陳 達，楊一琛，馮興國，歐陽峰

（河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室；港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

堿骨料反應是影響混凝土結(jié)構耐久性的重要因素之一，在各種堿骨料反應中，堿硅酸反應（ASR）是最為普遍的類型［1］，因而近年來出現(xiàn)了大量關于堿硅酸反應的報道。劉晨霞等［2］在研究溫度對堿硅酸反應的影響時發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹率與堿硅酸反應時間之間存在雙曲線關系，且隨著溫度的升高試樣的膨脹速率明顯增加，但其對最終膨脹量無明顯影響。Lu等［3］研究了不同種類的堿液對混凝土堿骨料反應的影響，結(jié)果表明在相同的堿濃度下，NaOH溶液中混凝土試樣的硅酸反應最強烈，KOH溶液次之，LiOH溶液中的混凝土試樣的堿硅酸反應最弱。此外，研究表明在LiOH溶液中，骨料周圍生成的低膨脹性含Li反應產(chǎn)物可以阻礙堿硅酸反應的進一步進行，因而LiOH有抑制混凝土中堿硅酸反應的作用。Théodore等［4］研究了Al離子對混凝土堿硅酸反應的影響，發(fā)現(xiàn)Al離子吸附在SiO2表面可降低其溶解速率，因而可對堿硅酸反應起到抑制作用。Cyrille等［5］研究了骨料粒徑對堿硅酸反應引起的膨脹率的影響，結(jié)果表明經(jīng)堿硅酸反應后，骨料粒徑在4～8mm的混凝土試樣的膨脹率最大，其次是骨料粒徑在8～16mm的混凝土試樣。此外還發(fā)現(xiàn)混凝土的膨脹率在堿硅酸反應早期由骨料的破裂方式?jīng)Q定，而后期的膨脹率由漿體相的破裂方式?jīng)Q定。Smaoui等［6］研究了NaOH對混凝土微觀結(jié)構的影響，發(fā)現(xiàn)添加較多NaOH的混凝土更容易形成多孔洞的網(wǎng)狀結(jié)構。近年來，出現(xiàn)了一些用粉煤灰等礦物添加劑抑制混凝土堿硅酸反應的報道［7－9］。李北星等［7］研究了粉煤灰對混凝土堿硅酸反應的影響機理，發(fā)現(xiàn)粉煤灰在消耗水泥漿體中Ca（OH）2的同時，反應生成的堿硅鋁凝膠不具有膨脹性，因而可有效抑制堿硅酸反應。此外，也有學者［8］認為粉煤灰對水泥漿體中的堿有物理稀釋作用，粉煤灰中酸性顆粒對Na＋、K＋和OH－的吸附、滯留等多重作用，能夠有效抑制堿硅酸反應。Aydin［9］等研究了研磨過程對含粉煤灰的混凝土試樣力學性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加研磨后的粉煤灰的混凝土試樣其力學性能將得到顯著改善。

工程結(jié)構中的混凝土所處的應力狀態(tài)復雜，材料往往承受三向應力。研究表明［10－12］水泥基材料的力學特征與圍壓狀態(tài)相關，隨著圍壓的增加，塑性應變成為材料最主要的力學特征。為了更好了解水泥基材料，掌握其在多向應力下尤其是三軸圍壓下的力學特性具有重要意義。然而，目前關于堿硅酸反應的研究多數(shù)集中在反應機理以及抑制堿硅酸反應等方面［1－8］，而關于堿硅酸反應后水泥基材料的力學性能［9，13－14］的研究較少，尤其是堿硅酸反應對水泥基材料的三軸抗壓性能方面的影響則鮮有報道。本文以活性不同的砂制備的砂漿為試驗材料，研究了堿硅酸反應對其三軸抗壓性能的影響，并結(jié)合微觀結(jié)構的演變討論了堿硅酸反應引起水泥基材料力學性能變化的機理。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

