淺變質(zhì)巖集料堿活性特征及抑制措施分析

　　摘要：本文針對(duì)黔東南不同地區(qū)的淺變質(zhì)巖巖石的巖性和集料堿活性進(jìn)行了分析，分析了混凝土的堿含量對(duì)堿集料反應(yīng)的影響，并分析了試件的微觀表面形貌及化學(xué)成分。結(jié)果得出，黔東南地區(qū)的淺變質(zhì)巖巖石的飽和抗壓強(qiáng)度的離散性較大，各組巖石試樣均為硅酸類(lèi)巖石。未經(jīng)抑制處理的淺變質(zhì)巖集料14d膨脹率全部超過(guò)0.1%，均存在潛在的ASR危害。

　　粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)的抑制作用明顯，各組試件14d的膨脹率都未超過(guò)0.03%�；炷�土總堿含量越大，堿集料反應(yīng)越快速，反應(yīng)周期越長(zhǎng)，膨脹率越大，最佳堿含量應(yīng)控制小于1.0%。SEM-EDS分析結(jié)果辨明，對(duì)比未發(fā)生堿骨料反應(yīng)的試件，已發(fā)生堿骨料反應(yīng)的試件中集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產(chǎn)物生成，集料表面有細(xì)裂紋，出現(xiàn)Si和Na元素富集的現(xiàn)象。針對(duì)淺變質(zhì)巖骨料混凝土應(yīng)用工程的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)部位、性能要求等方面，優(yōu)選礦物摻合料或抑制劑，嚴(yán)格控制堿含量，且需對(duì)淺變質(zhì)巖骨料混凝土進(jìn)行長(zhǎng)期堿骨料反應(yīng)效果觀察與檢驗(yàn)。

　　關(guān)鍵詞：淺變質(zhì)巖,集料,堿活性,微觀結(jié)構(gòu),措施

　　0前言

　　1940年美國(guó)Stanton首先發(fā)現(xiàn)堿骨料反應(yīng)(Alkaliaggregatereaction,AAR)[1]，自從發(fā)現(xiàn)因堿集料反應(yīng)引起混凝土工程破壞以來(lái)，AAR已越來(lái)越受到各國(guó)建筑工程師、材料工程師和政府有關(guān)部門(mén)的重視[2,3]。國(guó)際混凝土堿集料反應(yīng)會(huì)議(ICARR)自1974年首次在丹麥召開(kāi)以來(lái)，已連續(xù)召開(kāi)十五屆，并一直受到混凝土領(lǐng)域極大關(guān)注[4]。

　　通常，堿集料反應(yīng)造成的開(kāi)裂破壞隨時(shí)間變化而加劇，維修困難，費(fèi)用十分昂貴，從而研究集料的堿活性，并制定出相應(yīng)的預(yù)防措施具有重要的科學(xué)意義與工程實(shí)際價(jià)值。在我國(guó)中西部地區(qū)，尤其是貴州省東南地區(qū)存在著分布廣泛的淺變質(zhì)巖，利用這些淺變質(zhì)巖作為混凝土的骨架材料可減低成本。然而，研究表明淺變質(zhì)巖石中普遍含有對(duì)混凝土具有極大危害性的堿活性成份[5-9]。衛(wèi)斌[5]研究表明混凝土中摻入粉煤灰可有效抑制變質(zhì)巖骨料堿骨料反應(yīng);粉煤灰摻量越大，抑制效果越顯著，并成功將變質(zhì)巖骨料混凝土應(yīng)用于高速公路、橋梁等工程。

　　李固華等人[6-8]針對(duì)板巖進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明板巖具有潛在的ASR危害，復(fù)摻30%粉煤灰和5%硅灰配制的變質(zhì)巖混凝土膨脹率較低，滿足工程使用要求，其抑制率高于75%。蔣正武等人[9]研究了變質(zhì)巖骨料的堿活性特征，結(jié)果表明變質(zhì)巖骨料含一定微晶石英成分，且具有潛在堿硅酸活性，屬慢膨脹型活性骨料，并指出應(yīng)采用快速蒸養(yǎng)法與砂漿長(zhǎng)度法對(duì)變質(zhì)巖骨料的堿活性進(jìn)行綜合評(píng)定。

