水泥和骨料化學成分對堿骨料活性影響的試驗研究

胡強圣，張 平，劉志龍，朱正貴

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，安徽 安慶 246003；2.中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

堿骨料反應(yīng)在國內(nèi)[1]、國外[2]的工程中都有發(fā)生，越來越受到國內(nèi)外專家和學者的重視。學者們分別從混凝土外觀表現(xiàn)[3]、機理[4]等方面，對水利水電[5-7]、火力發(fā)電[2]、預(yù)制構(gòu)件[8]等工程的堿骨料反應(yīng)進行了深入研究，獲得了重要的研究成果，并提出了降低堿骨料反應(yīng)風險的工程措施[9-10]，供實際工程參考。

通常具有活性堿和水兩個條件就能發(fā)生堿骨料反應(yīng)，其中活性堿可以來自水泥、摻和料、外加劑和骨料，所以應(yīng)限定混凝土堿的總量不大于2.5 kg/m3。從大量的工程試驗數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，堿骨料活性不僅與混凝土的堿有關(guān)，還與水泥和骨料的化學成分有一定的關(guān)系。

1 水泥化學成分不同對混凝土堿骨料反應(yīng)的影響

1.1 水泥

試驗按照總堿質(zhì)量分數(shù)的不同，選取5種不同品種的水泥：2種為中熱水泥，3種為普通硅酸鹽水泥。水泥的化學成分如表1所示(其中：當量堿質(zhì)量分數(shù)Na2Oeq=Na2O+0.658K2O[11],LOI表示燒失量) 。

1.2 骨料

試驗按照文獻[12]規(guī)定的方法，將某種碎石骨料破碎,砂料顆粒級配如表2所示。

表1水泥化學成分分析結(jié)果
Table1Analysis results of chemical composition of cement %

水泥編號Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOFe2O3LOINa2OeqC10.143.663.1822.320.4563.314.540.340.44C20.181.956.0121.770.6460.033.922.610.60C30.251.697.6025.100.6955.353.033.670.70C40.283.845.7321.360.8862.342.641.270.86C50.453.015.9223.970.8354.803.474.551.00

表2砂料級配比例表
Table2The schedule of proportion of sand grading

篩孔尺寸/mm分級質(zhì)量比/% 5～2.510 2.5～1.2525 1.25～0.6325 0.63～0.31525 0.315～0.1615

1.3 試驗方法

采用化學成分如表1所示的水泥和表2中的細骨料級配，按照文獻[12]規(guī)定的配合比制備砂漿棒。砂漿試件成型后，放入養(yǎng)護室養(yǎng)護(24±2) h后拆模，并在(20±2) ℃的恒溫室中測量試件的原始讀數(shù)。然后將試件浸泡在裝有自來水的聚丙烯塑料筒中，蓋上塑料蓋使筒密封，將塑料筒放入溫度為(80±2) ℃的恒溫水浴箱中恒溫24 h后，將試件取出擦干，在恒溫室中測量試件的基準長度，試件從擦干到測量完畢應(yīng)在(15±5) s內(nèi)完成。試件測量完后，浸泡在裝有1 mol/L NaOH溶液的塑料筒中，NaOH溶液淹沒試件，再將塑料蓋蓋好，放入(80±2) ℃的恒溫水浴箱中，觀測3 d、7 d、14 d的砂漿棒試件膨脹率。

1.4 試驗結(jié)果及分析

3 d、7 d、14 d的砂漿棒試件膨脹率如表3所示。

表3不同堿質(zhì)量分數(shù)水泥快速砂漿棒法試驗結(jié)果
Table3Test results of accelerated mortar bar test for cement with different alkali content %

編號水泥堿質(zhì)量分數(shù)各齡期膨脹率3d7d14dC10.440.0150.0250.057C20.600.0150.0220.087C30.700.0080.0140.029C40.860.0120.0300.142C51.000.0060.0130.046

水泥中堿質(zhì)量分數(shù)、MgO質(zhì)量分數(shù)、SiO2質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹的關(guān)系如圖1～圖3所示。從圖1中可以看出，隨著水泥中當量堿質(zhì)量分數(shù)的增加，砂漿的膨脹率總體呈增加的趨勢；從圖2中可以看出，隨著水泥中MgO質(zhì)量分數(shù)的增加，砂漿棒的膨脹率是逐漸增加，3 d齡期膨脹率區(qū)別不明顯，到了7 d和14 d齡期，增加趨勢明顯；從圖3中可以看出，隨著水泥中SiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，砂漿棒的膨脹率是逐漸減少的，特別到了14 d的時候，下降趨勢顯著。