采用活性不同的兩種砂樣制備砂漿試樣，一種由石灰?guī)r組成，對堿反應不敏感，即堿惰性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為NR試樣；另一種由硅質(zhì)灰?guī)r組成，對堿反應呈潛在活性，即堿活性砂，其制備的砂漿試樣簡稱為R試樣。制備砂漿試樣前，兩種砂進行粉碎、篩分、沖洗去除極細顆粒和干燥處理，且選取25% （V.%）細砂（粒徑0.08～0.16mm）、50%中砂（粒徑0.63～1.25mm）和25% 粗砂（粒徑2.5～4mm）。本文以高堿水泥（堿含量（Na2Oeq）1.11%）、去離子水和篩選的砂按照一定比例攪拌制備砂漿試。水膠比對水泥基材料的性能有明顯的影響［15－16］，周述光等［15］的實驗結(jié)果表明，當水膠比在0.3～0.5的范圍內(nèi)，各砂漿試樣在經(jīng)過堿硅酸反應后的膨脹率雖有一定的差異，但不同水膠比試樣膨脹率的演變規(guī)律卻相似。因此，為突出堿硅酸反應與水泥基材料力學性能劣化間的關聯(lián)，將灰砂比和水灰比分別設定為1∶3和1∶2以制備砂漿試樣，即各種材料含量為：砂1613.4kg／m3，水泥537.8kg／m3，去離子水268.9kg／m3。關于水膠比對堿硅酸反應后水泥基材料力學性能的影響，將在后續(xù)的實驗中進行研究。為加速砂漿中的堿硅酸反應，制作砂漿試樣時以11.7kg／m3的比例加入NaOH顆粒以增加砂漿的堿性。

兩種砂漿均制備了一系列的40mm×40mm×160mm棱柱體試樣和φ36mm×72mm圓柱體試樣。其中棱柱體試樣用于膨脹率測定；圓柱體試樣用于三軸抗壓測試，每個數(shù)據(jù)均為3個試樣的平均值。所有砂漿試樣在澆注后以塑料薄膜覆蓋表面養(yǎng)護3d后拆模，然后將拆模后的試樣放入防水袋中室溫養(yǎng)護至28d。此后，將部分砂漿試樣放入溫度為60°C、相對濕度為95%的恒溫箱中進行加速堿骨料反應。

1.2 實驗方法

以養(yǎng)護28d的棱柱體砂漿試樣長度為基準，每隔6d測量試樣的長 度，根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352－2006）中的砂漿干縮（濕脹）試驗的規(guī)程計算砂漿試樣的膨脹率。

以TOP INDUSTRIE水泥基材料三軸流變儀分別在圍壓為0、5和15MPa條件下對圓柱體砂漿試樣進行三軸加載試驗。以位移控制模式進行軸向加載，軸向壓縮位移速率為2μm／s。試驗通過加載－卸載－加載的循環(huán)方式評估試樣在加載過程中彈性模量的變化。需要說明的是由于設備徑向變形測量環(huán)的特殊性，圍壓為0時無法進行徑向變形測量。以JSM－6490A掃描電子顯微鏡對堿骨料反應前后的砂漿試樣進行微觀形貌觀察。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 堿硅酸反應對膨脹變形的影響

從圖1中2種砂漿試樣的膨脹率隨著時間的變化曲線可以看出，由堿惰性砂制備的NR砂漿試樣的膨脹率在整個堿硅酸反應過程中維持在一個較低的水平，始終保持在0.02%左右。而由堿活性砂制備的R砂漿試樣的膨脹率在開始的20d內(nèi)幾乎呈線性增長；隨著堿硅酸反應的進行，在隨后的一段時間內(nèi)R砂漿試樣的膨脹率仍有所增加，但增加速率明顯降低；在反應50d后，R砂漿試樣的膨脹率趨于穩(wěn)定，保持在0.4%左右。Dunant［5］等也曾報道過混凝土的膨脹速率隨著堿硅酸反應的進行而降低的現(xiàn)象。這是因為初期的堿硅酸反應速度較快，因而膨脹率迅速增加；隨著堿硅酸反應的進行，其生成的反應產(chǎn)物一定程度上阻礙了骨料的進一步溶解［3］，降低了堿硅酸反應速率，使得水泥基材料的膨脹速率降低并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 砂漿試樣的膨脹率隨著堿骨料反應時間的變化

2.2 堿硅酸反應對砂漿力學性能的影響

對養(yǎng)護28d的砂漿試樣和放入恒溫箱中進行100d堿硅酸反應的2種砂漿試樣分別在0、5和15 MPa的圍壓下進行壓縮試驗。各砂漿試樣在不同圍壓情況下的偏應力 應變關系如圖2所示。