　　從而，快速評(píng)價(jià)淺變質(zhì)巖的堿活性，并有效預(yù)防和控制這些天然材料作為混凝土骨料時(shí)的有害反應(yīng)及制定有效預(yù)防和抑制其發(fā)生堿骨料反應(yīng)的措施對(duì)淺變質(zhì)巖骨料的工程應(yīng)用尤為關(guān)鍵。本文針對(duì)黔東南地區(qū)淺變質(zhì)巖集料進(jìn)行堿活性研究，探究堿骨料反應(yīng)的產(chǎn)物以及發(fā)生機(jī)理，直觀分析評(píng)價(jià)試樣是否發(fā)生堿集料反應(yīng)及反應(yīng)狀態(tài)。

　　1試驗(yàn)原材料與方法

　　1.1試驗(yàn)原材料

　　本文選用原材料來(lái)自黔東南不同地區(qū)的淺變質(zhì)巖巖石試樣。試驗(yàn)水泥為P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥和貴州惠水西南有限公司生產(chǎn)的PO42.5水泥，粉煤灰選用黔東火電廠粉煤灰的Ⅱ級(jí)粉煤灰，堿含量為1.37%。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　淺變質(zhì)巖集料的基本物理力學(xué)性能均按照GB/T14685《建筑用卵石、碎石》中相關(guān)規(guī)定和步驟進(jìn)行測(cè)試[10]。按照J(rèn)TGE42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中的巖相法對(duì)所取巖石骨料進(jìn)行巖相分析[11]。

　　針對(duì)所取的巖石樣品進(jìn)行堿集料反應(yīng)試驗(yàn)，按照GB/T50733-2011《預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》中的試驗(yàn)方法的選擇要求[12]，試驗(yàn)基準(zhǔn)試驗(yàn)用水泥為P·I42.5標(biāo)準(zhǔn)水泥，利用快速砂漿棒法檢測(cè)膨脹率，該方法采用水灰比為0.47,試件成型后24h拆模并放入80士2℃的水浴養(yǎng)護(hù)箱中預(yù)養(yǎng)護(hù)，24h后測(cè)量試件基準(zhǔn)長(zhǎng)度，然后放入養(yǎng)護(hù)溫度為80士2℃、1mol/L的溶液中養(yǎng)護(hù)，試件與溶液的體積比為1：4，14d后測(cè)量試件的膨脹率[13]，表征集料的堿活性大小。

　　為探究粉煤灰對(duì)骨料堿活性的抑制作用，同時(shí)減少試驗(yàn)變量引起的誤差，更加科學(xué)的反應(yīng)粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)的抑制作用，試驗(yàn)設(shè)計(jì)粉煤灰摻量為30%，利用快速砂漿棒法檢測(cè)膨脹率，與基準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，表征粉煤灰對(duì)不同淺變質(zhì)巖集料的堿骨料反應(yīng)抑制作用。試驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡(SEM)聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像，分析材料的表面形貌，利用X射線能譜(EDS)分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分，直觀分析評(píng)價(jià)試樣是否發(fā)生堿集料反應(yīng)及反應(yīng)情況。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1淺變質(zhì)巖集料的力學(xué)性能

　　巖石抗壓強(qiáng)度的大小對(duì)其所制備的骨料的各項(xiàng)力學(xué)性能影響巨大，本文針對(duì)黔東南不同地區(qū)所取淺變質(zhì)巖巖石的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，所選巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大的離散性，S1組巖石飽和抗壓強(qiáng)度垂直方向出現(xiàn)最低值35.2MPa，S3組巖石垂直方向飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值179.6MPa，而其水平方向僅有70.9MPa。大多數(shù)巖石層理明顯，垂直方向的飽和抗壓強(qiáng)度與水平方向相比差別較大。

　　按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定[10,11]，用于骨料的巖石抗壓強(qiáng)度規(guī)定如下：在壓力垂直巖石層理方向和平行巖石層理方向兩種情況下，巖石飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度都不應(yīng)小于60MPa。從而可知，在各組巖石試樣中除S1、S11組樣品在水平層理方向出現(xiàn)不符合要求的低值外，其余各組巖石抗壓強(qiáng)度均能滿足要求，可用于制備混凝土骨料。

