張桂華，張 豐

（1.江蘇省句容市后白鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇句容212400；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

0 引 言

堿-骨料反應(yīng)（AAR）是水泥、含堿外加劑和環(huán)境等釋放的可溶性堿（鉀、鈉）溶于混凝土孔溶液中，與骨料中活性成分反應(yīng)，其生成物吸水膨脹，使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂甚至破壞，進而失去設(shè)計性能，對于工程穩(wěn)定的危害有目共睹，是影響混凝土耐久性的重要因素之一［1，2］。堿-骨料反應(yīng)是一個極其緩慢而漫長的過程，有時可到幾十年之久，一旦發(fā)生就很難阻止，被稱為混凝土的“癌癥”［3，4］。因此，在工程建設(shè)之初正確鑒定集料的堿活性是采取合理措施預(yù)防AAR破壞的關(guān)鍵。堿-骨料反應(yīng)一般可分為堿硅酸鹽反應(yīng)（ASR）、堿碳酸鹽反應(yīng)（ACR）兩類［5］，其中堿硅酸反應(yīng)是迄今對工程損壞最多、分布最廣、研究得最多的一種堿骨料反應(yīng)類型［6］。自從AAR 問題提出以來，如何判斷骨料的活性始終是一個重要問題。目前，骨料堿活性的檢測方法有巖相法、化學(xué)法、砂漿長度法、巖石柱法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法［7，8］。

混凝土骨料是水利水電工程混凝土的“糧倉”，中國對混凝土堿活性骨料的預(yù)防工作非常重視，尤其在水利水電工程方面，要求混凝土所用的骨料必須進行堿活性檢驗及論證［9］。在無法杜絕使用堿活性集料的情形下，如何防治AAR破壞并充分利用工程附近的天然砂礫料、工程開挖料作為混凝土骨料，是大型水利水電工程亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題［10］，對節(jié)省工程投資同時保證工程安全意義重大。目前，防止堿骨料反應(yīng)發(fā)生的措施主要有：控制混凝土堿含量［11］、降低周圍環(huán)境的濕度、使用活性摻和料（如粉煤灰［12，13］、礦渣［14］、硅灰［15］）以及摻用化學(xué)外加劑（如鋰鹽［16，17］）等。摻礦物摻合料是抑制混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的重要措施，常見的有礦渣粉、硅灰、粉煤灰等［18，19］，它除了可以緩解和抑制堿骨料反應(yīng)外，還可以改善混凝土的其他性能，并且對環(huán)境保護及節(jié)約資源也是有利的［20，21］。目前，在水利水電工程中多采用低堿水泥、摻加粉煤灰來抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)［22］。

西藏某大型水利水電工程是以發(fā)電為主的引水式電站，本文采用巖相法和砂漿棒法快速法對工程附近料源——天然砂礫石料、引水隧洞開挖料（巖性為前奧陶系變質(zhì)石英砂巖）進行堿活性檢測，分析論證骨料是否存在潛在堿活性，并研究抑制骨料堿活性反應(yīng)的有效措施；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計制備C25W6F200 標(biāo)號混凝土并測試其綜合性能，評價并判斷卵石、砂巖骨料用于大型水利水電工程的可行性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥。采用昆侖山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（KL）和混凝土外加劑檢測專用P·I 42.5 基準(zhǔn)水泥（JZ），兩種水泥的化學(xué)組成和XRD 圖譜分別如表1 和圖1 所示。兩種水泥的MgO含量、SO3含量和燒失量均滿足《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007指標(biāo)要求，但KL 水泥的堿含量略高（達到0.78%），當(dāng)骨料存在潛在堿活性時，需采取抑制措施。兩種水泥的主要礦物組成均為C3S、C2S、C3A和少量的C4AF、玻璃體。

表1 水泥化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of cement

圖1 水泥的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of cement

水泥的物理性能分別如表2 所示，所檢指標(biāo)均滿足GB 175-2007的相關(guān)規(guī)定，其中KL水泥的比表面積為362 m2/kg，略微偏細，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為29.6%，偏高；KL 水泥的3、28 d 抗壓強度為23.7、44.1 MPa，JZ 水泥的3、28 d 抗壓強度為22.8、43.7 MPa。