圖2 堿硅酸反應前后的2種砂漿在不同圍壓下的壓縮試驗偏應力應變變化曲線

圖3是2種砂漿試樣在堿硅酸反應前后其峰值強度隨著圍壓的變化結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)各砂漿試樣的峰值強度隨著圍壓的增加而明顯提高。此外，在圍壓為0、5、15MPa下，堿硅酸反應后R砂漿試樣的峰值強度比反應前分別增加了13、20和19MPa；而相同圍壓下堿硅酸反應后NR砂漿試樣的峰值強度僅比反應前的分別增加了2、5和3MPa，可見堿硅酸反應后R砂漿試樣的峰值強度增加比NR試樣顯著。在自由狀態(tài)下，由于堿硅酸反應產(chǎn)物填充到砂漿內(nèi)部的孔隙中增加了砂漿致密度［14，18］，因而砂漿試樣的峰值強度隨著堿硅酸反應的進行而有所增加。本文中由于R砂漿試樣的堿硅酸反應比NR砂漿更加劇烈，其生成更多的反應產(chǎn)物使R砂漿更加致密，因而其峰值強度增加更加明顯。因此，極限抗壓強度是評價堿硅酸反應的重要參量，即相同圍壓下堿硅酸反應越強烈，其極限抗壓強度增加越明顯。

圖3 2種砂漿試樣堿硅酸反應前后偏應力強度與圍壓關系曲線

圖4是堿硅酸反應前后的砂漿試樣在50MPa偏應力和在不同圍壓下的軸向應變量（ε1）的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當圍壓從5MPa提高到15 MPa時，各試樣的應變量都有明顯增加，表明隨著圍壓的增加，砂漿試樣存在明顯的軟化現(xiàn)象。同時，進一步觀察發(fā)現(xiàn)同堿硅酸反應前相比，堿硅酸反應后砂漿試樣在相同偏應力下的應變量明顯降低，且堿硅酸反應更加強烈的R砂漿試樣的應變量降低更加明顯。因為堿硅酸反應的產(chǎn)物增加材料的致密性［14］，進而弱化了水泥基材料在三軸抗壓試驗中的軟化。因此，三軸抗壓測試中的應變量（ε1）也可以作為評價堿硅酸反應的參量。

圖4 不同圍壓下50MPa偏應力作用下主應變的變化

圖5是各種砂漿試樣在加載過程中彈性模量比（E／E0，加載過程中的彈性模量E和初始彈性模量E0之比）隨著相對應力（f／fc，加載過程中的應力和應力峰值之比）的變化曲線。從圖5可以看出，不同圍壓作用下，在初始階段各砂漿試樣的E／E0都隨著相對應力的增加而增加；當彈性模量比增加到一定程度后隨著相對應力的增加反而降低。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增加，彈性模量比E／E0逐漸降低，即再次印證了隨著圍壓的增加水泥基材料有明顯的軟化趨勢。此外，相同的相對應力下，堿硅酸反應后的砂漿試樣的E／E0比堿硅酸反應前的高，這與堿硅酸反應的產(chǎn)物增加砂漿的致密度密切相關。

圖5 砂漿試樣堿硅酸反應前后在不同圍壓下E／E0與相對應力f／fc的關系曲線

2.3 堿硅酸反應對砂漿微觀結(jié)構的影響

圖6和圖7是2種砂漿試樣堿硅酸反應前后的微觀結(jié)構。堿硅酸反應前的2種砂漿試樣的表面形貌（圖6（a）、（b））無明顯區(qū)別。但從內(nèi)部結(jié)構 （圖6（c）、（d））的對比可以看出，在室溫條件下養(yǎng)護28d后，2種砂漿試樣的微觀結(jié)構已有明顯區(qū)別，由堿惰性砂制備的NR砂漿試樣中除水泥漿體外，無明顯的凝膠相生成；而由堿活性砂制備的R砂漿試樣內(nèi)生成了相當數(shù)量的針狀凝膠相，說明在28d的養(yǎng)護期內(nèi)，R砂漿試樣發(fā)生了一定程度的堿硅酸反應。Lu等［3］也曾報道在KOH溶液中堿硅酸反應后的混凝土中觀察到這種針狀凝膠相，且發(fā)現(xiàn)這種針狀凝膠相通常存在于骨料周圍的孔隙中，因而增強混凝土的致密度。

