骨料碱活性检验及抑制碱骨料反应的试验研究

粉煤灰综合利用
FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATION
第34卷第3期
2020年6月
Vol.34 No.3Jun. 2020
骨料碱活性检验及抑制碱骨料反应的试验研究
Experimental Study on Alkali Activity Test and Inhibition of A lkali Aggregate Reaction
孙延飞1,2，李双喜1，陆 瑶S 陈鸿飞S 时文友1
(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052；
2.广汇房地产开发有限公司，新疆乌鲁木齐830052)
摘 要：通过岩相法、砂浆棒快速法及砂浆棒长度法对制备混凝土所用到的砂石骨料进行碱活性检验；同时研究 掺高钙粉煤灰对抑制混凝土碱骨料反应的效果。

试验结果表明：用岩相法初步判定出A1料场的粗骨料及细骨料均含有
碱活性；然后用砂浆棒快速法和砂浆棒长度法检验出A1料场粗骨料及细骨料均为碱活性骨料。

掺入20%的高钙粉煤 灰可降低骨料膨胀率，从而可有效抑制混凝土碱骨料反应。

关键词：碱活性骨料；碱骨料反应；高钙粉煤灰中图分类号：TU528
文献标识码：A 文章编号：1005-8249 ( 2020 ) 03-0072-04
SUN Yanfei 1,2, LI Shuangxi ', LU Yao ', CHEN Hongfei ', SHI Wenyou '
(1.School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;
2. Guanghui Real Estate Development Co., Ltd., Urumqi 830052, China)
Abstract: The limestone aggregate used in the preparation of concrete was tested for alkali activity by petrographic method, mortar rod rapid
method and mortar rod length method; at the same time, the effect of high calcium fly ash on the inhibition of concrete alkali aggregate reaction was studied. The test results show that the crude aggregates and fine aggregates of the A1 stockyard are initially determined to contain alkali activity by
the lithofacies method; the coarse aggregates and fine aggregates of the A1 stockyard are subsequently detected by the mortar rod rapid method and the mortar rod length method are all alkali active aggregates. Mixing 20% high calcium fly ash can reduce the expansion rate of aggregate, which
can effectively inhibit the alkali aggregate reaction of concrete.
Keywords: alkali active aggregate; alkali aggregate reaction; high calcium fly ash
0引言
骨料中的碱活性成分与混凝土原材料中的碱之 间所发生的化学反应称为碱骨料反应⑴。

其发生在
混凝土内部，反应生成物具有吸水性，进而产生自膨 胀。

随着龄期的不断延长，导致混凝土发生胀裂破
第一作者：孙延飞（1983-），男，硕士研究生，主要从事工程
项目管理工作。

通讯作者：李双喜（1978-）,男，硕士，副教授，主要从事水
利材料研究工作。

收稿日期：2019-10-14
坏，简单的维修无法使混凝土达到本来所具有的强 度，所以碱骨料反应是影响混凝土耐久性的主要因 素，被称为“癌症”⑵。

引起碱骨料反应发生的主要
条件：（1）混凝土中所用水泥、掺合料等总碱量过高；
（2）混凝土所在环境有水分的存在，提供了碱骨料
反应的必须条件;（3）采用骨料为存在碱活性的骨料。

产生碱骨料反应的必要条件是碱活性骨料的存在，因
此对骨料碱活性的检验是判定混凝土是否发生碱骨 料反应的重要一步⑶。

防止碱骨料反应发生的措施主要有降低混凝土
碱含量、不用含有碱活性的骨料以及添加掺合料等。

常用来抑制混凝土碱骨料反应的掺合料有矿渣粉、硅
灰、粉煤灰等。

加入矿物掺合料是抑制混凝土发生
孙延飞等：骨料碱活性检验及抑制碱骨料反应的试验研究2020年第3期
碱骨料反应的重要措施，它除了可以缓解和抑制碱
骨料反应外，还可以改善混凝土的其他性能，并且
对环境保护及节约资源也是有利的⑷。

