于0.08 mm粒径岩粒的试件(见图5)，但在高碱度环境下，规律相反。

由此可以得出结论：碱活性岩粉的粒径减小会在一定程度上降低试件的膨胀反应，随着龄期发展，变形增加较为缓慢，有利于砂浆后期的体积稳定性。

图5 岩粉粒径对ASR膨胀量的影响Fig.5 Effect of rock powder size on ASR expansion

3 结 论

(1) 不论是自然养护还是100%湿养，试件膨胀率皆随养护温度的升高而增大；即便养护温度各异，试件的体积稳定性随养护湿度仍呈现一定共性，养护湿度越大，试件收缩越小；随着龄期的发展，变形绝对值逐渐增加，但随岩粉掺量变化规律不明显。高温高湿是碱活性岩粉表现出碱活性膨胀的主要原因。

(2) 100%湿养条件下，掺0.08～0.16 mm粒径岩粒的试件均表现为膨胀，且膨胀值随掺入岩粉的增多而降低，提高碱含量，则无此规律。掺粒径<0.08 mm岩粒的试件基本膨胀，膨胀值随岩粉掺量的增加而降低，但掺量10%时试件收缩，提高碱含量，膨胀值均有不同程度的提高。

(3) 相同掺量下，掺0.08～0.16 mm粒径岩粒的试件其膨胀率均大于掺粒径<0.08 mm岩粒试件，提高碱含量后规律相反。若岩粉粒径<0.08 mm，岩粉掺量一致时，碱含量越高，膨胀值越大，但掺粒径0.08～0.16 mm岩粒的试件无此规律。

综合试验结果可知，碱活性石英砂岩粉的掺量和粒径对水泥砂浆体积变化影响不大，针对碱-硅酸反应产生的体积膨胀性，建议采用粒径<0.08 mm且岩粉掺量10%左右的碱活性石英砂岩粉。