圖6 2種砂漿試樣堿硅酸反應前的微觀結(jié)構

在恒溫箱中堿硅酸反應100d后，2種砂漿試樣的微觀結(jié)構都發(fā)生了明顯的變化。從表面看（圖7（a）、（b）），堿硅酸反應后的砂漿試樣中都出現(xiàn)了明顯的裂紋。對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，堿活性砂制備的R砂漿試樣（圖7（b））的裂紋明顯比NR砂漿試樣（圖7（a））多，且前者的裂紋的寬度也明顯大于后者。觀察砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構可以發(fā)現(xiàn)，堿硅酸反應后NR砂漿中（圖7（c））也生成了少量凝膠相。而堿硅酸反應后的R砂漿試樣中形成了大量的凝膠相，尤其是在孔隙處，形成了大量針狀凝膠層（圖7（d）），這也印證了Lu等［3］的報道，即針狀凝膠相通常填充在骨料周圍的孔隙中。此外，進一步觀察堿硅酸反應后的NR砂漿（圖7（a））和R砂漿（圖7（b））的微裂紋可以發(fā)現(xiàn)，微裂紋多數(shù)沿著骨料的邊界形成，這同Lu等［3］和Giaccio等［13］所觀察到的堿硅酸反應后水泥基材料中裂紋分布形態(tài)相一致，即在骨料周圍形成環(huán)狀反應帶，反應生成的凝膠相填充到骨料周圍的孔隙中，隨著堿硅酸反應的進行，大量凝膠相的生成導致體積膨脹加劇，進而在骨料周圍首先形成裂紋。

2.4 堿硅酸反應中微觀結(jié)構的變化對力學性能的影響

圖7 2種砂漿試樣堿硅酸反應后的微觀結(jié)構

從砂漿試樣堿硅酸反應前后的微觀結(jié)構可以得知，反應生成的針狀凝膠相通常填充到骨料周圍的孔隙中，且隨著反應的進行其產(chǎn)物的體積膨脹加劇，使強度增高的同時在已硬化的混凝土結(jié)構內(nèi)形成較大的內(nèi)應力，進而導致骨料周邊裂紋的形成。堿惰性砂在堿硅酸反應的過程中，由于堿硅酸反應速率緩慢且反應產(chǎn)物較少，因而由堿硅酸反應引起的膨脹有限。而在堿活性砂制備的砂漿試樣中，骨料周圍的環(huán)狀反應帶中生成大量凝膠相，因而骨料周圍有大量微裂紋生成，進而顯著影響其力學性能。

由于堿硅酸反應產(chǎn)物通常填充到骨料周圍的孔隙中，一定程度上增加水泥基材料的致密度［13，16］，因而其在三軸抗壓測試中的抗壓強度比未經(jīng)堿硅酸反應的水泥基材料高，且圍壓越高其抗壓強度增加越明顯。此外，三軸抗壓測試中，材料隨著圍壓的增加有軟化的趨勢，而堿硅酸反應會顯著降低材料的軟化，使材料在相應偏應力作用下的應變量降低。因此，除膨脹率外，極限抗壓強度和應變量（ε1）也可以作為評價堿硅酸反應水平的參量。

3 結(jié)論

1）由活性砂制備的R砂漿試樣的膨脹率在開始的一段時間內(nèi)隨著堿硅酸反應時間呈線性增加，然后膨脹率增加速率降低，最終維持在0.4%左右；而惰性砂制備的砂漿試樣的膨脹率始終維持在0.02%左右。

2）同堿硅酸反應前的砂漿試樣相比，堿硅酸反應使得抗壓強度明顯增加，但試樣在相同偏應力下的應變量卻明顯降低。這是由于堿硅酸反應生成的凝膠相一定程度增加了砂漿的致密性，減弱了三軸抗壓測試中砂漿試樣的軟化趨勢。因此，除膨脹率外，應變量和抗壓強度均可作為評價水泥基材料堿硅酸反應的指標。

3）微觀分析發(fā)現(xiàn)，堿活性砂制備的砂漿試樣中易形成大量針狀凝膠層，隨著堿硅酸反應的進行，凝膠相的膨脹加劇，進而在骨料周圍的水泥漿體中形成大量裂紋，顯著影響砂漿的力學性能。堿惰性砂制備的砂漿試樣中只在局部區(qū)域形成少量針狀凝膠相，因而堿硅酸反應對砂漿的力學性能影響相對較小。

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