因此，本文
通过掺入高钙粉煤灰来研究其对抑制混凝土碱骨料
反应的效果。

评价骨料是否具有碱活性的试验方法主要有岩
相法、化学法、砂浆棒法、砂浆棒快速法、压蒸法、
岩石柱法、混凝土棱柱体法等［5］。

本文主要通过岩
相法、砂浆棒快速法和砂浆棒长度法检验A1料场的
砂石骨料是否含有碱活性以及研究掺高钙粉煤灰对
抑制混凝土碱骨料反应的效果。

1骨料碱活性判定试验
1.1岩相法
根据混凝土设计指标，经过筛分试验，将
粗骨料（砾石）分为5mm~20mm、20mm~40mm
及40mm~80mm三个粒级，将细骨料（砂）分为
5.0mm~2.5mm、2.5mm~1.25mm、1.25mm~0.63mm、
0.63mm~0.315mm、0.315mm~0.16mm和小于0.16mm
六个粒级的颗粒。

通过肉眼观察的方法先对骨料进行判别，当不
易分辨时用锤将砾石敲碎并观察其断面，同时将种
类不同的砾石分类、编号、称重，以及计算该砾石
在各粒级骨料中所占的比例。

A1料场混凝土所用粗
骨料岩相鉴定结果见表1。

表1A1料场粗骨料岩相鉴定结果
Table1A1yard coarse aggregate lithofacies identification results
筛孔尺寸/mm
A1-1A1-2筛余通过率/%
A1-6 A1-3A1-4A1-5
40〜8012.748.1224.139.3826.1319.50 20〜4010.168.54-8.9153.668.91 5〜20 3.57-8.427.8471.287.84
岩相鉴定结果凝灰岩碳酸岩变质灰色
细粒砂岩
灰岩花岗岩大理岩
从表1可以看出，A1料场粗骨料A1-1凝灰岩、A1-2碳酸岩及A1-3变质灰色细粒砂岩初步鉴定为碱活性骨料。

细骨料通过肉眼很难判定其岩性，所以将其按照6种粒径分别进行切片取样，通过电子显微镜观察以判定其岩性，详见表2。

从表2中可看出，不同粒径的砂都是由火成岩、变质岩、沉积岩三种岩屑组成。

A1料场中不同砂样中均有碱活性成分的存在，其中可引起碱一硅酸反应、碱一硅酸盐反应、碱一碳酸盐反应的碱活性成分为火成岩屑、变质岩屑以及沉积岩屑。

表2A1料场砂岩相鉴定结果
Table2A1quarry sandstone facies identification results 砂样
编号
砂样粒径/mm岩相鉴定结果分级筛余/%
1 5.0~2.50火成岩一沉积岩16
2 2.50~1.25砂屑一火成岩一沉积岩27
3 1.25~0.63沉积岩屑-砂屑-火成岩屑20
40.63~0.315火成岩—砂屑—沉积岩24
50.315~0.16沉积岩—火成岩—砂屑11
60.16火成岩屑—沉积岩屑—砂屑2
综上所述，通过岩相法检验出的碱活性骨料只能初步判定为“可疑的碱骨料”，需通过更深层次的试验来判定其是否真的会导致混凝土发生碱骨料反应。

因此，本文通过砂浆棒长度法和砂浆棒快速法对骨料碱活性进行进一步的检验。

1.2砂浆棒快速法
1.2.1试验材料
试验所用P・O42.5的普硅水泥为新疆天山水泥厂提供，其主要化学成分见表3所示。

从表3可以得出，P・O42.5水泥含碱量；R2O=Na2O+0.658K2O）为1.02%,并未达到规范要求的（1.2±0.05）%,因此需掺入10%的NaOH溶液将其碱含量调至规范要求。

