李光偉 ， 周麒雯， 楊 軼， 李鵬翔

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072; 2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院， 湖北 武漢 430010)

1 問(wèn)題的提出

堿硅酸反應(yīng)(ASR)是指混凝土孔溶液中的堿與集料中的活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿硅凝膠吸水腫脹導(dǎo)致混凝土破壞的過(guò)程。自1940年ASR被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已在全世界范圍內(nèi)造成了巨大的損失[1]。ASR是一個(gè)較緩慢的過(guò)程，特別是對(duì)于一些低活性慢膨脹型的活性骨料，這一時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。由于水利水電工程的設(shè)計(jì)使用壽命多達(dá)百年，且水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為堿骨料反應(yīng)提供了充分的環(huán)境條件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的ASR潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。

粉煤灰對(duì)水泥水化、孔溶液堿濃度以及水泥漿體結(jié)構(gòu)等均會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，可以有效地延緩或抑制活性骨料的ASR膨脹，因此在混凝土中摻加粉煤灰是抑制活性骨料ASR目前最經(jīng)濟(jì)和最有效的途徑之一[3～5]。但由于活性骨料巖性的廣泛性以及其所對(duì)應(yīng)發(fā)生ASR的復(fù)雜性，目前對(duì)粉煤灰抑制ASR的機(jī)理仍然存在著爭(zhēng)議，對(duì)其機(jī)理了解得尚不夠清楚全面，在實(shí)際工程中也有摻加20%～25%粉煤灰的混凝土工程發(fā)生ASR造成了破壞的案例[6]，因此粉煤灰抑制活性骨料ASR的長(zhǎng)期有效性是工程界十分關(guān)注的問(wèn)題之一。

本文結(jié)合水利水電工程的實(shí)際，通過(guò)對(duì)粉煤灰抑制活性骨料ASR長(zhǎng)齡期試件的膨脹率觀測(cè)以及對(duì)試件水化產(chǎn)物的微觀分析，對(duì)粉煤灰抑制活性骨料ASR的長(zhǎng)期有效性進(jìn)行一定的分析和探討。

2 粉煤灰抑制ASR長(zhǎng)期有效性試驗(yàn)研究

2.1 原材料基本性能

試驗(yàn)所采用的膠凝材料為P.HM42.5水泥和Ⅰ級(jí)粉煤灰，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分

試驗(yàn)所采用的骨料為變質(zhì)粉砂巖，分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法對(duì)該巖石的堿活性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。檢驗(yàn)結(jié)果表明：其14 d的砂漿膨脹率為0.260%，1年的混凝土膨脹率為0.062%，按砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以判定該變質(zhì)粉砂巖具有潛在的ASR活性。

圖1 粉砂巖的ASR活性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 粉煤灰抑制ASR長(zhǎng)齡期膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行了粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的長(zhǎng)齡期試驗(yàn)研究，其中粉煤灰的摻量為20%，試驗(yàn)齡期為3年。砂漿棒快速法的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，混凝土棱柱體法的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)摻20%Ⅰ級(jí)粉煤灰28 d的砂漿膨脹率小于0.1%，其2年的混凝土膨脹率小于0.04%，按《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》(DL/T5241-2010)[7]的規(guī)定，可以判定摻20%的Ⅰ級(jí)粉煤灰可以有效地抑制變質(zhì)粉砂巖的ASR。

(2)隨著齡期的延長(zhǎng)，摻20%Ⅰ級(jí)粉煤灰的變質(zhì)粉砂巖砂漿和混凝土的ASR膨脹值均有所增加。當(dāng)齡期達(dá)到50 d左右時(shí)，砂漿膨脹率已經(jīng)超過(guò)了砂漿棒快速法規(guī)定的0.1%評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)齡期達(dá)到3年時(shí)，混凝土的膨脹率已經(jīng)超過(guò)了混凝土棱柱體法規(guī)定的0.04%評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

(3)隨著齡期的延長(zhǎng)，20%Ⅰ級(jí)粉煤灰對(duì)變質(zhì)粉砂巖砂漿和混凝土ASR膨脹變形的抑制率均有所降低。當(dāng)齡期延長(zhǎng)至3年時(shí)，其砂漿膨脹變形抑制率由14 d的94.8%降低為53.1%；其混凝土的膨脹變形抑制率由1年的79.0%降低為58.9%。

綜合采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行的粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的長(zhǎng)齡期試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著齡期的延長(zhǎng)，摻20%Ⅰ級(jí)粉煤灰的變質(zhì)粉砂巖砂漿及混凝土的ASR膨脹值均會(huì)有所增加，粉煤灰對(duì)變質(zhì)粉砂巖ASR膨脹變形的抑制率有所降低。

圖2 粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR砂漿棒快速法的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 粉煤灰抑制變質(zhì)粉砂巖ASR的混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果

2.3 粉煤灰抑制ASR水化產(chǎn)物的微觀分析

對(duì)在80℃溫度下，浸泡在1 mol/L NaOH溶液中28 d和1年的摻20%粉煤灰砂漿試件，經(jīng)無(wú)水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。從觀測(cè)結(jié)果可以看出：

在28 d齡期時(shí)，砂漿試件中骨料的表面比較致密完整，骨料與膠凝材料的膠結(jié)良好，界面處存在有大量塊狀水泥凝膠，骨料與膠凝材料的界面看不到骨料的腐蝕現(xiàn)象，未見(jiàn)堿硅凝膠的產(chǎn)生。在1年齡期時(shí)，可見(jiàn)砂漿試件中骨料的表面疏松，SiO2膠結(jié)物和部分礦物顆粒遭堿溶蝕，結(jié)構(gòu)遭膨脹破壞。骨料與膠凝材料的界面有明顯的發(fā)生ASR的跡象，存在有較大量的堿硅凝膠，無(wú)定形形態(tài)，或者已經(jīng)和水泥凝膠結(jié)合成含鈣的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)明顯比較疏松，具有膨脹性。