表2 水泥物理性能指標(biāo)Tab.2 Physical properties of cement

（2）粉煤灰。采用Ⅱ級粉煤灰（F 類），其化學(xué)組成和XRD圖譜分別如表3 和圖2 所示。粉煤灰硅鋁含量合計80.12%，處于正常范圍；礦物組成主要為莫來石、石英、赤鐵礦、氧化鈣和玻璃體；SO3含量和燒失量指標(biāo)均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2017中相關(guān)指標(biāo)要求。

圖2 II級粉煤灰XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Grade II fly ash

表3 粉煤灰化學(xué)組成Tab.3 Chemical composition of fly ash

粉煤灰的其他物理性能測試結(jié)果見表4，所檢性能指標(biāo)均滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》DL/T 5055-2007 對II級灰的要求；需水量比為98%；但粉煤灰28 d 活性指數(shù)略低，僅有74%。

表4 粉煤灰物理性能指標(biāo)Tab.4 Physical properties of fly ash

（3）骨料。采用天然卵石和隧洞砂巖洞挖料兩種骨料，骨料形貌如圖3 所示，品質(zhì)測試結(jié)果見表5。兩種骨料的所檢性能指標(biāo)均符合《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2015 要求。天然卵石粒形較好，顆粒飽滿，針片狀含量較少，壓碎值較低，各粒級的飽和面干表觀密度相差不大，約為2 700 kg/m3，吸水率較低。開挖砂巖經(jīng)機械破碎后骨料多棱角，顆粒粒形多呈扁平狀，粒形稍差；砂巖骨料的壓碎值明顯高于卵石，堅固性也稍差。

表5 骨料品質(zhì)測試結(jié)果Tab.5 Test results of aggregate quality

圖3 骨料形貌Fig.3 Aggregate morphology

（4）外加劑。減水劑采用GK-4A 緩凝型高效減水劑（萘系），廠家推薦摻量為0.6%～0.8%，減水率為20.5%；引氣劑采用GK-9A 型引氣劑，含固量為41.7%，廠家推薦摻量為0.006%～0.015%，兩者均滿足《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》DL/T 5100-2014的相應(yīng)技術(shù)要求。

1.2 試驗方法

（1）骨料堿活性檢測。巖相法：參照《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T 5151-2014，分別將天然卵石、開挖砂巖骨料制成薄片，在偏光顯微鏡下辨別各骨料所含堿活性礦物的品種、含量及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造，從而判斷骨料是否具有堿活性性質(zhì)及可能發(fā)生的堿骨料反應(yīng)的類型。

砂漿棒快速法：參照DL/T 5151-2014 中骨料堿活性檢驗（砂漿棒快速法），成型25.4 mm× 25.4 mm×285 mm 試件，標(biāo)養(yǎng)24 h±2 h 脫模，放入80℃±2℃中恒溫水箱中恒溫24 h，擦干試件表面的水，測量試件的基準(zhǔn)長度L0。然后放入80 ℃±2 ℃、1 mol/L NaOH 溶液中養(yǎng)護至規(guī)定齡期后取出，測量該齡期時的試件長度Lt，則試件第t天齡期的膨脹率為εt=（Lt-L0）/（L0-2Δ）×100%（Δ為測頭的長度，mm）。每組測3 個試件，然后確定各組試件的膨脹率。

分別采用P·I 42.5水泥（JZ）和昆侖山牌P·O 42.5水泥（KL）對卵石、砂巖骨料進行堿活性檢驗。KL 水泥和JZ 水泥的堿含量分別為0.78%和0.56%，試驗過程中通過摻10%NaOH 溶液，將水泥含堿量調(diào)至0.9%。

（2）力學(xué)性能。參照DL/T 5150-2017，分別成型150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×515 mm 的混凝土試件，測試混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值等力學(xué)性能指標(biāo)。其中，制作成型抗拉彈性模量和極限拉伸值試件時，拌合物需經(jīng)30 mm 濕篩。每組測3個試件，然后確定強度代表值。

（3）抗?jié)B性能。參照DL/T 5150-2017，采用逐級加壓方式進行試驗，水壓從0.1 MPa 開始，以后每隔8 h 增加0.1 MPa 水壓，并隨時觀察試件端面滲水情況；試驗結(jié)束后，將試件從試模中取出，劈開后用游標(biāo)卡尺測量滲水高度。以一組6 個試件測值的平均值作為試驗結(jié)果。