表3P-O42.5硅酸盐水泥化学成分表
Table3P-O42.5portland cement chemical composition/% ~loi SO Ag~Fe2O3c O o M^o so3r2o
1.8723.45 5.88 4.6356.22 3.89 3.380.77 1.
2.2试验方案
试验采用1:2.25的胶砂比及0.47的水胶比，根据DLT5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》制备成流动度为105mm~120mm的砂浆并浇筑成25.4mmx25.4mmx285mm的标准试件。

在标准条件下养护24h后立即脱模测量试件基准长度，测量完成后将试件放置在（80±2）七的高温条件下养护至3d、7d、14d时进行长度测量及膨胀率计算。

若试件14d的膨胀率超过0.2%，则判定该骨料具有碱活性；若膨胀率在0.1%~0.2%之间，应将龄期延长至28d 再进行长度测量及膨胀率计算。

1.2.3试验结果
试件在3d、7d、14d及28d的膨胀率见表4所示。

通过表4可以看出，14d时A1-1、A1-2及A1-砂的膨胀率均超过了0.2%。

根据DLT5151-2014《水工
混凝土砂石骨料试验规程》砂浆棒快速法的碱活性
0.1%,根据DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料判定标准可知，上述3种骨料均为具有潜在危害的
碱活性骨料。

通过大量的试验证明，在；80±2）七 温度下进行碱活性骨料鉴定时可能会将不含碱活性
的骨料判定为碱活性骨料，因此，需通过砂浆棒长 度法再次对上述 3 种骨料进行碱活性检验。

表4砂浆棒快速法在不同龄期的膨胀率
Table 4 Expansion rate of mortar rod rapid method at different ages /%
1.3砂浆棒长度法
1.3.1 试验方案
编号
3d 7d 14d 28d A1-1 4.3X10-423.6x 10皿31.3x 10皿37.8X10-4
A1-2
7.5X10-415.7x 10皿27.5x 10皿46.3X10-4A1- 砂
7.1X10-4
18.7x 10皿
34.2x 10皿
28.9X10-4
将按照砂浆棒快速法试验制备的试件放置在
（38±2）七条件下养护至30d 、90d 、180d 后测量试
件的长度。

若试件180d 的膨胀率大于0.10%，贝憔 明该骨料具有碱活性。

1.3.2 试验结果
试件在养护 龄期为 14d 、30d 、60d 、90d 、180d
时的膨胀率见表5所示。

通过表5可知，A1-1、 A1-2的砂浆试件90d 和180d 的膨胀率大于0.05%及
试验规程》中砂浆棒长度法对骨料碱活性检验的评
定标准可知，上述 3 种骨料均为碱活性骨料。

表5砂浆棒快速法在不同龄期的膨胀率
Table 5 Expansion rate of mortar rod rapid method at
different ages
/%
编号
14d 30d 60d 90d 180d
A1-1 3.9X10-2 5.7X10-27.7X10-29.3X10-211.5X10-2A1-2
3.4X10-2
4.6X10-28.1X10-29.7X10-210.8X10-2A1- 砂
3.7X10-2
5.9X10-2
8.1X10-2
9.3X10-2
11.6X10-2
综上所述，通过岩相法初步判定出A1料场的粗、 细骨料含有碱活性；后通过砂浆棒快速法和砂浆棒
长度法进一步检测出 A1 料场的粗、细骨料均含有碱
活性。

2抑制碱骨料反应试验
2.1试验材料
水泥采用新疆天山水泥厂提供的P ・II 42.5 普通硅酸盐水泥， 其碱含量未达到规范要求的
（0.9±0.1）%,需掺入10%的NaOH 溶液将其碱含
量调至规范要求，主要化学成分见表 6 所示 ；粉煤
灰采用库车电厂生产的I 级高钙粉煤灰，主要性能
指标见表 7 所示。

