某隧道洞渣骨料碱活性评定及抑制技术

万桂军，穆松，谢德擎，张诚， 刘凯

(1.中海建筑有限公司，广东 深圳 518000；2.高性能土木工程材料国家重点实验室 江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210003)

0 引言

贵州某在建高速公路工程隧道占比40%以上，将产生数十万吨洞渣，通常情况下，隧道洞渣经过再加工处理，可以应用在公路水稳层、隧道明洞、仰拱回填等结构部位中。 然而，第三方检测机构通过岩相分析发现该工程隧道洞渣存在潜在碱-硅酸反应危害。 该工程目前只能从周边采购无碱-硅酸活性的优质骨料，大量洞渣露天堆积造成环境污染与资源浪费，远距离运输导致成本增大、同时对途经道路造成较大破坏。

选用砂浆棒快速法开展实验， 评定该工程隧道洞渣骨料的碱-硅酸活性等级并研究对应的抑制技术，在抑制技术方面，研究单掺粉煤灰以及共同使用粉煤灰与纳米防腐剂的效果。

1 试验

1.1 原材料

水泥采用P·I 42.5 硅酸盐水泥（基准水泥），比表 面 积 为347 m2/kg，3 d、28 d 抗 压 强 度 分 别 为29.9 MPa、48.1 MPa；粉煤灰采用工程现场使用的II级粉煤灰，细度为18.5%，需水量比为98.6%，烧失量为8.0%。 水泥与粉煤灰的化学组成如表1 所示，由表1 可知，基准水泥与粉煤灰的有效碱含量分别为0.446%与3.06%， 基准水泥中有效碱含量小于0.6%，属于低碱水泥。

表1 水泥与粉煤灰的化学组成

纳米防腐剂（简称RMA）采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的一种高性能混凝土耐腐蚀外加剂。 细骨料采用该工程某隧道洞渣破碎制成的机制砂。 氢氧化钠试剂为分析纯。

1.2 配合比

本试验共设计了六个配比，具体如表2 所示。

表2 试验用配合比信息

1.3 试验方法

1.3.1 骨料碱-硅酸反应活性等级与碱-硅酸反应抑制有效性试验

使用砂浆棒快速法测试骨料碱-硅酸反应活性等级与评价抑制碱-硅酸反应有效性，步骤如下：①按照表2 中所示配比拌和砂浆，装入两端埋有铜头的砂浆棒试模，砂浆棒尺寸为25 mm×25 mm×280 mm；②养护（24±2） h 后脱模，立即测量试件的初始长度，作为测读基准长度的参照值， 之后将试件浸泡在（80±2） ℃的恒温水浴箱中24 h；③从80 ℃水浴箱中取出试件，测量其基准长度，之后将试件浸没于1 mol/L NaOH 溶液的养护箱中， 并保持溶液温度为（80±2） ℃；④自基准长度测试之日起，于第3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 分别测量砂浆棒的长度，并按式（1）计算试件的膨胀率：

式中：εt—试件在t 天龄期的膨胀率，%；Lt—试件t天龄期的长度，mm；L0—试件基准长度，mm；△—膨胀测头的长度，mm。

碱-硅酸反应活性等级的判据为：若ε14＜0.1%，则骨料为非活性骨料；若0.1%≤ε14＜0.15%，则骨料为低活性碱-硅酸骨料；若0.15%≤ε14＜0.3%，则骨料为中活性碱-硅酸骨料；若ε14≥0.3%，则骨料为高活性碱-硅酸骨料。

抑制措施对集料碱-硅酸反应抑制效果的判据为：当ε28＜0.1%时，该抑制措施对集料碱-硅酸反应抑制效果评定为有效；否则，无效。

1.3.2 孔溶液中碱金属离子浓度测试

去除表2 配合比中的砂含量， 成型尺寸为（45±0.5）mm×（850～1 000）mm 的净浆试块， 在相对湿度＞95%、温度为（20±2）℃条件下养护28 d，利用水泥材料孔溶液提取仪提取净浆试块中的孔溶液，最后利用ICP 等离子光谱仪测试孔溶液的钠与钾离子含量，并换算出有效碱含量。