　　2.2淺變質(zhì)巖集料的巖相分析

　　為了更加明確的分析黔東南地區(qū)的巖石巖性，利用巖相分析方法對(duì)所選不同地區(qū)的巖石進(jìn)行巖性分析，不同地區(qū)的變質(zhì)巖巖石均含它形石英，且起膠結(jié)作用。S2組巖石主要粘土礦物呈泥晶結(jié)構(gòu)，有部分重結(jié)晶的絹云母，其中硅質(zhì)呈它形，白云石呈他形粒狀，條帶或團(tuán)塊分布。S5組巖石存在陸源碎屑溶蝕的現(xiàn)象，它形石英混雜分布于絹云母間，部分呈團(tuán)塊分布，且部分白云石呈半自形-它形。S8組巖石中存在重結(jié)晶的鱗片狀絹云母、陸源碎屑，并存在方解石填隙現(xiàn)象。

　　所選各地區(qū)巖石樣品為各類(lèi)含硅質(zhì)板巖與變質(zhì)砂巖。主要由粘土礦物、絹云母、石英、長(zhǎng)石，以及含量在5%以下的云母、白云石、方解石、各類(lèi)鐵質(zhì)、碳質(zhì)組成。各組巖石樣試樣中都不含堿碳酸鹽反應(yīng)活性礦物，均含有微晶石英，為硅酸類(lèi)巖石，含潛在堿-硅酸類(lèi)堿活性反應(yīng)，屬于慢膨脹反應(yīng)型骨料[9]。

　　2.3集料堿活性分析

　　快速砂漿棒法是判定集料堿活性的一種重要方法，且快速砂漿棒法試驗(yàn)的周期較短，對(duì)堿硅酸反應(yīng)活性的骨料敏感性高，可表征骨料的堿活性大小。對(duì)所取不同地區(qū)的淺變質(zhì)巖集料利用快速砂漿棒法進(jìn)行堿集料反應(yīng)試驗(yàn)。

　　粉煤灰對(duì)不同淺變質(zhì)巖集料的堿骨料反應(yīng)抑制作用測(cè)試結(jié)果。未經(jīng)過(guò)抑制處理的黔東南不同地區(qū)淺變質(zhì)巖集料的14d膨脹率全部超過(guò)0.1%，其中S1、S4、S5和S6組淺變質(zhì)巖集料14d膨脹率大于0.3%，表明黔東南地區(qū)的淺變質(zhì)巖骨料存在潛在明顯的堿集料反應(yīng)危害[9,12]。

　　養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)各組巖石集料的膨脹率影響普遍較明顯，試件的膨脹率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。然而，膨脹率發(fā)展與養(yǎng)護(hù)時(shí)間無(wú)明顯線性關(guān)系，S9組巖石集料0～3d時(shí)間段內(nèi)增長(zhǎng)較快，而S1組巖石集料在3～7d時(shí)間段內(nèi)增長(zhǎng)較快，但各組淺變質(zhì)巖集料10～14d的膨脹率增長(zhǎng)量相對(duì)早期均呈現(xiàn)變緩的趨勢(shì)，表明快速砂漿棒法能夠加快堿活性骨料的反應(yīng)速度，能夠較科學(xué)的評(píng)價(jià)反應(yīng)較慢的活性骨料。

　　摻入粉煤灰后的各地區(qū)巖石集料堿活性明顯降低，30%粉煤灰的抑制作用非常明顯，各組試件14d的膨脹率都未超過(guò)0.03%，這主要是由于漿體孔隙溶液的堿離子濃度由于粉煤灰的摻入而降低，從而粉煤灰的摻入可以有效降低活性骨料中的有效堿，抑制了集料發(fā)生堿骨料反應(yīng)[14,15]。然而粉煤灰對(duì)不同淺變質(zhì)巖集料的堿集料反應(yīng)抑制作用大小有明顯的差別，經(jīng)過(guò)粉煤灰抑制后的砂漿試件，膨脹率增長(zhǎng)較快的階段普遍出現(xiàn)在0～7d，而7～14d的膨脹量增長(zhǎng)很小。