（4）抗凍性能。參照DL/T 5150-2017，成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件，采用DDR-2型混凝土快速凍融試驗機進行抗凍試驗。每做50 次凍融循環(huán)后用臺秤和DT-16型動彈儀分別測質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。取一組三個試件測值的平均值作為試驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 骨料堿活性檢測

2.1.1 巖相法分析

（1）天然卵石。卵石骨料樣品中約80%顆粒主要由石英晶體、云母和方解石組成，此外還含有少量長石晶體和約15%微晶石英，未見白云石；約20%顆粒主要由石英晶體和長石晶體組成，含有少量云母、綠泥石、方解石和約6%微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英，未見白云石。卵石骨料典型的偏光照片如圖4所示。

圖4 天然卵石典型偏光照片F(xiàn)ig.4 Typical polarized photos of natural pebbles

卵石骨料的堿-硅反應(yīng)活性組分為微晶石英或微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英，含量約13%，需采用砂漿棒試件或混凝土棱柱體試件進一步檢測其堿-硅反應(yīng)活性；未見堿-碳酸鹽反應(yīng)活性組分白云石，不具有堿-碳酸鹽反應(yīng)活性。

（2）開挖砂巖。開挖砂巖骨料主要由石英晶體和云母組成，含有少量長石晶體、綠泥石、方解石和約2%微晶石英，未見白云石。砂巖骨料典型的偏光照片如圖5所示。

圖5 砂巖典型偏光照片F(xiàn)ig.5 Typical polarized photo of sandstone

砂巖骨料中的堿-硅反應(yīng)活性組分為微晶石英，含量約2%，需采用砂漿棒試件或混凝土棱柱體試件檢測其堿-硅反應(yīng)活性；未見堿-碳酸鹽反應(yīng)活性組分白云石，不具有堿-碳酸鹽反應(yīng)活性。

2.1.2 砂漿棒快速法分析

由巖相法分析可知，上述兩種骨料均不具有堿-碳酸鹽反應(yīng)活性，但可能具有潛在堿-硅反應(yīng)活性，堿活性礦物組分主要為微晶石英。進一步按砂漿棒快速法分析卵石和砂巖骨料的堿-硅反應(yīng)活性。分別采用JZ和KL水泥成型砂漿棒試件，兩種骨料的堿活性檢測結(jié)果圖6所示。

圖6 骨料堿活性檢測結(jié)果Fig.6 Test results of aggregate alkali activity

因KL 水泥是普通硅酸鹽水泥，會含有約20%的對堿-硅反應(yīng)有抑制作用的混合材，而JZ水泥是I型硅酸鹽水泥，混合材的比例＜5%，因此，相同齡期下，兩種骨料采用JZ 水泥制備砂漿棒的膨脹率均要大于采用KL 水泥時的膨脹率，其中對于卵石骨料更為明顯。采用JZ水泥時，天然卵石的砂漿棒14 d膨脹率較大，達到0.273%，大于判據(jù)0.20%，可判斷卵石骨料具有潛在堿活性；開挖砂巖的砂漿棒14 d 膨脹率為0.146%，介于0.10%與0.20%之間，延長測試齡期至28 d 時，其膨脹率達0.229%，也超過了0.20%，因而判斷砂巖骨料也具有潛在堿活性。采用KL水泥時，卵石和砂巖骨料的砂漿棒14 d膨脹率均小于0.20%；但至28 d時，兩種骨料試件的膨脹率均接近甚至超過了0.20%，其中卵石骨料的膨脹率達到了0.243%，同樣可判斷兩種骨料具有潛在堿活性。

2.2 骨料堿活性抑制

通過摻20%、25%和30%不等量II 級粉煤灰來抑制卵石、砂巖骨料的堿活性，抑制措施有效性試驗按照DL/T 5151-2014中規(guī)定的砂漿棒快速法進行，抑制措施有效性的判據(jù)為28 d 膨脹率＜0.10%。分別采用KL 水泥和JZ 水泥成型砂漿棒試件，不同粉煤灰摻量對兩種骨料堿骨料反應(yīng)抑制的試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 骨料堿活性抑制試驗結(jié)果Fig.7 Inhibition test results of aggregate alkali activity