2 结果与讨论

2.1 洞渣机制砂碱活性等级

图1 显示由该工程某隧道洞渣机制砂制成的砂浆棒，在80 ℃1mol/L NaOH 溶液中浸泡14 d 的膨胀率发展曲线，14 d 膨胀率为0.350%， 判定该隧道洞渣机制砂属于高活性碱-硅酸骨料。 进一步计算可知，0～7 d 与7～14 d 内膨胀率增速均值分别为3.0×10-4/d 与2.0×10-4/d，后者降低了50%，由此可知基准组早期膨胀率发展较快，后期发展过程放缓。

图1 基准组砂浆棒膨胀率的发展曲线

2.2 粉煤灰与纳米防腐剂的抑制效果

图2 显示了基准组及不同掺量粉煤灰 （10%、20%、30%）， 各组砂浆棒在80 ℃1mol/L NaOH 中的膨胀率发展过程，由图2 可知：①当粉煤灰掺量为10%与20%时，28 d 膨胀率分别为0.345%、0.162%，测试值大于0.1%，抑制骨料碱-硅酸反应无效； ②当粉煤灰掺量为30%时，28 d 膨胀率为0.063%，测试值小于0.1%，抑制骨料碱-硅酸反应有效，但保证率较低；③粉煤灰的掺量越大，砂浆棒28 d 的膨胀率越小， 提高粉煤灰掺量在一定程度上能抑制骨料碱-硅酸反应。

图2 基准组及粉煤灰掺量对膨胀率的影响

图3 则显示掺30%粉煤灰、“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”对应砂浆棒的膨胀率发展历程，28 d 膨胀率分别0.063%、0.044%与0.018%。这三种技术均可有效抑制碱骨料反应。相较于单掺30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA” 的28 d 膨胀率分别降低了30.2%与71.4%。 进一步计算可知：掺30%粉煤灰、“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”时，砂浆棒在14~28 d 内的膨胀率增速均值分别为0.39×10-4/d、0.25×10-4/d 与0.14×10-4/d；相较于单掺30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”砂浆棒在14~28 d 内的膨胀率增速均值分别降低了36.0%与64.9%。 相较于单掺30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”抑制碱硅酸反应的保证率更高。

图3 纳米防腐剂对膨胀率的影响

2.3 纳米防腐剂的抑制机理分析

利用水泥材料孔溶液提取仪提取净浆试块中的孔溶液，采用荷载控制10 kN/s，设定最大荷载为1 000 kN。利用ICP 等离子光谱仪测试孔溶液的钠与钾离子含量，并换算出有效碱含量，结果如图4所示。 由图4 可知：①相较于基准组，单掺30%粉煤灰时，孔溶液中有效碱含量可降低41.0%；②采用“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA” 时， 孔溶液中有效碱含量可降低58.3%与66.4%，降幅进一步增大。 采用“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”可有效吸附固化混凝土中的碱金属离子，使得孔溶液中有效碱含量降低，削弱碱硅酸反应的速率，降低整体的膨胀幅度与开裂风险。

图4 孔溶液中有效碱含量

3 结论

（1）利用该工程隧道洞渣制备的砂浆棒在80 ℃1mol/L NaOH 溶液中浸泡14 d 的膨胀率为0.350%，试件表面出现大量白色胶体，具备典型的碱-硅酸反应特征， 该洞渣机制砂为高活性碱-硅酸骨料。

（2）当粉煤灰掺量达30%时，抑制骨料碱-硅酸反应方有效，但保证率较低；掺入10%的纳米防腐剂可提升碱-硅酸反应抑制效果， 相较于单掺30%粉煤灰，“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”的保证率可提升约30%与70%。

（3）孔溶液分析结果显示，采用“20%粉煤灰+10%RMA”与“30%粉煤灰+10%RMA”可有效吸附固化混凝土中的碱金属离子，使得孔溶液中有效碱含量降低，削弱碱骨料反应的速率，降低整体的膨胀幅度与开裂风险。