　　結(jié)果表明粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)的抑制作用主要體現(xiàn)在后期，這與粉煤灰的活性密切相關(guān)，粉煤灰后期與試件中堿性成分Ca(OH)2發(fā)生二次水化，消耗了發(fā)生堿骨料反應(yīng)所需的堿含量，降低了漿體中的堿離子濃度，起到了抑制作用[16]。未摻粉煤灰的砂漿試件的表面都有凝膠產(chǎn)生，且隨著時(shí)間的延伸，砂漿試件的表面析出的凝膠增多，部分試件表面出現(xiàn)了微裂紋，表明發(fā)生了堿骨料反應(yīng)。然而摻粉煤灰的砂漿試件的表面凝膠較未摻粉煤灰抑制的砂漿棒凝膠量明顯減少甚至沒(méi)有，且砂漿試件未現(xiàn)裂紋，結(jié)果表明粉煤灰對(duì)堿骨料反應(yīng)起到了抑制作用。

　　2.4堿含量對(duì)堿集料反應(yīng)的影響

　　水泥、粉煤灰中含有一定量的自由堿，對(duì)混凝土的堿骨料反應(yīng)具有重要的影響。從而在探究集料的堿活性對(duì)混凝土堿骨料反應(yīng)的影響時(shí)，應(yīng)綜合考慮水泥、粉煤灰中的堿含量的影響。為探究水泥、粉煤灰、集料堿含量及混凝土外加劑引入的堿對(duì)堿集料反應(yīng)的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在摻粉煤灰以及未摻粉煤灰條件下，不同總堿含量對(duì)混凝土堿集料反應(yīng)的影響，利用基準(zhǔn)水泥、及摻加氫氧化鈉進(jìn)行快速砂漿棒法模擬試驗(yàn)，不同堿含量的各組砂漿試件膨脹率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

　　各組試件在14d的膨脹率均大于0.1%，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[12]，且在早期0～10d內(nèi)試件的膨脹率增加較快，后期膨脹率雖繼續(xù)增大，但增加的趨勢(shì)變緩。在堿含量為1.2%和1.4%時(shí)，兩組試件的膨脹率增長(zhǎng)與時(shí)間幾乎呈正比關(guān)系，說(shuō)明堿含量越大，堿集料反應(yīng)越快速，反應(yīng)周期越長(zhǎng)，膨脹率越大。

　　摻入粉煤灰后的各組砂漿試件膨脹率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，但隨著粉煤灰的摻量增大，明顯降低了砂漿試件的膨脹率。當(dāng)粉煤灰摻量為10%、20%時(shí)，僅當(dāng)堿含量控制在0.6%時(shí)，14d的試件膨脹率小于0.03%。堿含量為0.6%、0.8%和1.0%的砂漿試件14d的膨脹率低于0.03%，堿含量1.4%的砂漿試件的28d膨脹率為0.079%，這是由于粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)的抑制作用。

　　當(dāng)堿含量小于1.0%時(shí)，砂漿試件的膨脹發(fā)展主要集中10d以前，10d以后試件的膨脹都明顯放緩，且試件在14d時(shí)的膨脹率小于0.03%，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻量大于30%時(shí)，制備混凝土的最佳堿含量的應(yīng)控制小于1.0%。

　　2.5SEM-EDS分析

　　骨料中堿活性礦物的種類(lèi)不同，堿集料反應(yīng)分為堿-硅酸反應(yīng)(ASR)和堿-碳酸鹽反應(yīng)(ACR)，對(duì)于淺變質(zhì)巖而言，因其中SiO2含量較高，則發(fā)生堿-集料反應(yīng)多為ASR[9,17,18]。ASR本質(zhì)為活性SiO2與混凝土孔溶液中的堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理為骨料中的活性SiO2與孔溶液中的堿在骨料與水泥石界面上生成堿-硅酸凝膠，多為蜂窩狀，具有較強(qiáng)的吸水腫脹性，當(dāng)腫脹產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土的強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹開(kāi)裂破壞[19,20]。