圖1 水泥中堿質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系Fig 1 Relationship between alkali content in cement and expansion rate of mortar bar

圖2 水泥中MgO質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系Fig 2 Relationship between MgO content in cement and expansion rate of mortar bar

圖3 水泥中SiO2質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系圖Fig 3 Relationship between SiO2 content in cement and expansion rate of mortar bar

由于試驗過程在高溫(80±2) ℃、強堿(1 mol/L)環(huán)境中進行，水泥中堿、MgO可能參與了反應(yīng)，因此砂漿棒呈現(xiàn)了膨脹的趨勢；在高溫(80±2) ℃環(huán)境下，水泥中SiO2質(zhì)量分數(shù)越高，水泥漿體生成的膠凝材料越多，增強了砂漿抵抗強堿環(huán)境的能力，所以砂漿的膨脹率逐漸減少。

2 不同的骨料對堿骨料反應(yīng)的影響

2.1 骨料

試驗采用的骨料從工地中采取，對骨料的化學成分進行分析，并按照骨料的當量堿質(zhì)量分數(shù)進行排序，如表4所示。

表4巖石化學成分分析結(jié)果
Table4Analysis results of chemical composition of rocks %

編號SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOSO3K2ONa2ONa2OeqLOIG136.336.7614.6219.857.320.040.322.182.395.6G247.929.7214.0612.984.640.11.322.133.002.74G357.953.6411.4610.014.380.022.012.193.514.51G447.908.991513.123.950.051.22.933.711.69G548.448.9214.3713.23.970.071.232.923.731.77G650.974.0113.7513.975.740.031.333.284.163.71G743.597.0214.1814.646.160.040.454.274.574.05G847.185.1915.2413.424.80.041.433.664.64.97G944.967.8515.8913.15.320.051.343.824.72.53G1048.038.512.6211.414.220.031.114.55.234.73

2.2 試驗結(jié)果及分析

采用同一種中熱硅酸鹽水泥，水泥當量堿質(zhì)量分數(shù)為0.44%(表1中水泥編號為C1)，試驗方法與前述相同，觀測7 d、14 d、28 d砂漿棒試件膨脹率，試驗結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 骨料中當量堿質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系Fig 4 Relationship between equivalent alkali content in aggregate and expansion rate of mortar bar

從試驗結(jié)果可以看出，隨著骨料中當量堿質(zhì)量分數(shù)的增加，膨脹率總體上是增加的趨勢，但趨勢不明顯；隨著骨料中SiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，膨脹率總體上是降低的，與水泥中SiO2質(zhì)量分數(shù)對砂漿膨脹率的影響作用相似；隨著骨料中MgO質(zhì)量分數(shù)的增加，砂漿膨脹率總體趨勢是降低的，與水泥中MgO質(zhì)量分數(shù)的影響趨勢相比較弱。

圖5 骨料中SiO2質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系Fig 5 Relationship between SiO2 content in aggregate and expansion rate of mortar bar

究其原因，筆者認為，骨料中的化學成分在高溫、強堿環(huán)境中可能更難參與反應(yīng)，因此總體上趨勢不明顯。隨著堿質(zhì)量分數(shù)、SiO2質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率增加，說明參與堿硅酸反應(yīng)的硅質(zhì)更可能是來自于骨料本身，而不是水泥的水化產(chǎn)物；隨著骨料中MgO質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率呈現(xiàn)了下降的趨勢，表明骨料中MgO參與反應(yīng)的可能較小。

圖6 骨料中MgO質(zhì)量分數(shù)與砂漿棒膨脹率關(guān)系Fig 6 Relationship between MgO content in aggregate and expansion rate of mortar bar

3 結(jié)論

(1)采用快速砂漿棒法測試骨料的堿活性時，各齡期的趨勢一致。

(2)采用不同種水泥與同一種骨料進行堿活性試驗時，隨著水泥中堿質(zhì)量分數(shù)、MgO質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率增加，隨著水泥中SiO2質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率降低。

(3) 采用不同種骨料與同一種水泥進行堿活性試驗時，隨著骨料中堿質(zhì)量分數(shù)、SiO2質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率增加，隨著骨料中MgO質(zhì)量分數(shù)增加，砂漿膨脹率總體降低。