對應(yīng)天然卵石骨料，采用基準(zhǔn)水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d 膨脹率為0.151%，明顯大于0.10%的判據(jù)，尚不足以抑制其堿-硅反應(yīng)；而當(dāng)摻25%粉煤灰時，28 d 膨脹率降低為0.091%，小于0.10%的判據(jù)，因此通過單摻II 級粉煤灰來抑制卵石骨料堿活性的最低摻量為25%。因KL 水泥自身含有一定具有堿-硅反應(yīng)抑制效果的混合材，采用KL 水泥本身就可以看作是一種抑制措施。采用昆侖山牌水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d 膨脹率為0.043%，即已小于判據(jù)0.10%，說明采用“KL水泥+20%II級粉煤灰”的策略可以有效抑制卵石骨料的堿-硅反應(yīng)。

同理，對應(yīng)開挖砂巖骨料，采用基準(zhǔn)水泥條件下，有效抑制砂巖骨料堿-硅反應(yīng)的粉煤灰最低摻量為30%；采用昆侖山牌水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d膨脹率為0.065%（小于判據(jù)0.10%），因此采用“KL 水泥+20%II 級粉煤灰”的策略可有效抑制砂巖骨料堿-硅反應(yīng)。

2.3 混凝土綜合性能

選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥（KL），分別以天然卵石、開挖砂巖作骨料，經(jīng)篩分，選用5～20 mm粒徑骨料作小石、20～40 mm粒徑骨料作中石，其中砂巖需先將毛料經(jīng)機械破碎；卵石和開挖砂巖分別經(jīng)機械破碎、粉磨制成人工砂，細度模數(shù)分別為2.80 和2.73，中等偏粗。以絕對體積法設(shè)計、計算C25W6F200標(biāo)號混凝土的配合比，控制拌合物坍落度為50～70 mm。結(jié)合以往工作經(jīng)驗及混凝土設(shè)計要求，通過設(shè)計計算及試拌調(diào)整后確定C25W6F200 混凝土配合比參數(shù)為：水膠比0.35，單位用水量133 kg/m3，粉煤灰摻量20%，砂率33%，具體配合比如表6所示。

表6 混凝土試驗配合比Tab.6 Test mix ratio of concrete

2.3.1 拌合物性能

按表6混凝土配合比拌合混凝土，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》DL/T 5150-2017 測試混凝土拌合物的坍落度、容重、含氣量和凝結(jié)時間等指標(biāo)，結(jié)果如表7所示。可知，用兩種骨料配制的混凝土坍落度均滿足設(shè)計要求，含氣量也滿足《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》NB/T 35024-2014 中的相關(guān)規(guī)定；混凝土拌合物凝結(jié)時間正常。

表7 混凝土拌合物性能Tab.7 Performance of concrete mixture

2.3.2 力學(xué)性能

測試兩種骨料混凝土的力學(xué)性能，包括立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值等，結(jié)果如表8 和表9 所示。根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》DL/T 5330-2015 中相關(guān)規(guī)定計算可知，當(dāng)混凝土強度保證率為95%時，C25 混凝土的配制強度為31.6 MPa。由表8 可知，卵石骨料、砂巖骨料的C25 混凝土28 d 抗壓強度分別為32.6 和35.2MPa，滿足C25混凝土配制強度要求；兩者28 d劈裂抗拉強度也分別達到了2.28 和2.39 MPa。相同條件下，砂巖骨料混凝土實測強度均略高于卵石骨料混凝土，這是因為開挖砂巖骨料經(jīng)機械破碎后多棱角，與水泥石的咬合強度更高。由表9可知，兩種骨料C25混凝土抗拉性能相近，28 d的極限拉伸值為99～101 με、軸心抗拉強度為2.51～2.59 MPa、抗拉彈性模量為27.5～28.8 GPa。

表8 混凝土抗壓和劈裂抗拉強度Tab.8 Compressive and split tensile strength of concrete

表9 混凝土抗拉性能Tab.9 Tensile properties of concrete

2.3.3 抗?jié)B性能

表10 為卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的抗?jié)B試驗結(jié)果?？芍?，水壓加至0.7 MPa 在8 h 內(nèi)，兩組混凝土試件均未出現(xiàn)滲水，因此兩種骨料混凝土的抗?jié)B等級均滿足W6設(shè)計要求；試驗結(jié)束后，測量卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的滲水高度分別為15.6 mm和16.3 mm。