　　從而，通過(guò)觀測(cè)骨料周?chē)�形貌，分析骨�?水泥石界面產(chǎn)物組成，可判斷是否有堿集料反應(yīng)發(fā)生。本文利用SEM-EDS分析集料-漿體界面形貌與成分，評(píng)價(jià)試樣是否發(fā)生堿集料反應(yīng)及反應(yīng)情況。試驗(yàn)選取利用快速砂漿棒法制備的14d膨脹率最大的S4和膨脹率最小的S8為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行SEM-EDS分析，S8組試件中淺變質(zhì)巖集料與水泥漿體粘接較為緊湊密實(shí)，且淺變質(zhì)巖集料表面潔凈，集料表面無(wú)蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產(chǎn)物生成，在集料與水泥漿體過(guò)渡區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)Si和Na元素富集，表明S8組試件中未發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

　　S4組試件的集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產(chǎn)物生成，且由于堿-硅酸凝膠的吸水膨脹作用使得集料表面出現(xiàn)了細(xì)裂紋，集料與水泥漿體間產(chǎn)生了裂縫，破壞了混凝土的緊密結(jié)構(gòu)。S4組試件的EDS圖譜顯示集料與水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)Na含量增大，且Si和Na元素含量明顯高于Ca元素含量，出現(xiàn)元素富集現(xiàn)象，表明在S4組試件的集料中活性SiO2與混凝土孔溶液中的堿反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠，從而表明S4組試件中已發(fā)生了堿骨料反應(yīng)。

　　2.6變質(zhì)巖骨料混凝土抑制措施分析

　　綜上所述，黔東南不同地區(qū)的淺變質(zhì)巖骨料具有潛在ASR危害，屬于慢膨脹反應(yīng)型骨料。若將淺變質(zhì)巖骨料應(yīng)用于混凝土工程時(shí)，為避免淺變質(zhì)巖骨料直接的利用而造成混凝土膨脹開(kāi)裂，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)形成嚴(yán)重威脅，需增加相應(yīng)的堿骨料反應(yīng)抑措施，針對(duì)淺變質(zhì)巖骨料的堿活性判定，應(yīng)采取多種方法(巖相分析結(jié)果結(jié)合快速砂漿棒法)來(lái)綜合判定，避免單一方法不確定性帶來(lái)的危害。

　　淺變質(zhì)巖骨料混凝土中摻入粉煤灰等礦物摻和料，優(yōu)化調(diào)控粉煤灰摻量(建議不低于30%)，可取得較為顯著的抑制效果。需針對(duì)混凝土工程的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)部位、性能要求等方面，嚴(yán)格控制淺變質(zhì)巖骨料混凝土的總堿含量，為避免因堿骨料反應(yīng)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，其堿含量應(yīng)控制在1.0%以下。當(dāng)淺變質(zhì)巖骨料混凝土應(yīng)用于實(shí)體工程，需對(duì)淺變質(zhì)巖骨料制備混凝土進(jìn)行長(zhǎng)期堿骨料反應(yīng)效果觀察與檢驗(yàn)。

　　3結(jié)論

　　本文對(duì)黔東南不同地區(qū)的淺變質(zhì)巖集料的堿活性特征及其抑制措施進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：1.黔東南地區(qū)的淺變質(zhì)巖巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度的離散性較大，巖石樣品均含有一定量的微晶石英，為硅酸類(lèi)巖石，含潛在ASR危害。

　　2.未經(jīng)抑制處理的淺變質(zhì)巖集料的14d膨脹率全部超過(guò)0.1%，快速砂漿棒法能夠較科學(xué)的表征慢膨脹型活性集料的堿活性。

　　3.粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)的抑制作用明顯，各組試件14d的膨脹率均未超過(guò)0.03%;不同堿含量的各組砂漿試件膨脹率隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，堿含量越大，堿集料反應(yīng)越快速，反應(yīng)周期越長(zhǎng)，膨脹率越大，混凝土的最佳堿含量的應(yīng)控制在小于1.0%。

　　4.具有堿骨料反應(yīng)的試件中集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產(chǎn)物生成，集料表面產(chǎn)生膨脹性的細(xì)裂紋，Si和Na元素含量明顯高于Ca元素，且出現(xiàn)元素富集現(xiàn)象。

　　5.針對(duì)淺變質(zhì)巖骨料混凝土應(yīng)用工程的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)部位、性能要求等方面，優(yōu)選礦物摻合料或抑制劑，嚴(yán)格控制堿含量，且需對(duì)淺變質(zhì)巖骨料混凝土進(jìn)行長(zhǎng)期堿骨料反應(yīng)效果觀察與檢驗(yàn)。

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