對(duì)在38℃溫度下，RH不小于95%養(yǎng)護(hù)365 d的摻20%粉煤灰的混凝土試件經(jīng)無(wú)水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖4 養(yǎng)護(hù)28 d摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖5 養(yǎng)護(hù)1年摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖6 養(yǎng)護(hù)365 d摻20%粉煤灰混凝土試件SEM

從觀測(cè)結(jié)果可以看出：在混凝土試件中骨料表面還比較致密完整，與膠凝材料膠結(jié)良好，粉煤灰界面處有大量長(zhǎng)針狀、長(zhǎng)柱狀、片狀等水化產(chǎn)物，有少部分膠結(jié)物與堿產(chǎn)生反應(yīng)，部分SiO2膠結(jié)物遭堿溶蝕，有極少量的絲網(wǎng)狀的堿硅凝膠。

3 分析與探討

混凝土中的ASR膨脹的發(fā)生和發(fā)展可分為兩個(gè)階段，即：孔溶液中的堿與骨料的活性組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿硅凝膠和凝膠的吸水腫脹。在第一階段包含孔溶液中的堿遷移至活性骨料表面的物理過(guò)程和堿與活性組分反應(yīng)生成凝膠的化學(xué)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，體系中的堿含量和水泥水化生成的Ca(OH)2在ASR膨脹中起到促進(jìn)作用。

粉煤灰抑制ASR的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[8-10]：

(1)粉煤灰可以有效降低水泥漿體中的堿含量。粉煤灰中堿的釋放速度遠(yuǎn)小于水泥，摻入粉煤灰后使得混凝土孔溶液中的堿濃度下降。同時(shí)粉煤灰中酸性氧化物的界面化學(xué)作用將堿離子滯留吸附降低了體系的堿度。粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)后生成的低Ca/Si比的C-S-H凝膠也增強(qiáng)了對(duì)堿離子的吸附能力，降低了孔溶液的堿濃度。

(2)粉煤灰可以降低水泥漿體中的Ca(OH)2的含量。將粉煤灰取代水泥后可降低體系的Ca(OH)2含量，而且粉煤灰會(huì)與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗體系中的Ca(OH)2，從而有效地降低了水泥漿體中的Ca(OH)2含量。

(3)粉煤灰可以提高混凝土基體的致密化。粉煤灰的微集料效應(yīng)改善界面區(qū)組成及結(jié)構(gòu)，火山灰反應(yīng)生成的低Ca/Si的水化產(chǎn)物可以對(duì)混凝土基體起到致密化作用。雖然上述的各種機(jī)理均具有一定的合理性，但究竟何種機(jī)理才是抑制粉煤灰ASR的主導(dǎo)因素，目前還存在著爭(zhēng)議。

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行的粉煤灰抑制ASR長(zhǎng)齡期的試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出：隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰對(duì)ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現(xiàn)了ASR的產(chǎn)物。表明在存在足量外堿的情況下，粉煤灰并不能完全抑制ASR膨脹，只是減輕了堿對(duì)活性骨料的侵蝕，延緩了活性骨料的ASR發(fā)生。當(dāng)足量的外堿存在時(shí)(其中砂漿棒快速法中環(huán)境的總含堿量為5.4 kg/m3，混凝土棱柱體法中環(huán)境的總含堿量為5.25 kg/m3)，粉煤灰可以降低水泥漿體中堿含量的作用將會(huì)被掩蓋。

筆者曾經(jīng)進(jìn)行了不同總堿含量條件下粉煤灰抑制活性骨料的ASR試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究的結(jié)果表明[11]：隨著總的堿含量增加，粉煤灰抑制活性骨料ASR的作用將減弱，當(dāng)環(huán)境的總堿含量提高的情況下，要想有效地抑制活性骨料的ASR膨脹，粉煤灰必須要有較高的取代水平。亦就是說(shuō)，粉煤灰抑制骨料ASR的效果與環(huán)境的總堿含量息息相關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

使用非活性骨料對(duì)防止混凝土ASR而言是最安全可靠的措施。但由于活性骨料特別是硅質(zhì)活性骨料分布廣泛以及受工程造價(jià)的影響，混凝土骨料的可選擇余地愈來(lái)愈受到限制。在混凝土中使用某些混合材置換部分水泥，不僅能延緩或抑制ASR，而且對(duì)混凝土的其他性能有一定的改善作用，同時(shí)對(duì)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境也有重要意義。因此采用粉煤灰部分替代水泥作為抑制活性骨料ASR的工程措施已在大量工程中得以應(yīng)用。

結(jié)合水電工程實(shí)際開(kāi)展的粉煤灰抑制活性骨料ASR的長(zhǎng)期有效性的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰對(duì)ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現(xiàn)了ASR的產(chǎn)物。表明在足量的外堿存在時(shí)，摻入一定量的粉煤灰只是減輕了堿對(duì)活性骨料的侵蝕，延緩了ASR的發(fā)生，并不能完全有效地抑制活性骨料的ASR。因此，在實(shí)際工程中，采用摻一定量粉煤灰作為抑制堿骨料反應(yīng)的工程措施時(shí)，一定要同時(shí)控制混凝土的總堿含量，否則達(dá)不到抑制堿骨料反應(yīng)的目的。