表10 混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果Tab.10 Results of concrete impermeability test

2.3.4 抗凍性能

表11 為卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的抗凍試驗結(jié)果?？芍瑑煞N骨料制備的C25 混凝土抗凍等級均能滿足F200的設(shè)計要求。兩組混凝土試件經(jīng)凍融循環(huán)后相對動彈性模量損失較小，而混凝土的質(zhì)量損失較大，相同條件下砂巖骨料混凝土抗凍性能相對更優(yōu)。經(jīng)250次凍融循環(huán)后，卵石、砂巖骨料混凝土的相對動彈性模量均高于89%，遠高于60%的破壞判斷值，質(zhì)量損失率則分別為4.46%和1.40%，也均小于5%的破壞判斷值。

表11 混凝土抗凍試驗結(jié)果Tab.11 Results of concrete frost resistance test

綜上所述，選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥，分別以天然卵石和開挖砂巖作骨料，以水膠比0.35、單位用水量133 kg/m3、粉煤灰摻量20%（可有效抑制骨料堿-硅反應(yīng)）、砂率33%為參數(shù)可制備滿足設(shè)計要求的C25W6F200標(biāo)號混凝土。

2.4 思考與建議

（1）巖相法常為堿活性檢測的首要方法，但往往只是用來判斷其中是否有堿活性物質(zhì)，具有堿活性物質(zhì)并不是具有危害性膨脹的充分條件，因此其檢測數(shù)據(jù)應(yīng)主要用于判斷巖性。砂漿棒快速法可成功篩選出大多數(shù)堿活性骨料，但也存在漏判和判定過嚴(yán)的情況［23，24］。無論砂漿長度法、砂漿棒快速法、巖石柱法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法，本質(zhì)上都是加速堿集料反應(yīng)，都不能完全反應(yīng)混凝土的實際情況。研究人員應(yīng)在檢測方法理解和選擇的基礎(chǔ)上，采用多種方法對骨料堿活性進行綜合判定。

（2）混凝土中總堿含量決定了堿骨料反應(yīng)的數(shù)量、范圍和危害影響程度?；炷林袎A的來源主要有：水泥、粉煤灰等摻和料、外加劑、拌和水、砂石骨料等，其中大部分都來源于水泥［22］。因此，抑制混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)相對便捷、經(jīng)濟、有效的措施是控制總堿含量（尤其是膠凝材料、外加劑的堿含量）。

（3）摻入粉煤灰、硅粉、礦渣等摻和料雖然對混凝土總堿量影響不大，但具有抑制堿活性及降低水泥用量等綜合效應(yīng)，是抑制堿骨料反應(yīng)的重要措施。

（4）堿-骨料反應(yīng)（AAR）危害巨大，但并不可怕。通過試驗研究，采取合理、有效措施抑制堿骨料反應(yīng)，同樣可以保障工程安全。雅礱江錦屏一級水電站工程［25］、引灤入津水源保護工程［26］、南水北調(diào)中線工程多段線路［27，28］等國內(nèi)多個大型水利水電工程建設(shè)中都使用了堿活性骨料（開挖料或河床料）。

3 結(jié) 論

（1）巖相分析表明，天然卵石和開挖砂巖含有數(shù)量不等的堿-硅反應(yīng)活性組分（微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英），但均未見堿-碳酸鹽反應(yīng)活性組分白云石；砂漿棒快速法檢驗結(jié)果表明，卵石砂漿棒14 d 膨脹率為0.273%；砂巖砂漿棒14 d 膨脹率為0.146%，延長齡期至28 d 時膨脹率也超過0.20%，因此可判斷兩種骨料均為具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性骨料。

（2）單摻II 級粉煤灰來抑制卵石、砂巖骨料堿活性的最低摻量分別為25%和30%；采用“昆侖山牌水泥+20% II 級粉煤灰”的策略均可有效抑制卵石、砂巖骨料的堿-硅反應(yīng)。

（3）選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥、II 級粉煤灰摻量20%，分別以天然卵石和開挖砂巖作骨料，可制備滿足設(shè)計要求的C25W6F200 標(biāo)號混凝土；卵石、砂巖骨料的C25 混凝土28 d 抗壓強度分別可達32.6和35.2 MPa。