李光偉 ， 周麒雯， 楊 軼， 李鵬翔

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072; 2.長江水利委員會長江科學院， 湖北 武漢 430010)

1 問題的提出

堿硅酸反應(ASR)是指混凝土孔溶液中的堿與集料中的活性組分發(fā)生化學反應，生成堿硅凝膠吸水腫脹導致混凝土破壞的過程。自1940年ASR被發(fā)現以來，已在全世界范圍內造成了巨大的損失[1]。ASR是一個較緩慢的過程，特別是對于一些低活性慢膨脹型的活性骨料，這一時間會更長。由于水利水電工程的設計使用壽命多達百年，且水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為堿骨料反應提供了充分的環(huán)境條件，因此，水工混凝土比普通混凝土具有更大的ASR潛在風險[2]。

粉煤灰對水泥水化、孔溶液堿濃度以及水泥漿體結構等均會產生顯著的影響，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目前最經濟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應發(fā)生ASR的復雜性，目前對粉煤灰抑制ASR的機理仍然存在著爭議，對其機理了解得尚不夠清楚全面，在實際工程中也有摻加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的長期有效性是工程界十分關注的問題之一。

本文結合水利水電工程的實際，通過對粉煤灰抑制活性骨料ASR長齡期試件的膨脹率觀測以及對試件水化產物的微觀分析，對粉煤灰抑制活性骨料ASR的長期有效性進行一定的分析和探討。

2 粉煤灰抑制ASR長期有效性試驗研究

2.1 原材料基本性能

試驗所采用的膠凝材料為P.HM42.5水泥和Ⅰ級粉煤灰，水泥和粉煤灰的化學成分見表1。

表1 水泥和粉煤灰的化學成分

試驗所采用的骨料為變質粉砂巖，分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法對該巖石的堿活性進行檢驗，檢驗結果見圖1。檢驗結果表明：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判標準可以判定該變質粉砂巖具有潛在的ASR活性。

圖1 粉砂巖的ASR活性檢驗結果

2.2 粉煤灰抑制ASR長齡期膨脹率的試驗結果

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進行了粉煤灰抑制變質粉砂巖ASR的長齡期試驗研究，其中粉煤灰的摻量為20%，試驗齡期為3年。砂漿棒快速法的試驗結果見圖2，混凝土棱柱體法的試驗結果見圖3，由試驗結果可以看出：

(1)摻20%Ⅰ級粉煤灰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規(guī)范》(DL/T5241-2010)[7]的規(guī)定，可以判定摻20%的Ⅰ級粉煤灰可以有效地抑制變質粉砂巖的ASR。

(2)隨著齡期的延長，摻20%Ⅰ級粉煤灰的變質粉砂巖砂漿和混凝土的ASR膨脹值均有所增加。當齡期達到50 d左右時，砂漿膨脹率已經超過了砂漿棒快速法規(guī)定的0.1%評判標準；當齡期達到3年時，混凝土的膨脹率已經超過了混凝土棱柱體法規(guī)定的0.04%評判標準。

(3)隨著齡期的延長，20%Ⅰ級粉煤灰對變質粉砂巖砂漿和混凝土ASR膨脹變形的抑制率均有所降低。當齡期延長至3年時，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行的粉煤灰抑制變質粉砂巖ASR的長齡期試驗結果可以看出：隨著齡期的延長，摻20%Ⅰ級粉煤灰的變質粉砂巖砂漿及混凝土的ASR膨脹值均會有所增加，粉煤灰對變質粉砂巖ASR膨脹變形的抑制率有所降低。

圖2 粉煤灰抑制變質粉砂巖ASR砂漿棒快速法的試驗結果

圖3 粉煤灰抑制變質粉砂巖ASR的混凝土棱柱體法試驗結果

2.3 粉煤灰抑制ASR水化產物的微觀分析

對在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，經無水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進行觀測結果見圖4和圖5。從觀測結果可以看出：

在28 d齡期時，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象，未見堿硅凝膠的產生。在1年齡期時，可見砂漿試件中骨料的表面疏松，SiO2膠結物和部分礦物顆粒遭堿溶蝕，結構遭膨脹破壞。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，無定形形態(tài)，或者已經和水泥凝膠結合成含鈣的產物，結構明顯比較疏松，具有膨脹性。

對在38℃溫度下，RH不小于95%養(yǎng)護365 d的摻20%粉煤灰的混凝土試件經無水乙醇中止水化，表面鍍金，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進行觀測結果見圖6。

圖4 養(yǎng)護28 d摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖5 養(yǎng)護1年摻20%粉煤灰砂漿試件SEM

圖6 養(yǎng)護365 d摻20%粉煤灰混凝土試件SEM

從觀測結果可以看出：在混凝土試件中骨料表面還比較致密完整，與膠凝材料膠結良好，粉煤灰界面處有大量長針狀、長柱狀、片狀等水化產物，有少部分膠結物與堿產生反應，部分SiO2膠結物遭堿溶蝕，有極少量的絲網狀的堿硅凝膠。

3 分析與探討

混凝土中的ASR膨脹的發(fā)生和發(fā)展可分為兩個階段，即：孔溶液中的堿與骨料的活性組分之間發(fā)生化學反應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程和堿與活性組分反應生成凝膠的化學過程。在這個過程中，體系中的堿含量和水泥水化生成的Ca(OH)2在ASR膨脹中起到促進作用。

粉煤灰抑制ASR的機理主要體現在以下幾個方面[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。同時粉煤灰中酸性氧化物的界面化學作用將堿離子滯留吸附降低了體系的堿度。粉煤灰發(fā)生火山灰反應后生成的低Ca/Si比的C-S-H凝膠也增強了對堿離子的吸附能力，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，而且粉煤灰會與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，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改善界面區(qū)組成及結構，火山灰反應生成的低Ca/Si的水化產物可以對混凝土基體起到致密化作用。雖然上述的各種機理均具有一定的合理性，但究竟何種機理才是抑制粉煤灰ASR的主導因素，目前還存在著爭議。

分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進行的粉煤灰抑制ASR長齡期的試驗研究結果可以看出：隨著齡期的延長，粉煤灰對ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現了ASR的產物。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，只是減輕了堿對活性骨料的侵蝕，延緩了活性骨料的ASR發(fā)生。當足量的外堿存在時(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被掩蓋。

筆者曾經進行了不同總堿含量條件下粉煤灰抑制活性骨料的ASR試驗研究，試驗研究的結果表明[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，粉煤灰抑制骨料ASR的效果與環(huán)境的總堿含量息息相關。

4 結 語

使用非活性骨料對防止混凝土ASR而言是最安全可靠的措施。但由于活性骨料特別是硅質活性骨料分布廣泛以及受工程造價的影響，混凝土骨料的可選擇余地愈來愈受到限制。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，而且對混凝土的其他性能有一定的改善作用，同時對節(jié)約資源、保護環(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用。

結合水電工程實際開展的粉煤灰抑制活性骨料ASR的長期有效性的試驗研究結果表明：隨著齡期的延長，粉煤灰對ASR膨脹的抑制率逐步降低，砂漿和混凝土試件中均出現了ASR的產物。表明在足量的外堿存在時，摻入一定量的粉煤灰只是減輕了堿對活性骨料的侵蝕，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，在實際工程中，采用摻一定量粉煤灰作為抑制堿骨料反應的工程措施時，一定要同時控制混凝土的總堿含量，否則達不到抑制堿骨料反應的目的。