表6 P-H 42.5硅酸盐水泥化学成分表
Table 6 P*ll 42.5 portland cement chemical composition table
/%
项目
LOI SiO 2
AI 2O 3Fe 2O 3CaO MgO SO 3R 2O NA 2O k 2o
42.5 1.4321.62 4.77 5.2352.65
2.38/0.560.190.56“GB/T1596”
要求
W 25
W 105
W 8
W 3
W 4.0W 25
W 105
W 8
W 3
W 4.0
2.2试验方案
试验采用砂浆棒快速法，胶砂比为1：2.25,高
钙粉煤灰掺量为20%,试验具体过程见1.2.2节所示。

2.3 试验结果
掺入高钙粉煤灰后试件不同龄期的膨胀率变化
见表 7 所示。

表7掺高钙粉煤灰后不同龄期试件膨胀率
Table 7
Expansion rate of specimens at different ages after mixing
with high calcium fly ash /%
编号
3d 7d 14d 28d
A1-1 6.9X10-211.7X10-2
14.7X10-215.3X10-2
A1-2
2.7X10-2 5.1X10-2 6.7X10-2
8.7X10-2A1- 砂 5.0X10-2
8.6X10-2
10.0X10-2
11.3X10-2
从表7中可以看出，当掺入20%高钙粉煤灰后,
试件A-1、A1-2、A1-砂的14d 膨胀率均小于0.2%, 并且28d 膨胀率也未超过0.2%。

因此表明高钙粉煤
灰对于抑制碱骨料反应有着显著的效果。

分析其原
因，主要有以下几个方面 ：
（1）由于粉煤灰的细度与其特殊的不规则形状， 使其具有较高的吸附能力。

将其掺入混凝土中吸附
了孔溶液中的Na +、OH -和K +,并与之反应，使液相 环境中的碱浓度减小，同时在粉煤灰表面产生牢固
的化学结合力，切断了有害离子向活性骨料表面移
动的途径，减小了发生碱骨料反应的机会与危害⑹。

有研究显示⑺，IK +、Na +和OH -离子在C-S-H 中的
含量与C-S-H 的钙硅比有关，减少C-S-H 的钙硅比，
可增加C-S-H 中IK +、Na +和OH -的含量，降低其孔 溶液中的含量，进而削弱混凝土发生碱骨料反应的
能力。

（下转第84页）
摩擦角随水泥剂量提高呈线性增长，3%石灰剂量改良土黏聚力与水泥剂量线性相关。

各级水泥剂量改良土冻融10次后黏聚力平均降低了39%、32%、33%、33%,内摩擦角分别平均降低了19%、15%、15%、13%。

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(上接第74页)
(2)碱含量过高是导致混凝土发生碱骨料反应的主要原因。

混凝土中的碱可分为总碱、无害碱和水溶性碱⑻。

其中水溶性碱是导致混凝土发生碱骨料反应的“罪魁祸首”。

将粉煤灰掺入混凝土，实际上是减小了混凝土液相环境中碱性成分的含量，使其发生碱骨料反应的概率减小。

3结论
(1)用岩相法初步判断出A1料场的粗骨料凝灰岩(A1-1)、碳酸岩(A1-2)及变色灰质细粒砂岩(A1-3、和细骨料A1-砂均为可疑碱活性骨料;
(2)用砂浆棒快速法得出凝灰岩(A1-1)、碳酸岩(A1-2)及A1-砂试件14d的膨胀率均超过了0.2%,均为碱活性骨料。

但该方法由于温度的原因存在试验误差，因此使用砂浆棒长度法对上述3种骨料再次进行检验；
(3)通过砂浆棒长度法得出凝灰岩(A1-1)、碳酸岩；A1-2)砂浆棒试件90d和180d的膨胀率分别大于0.05%及0.1%，均为碱活性骨料;
(4)掺20%的高钙粉煤灰后，采用砂浆棒快速法测出试件14d的膨胀率均未超过0.2%的规定值,得出高钙粉煤灰对于抑制碱骨料应有着显著的效果。

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