【毕业学位论文】（Word原稿）多元化掺和料对混凝土碱骨料反应的抑制效果及影响规律-建筑工程

论 文 摘 要 本文进行了粉煤灰、矿粉和硅灰单掺、双掺及三掺对混凝土碱硅酸反应的抑制效果研究，分别采用快速砂浆棒法和小砂浆棒快速法对三掺砂浆配合比进行了对比验证试验。试验结果表明，单掺 15%煤灰或者矿粉对混凝土碱硅酸反应具有明显抑制效果，抑制率在 间，掺量越高，抑制效果越好。总掺量为 30%双掺或三掺矿物掺合料对 制效果也很明显， 间，且三掺抑制效果略好于单掺和双掺。快速砂浆棒法与小砂浆棒快速法试验结果具有较好的一致性。 关键词 ：矿物掺合料；碱硅酸反应；膨胀；抑制 I he on of SR by as od in It 5%or of It SR by or 0% 0%, of by by od 录 摘 要 . I 引 言 . 录 . 、绪论 . 1 反应 ( 理 1 . 1 制 几种措施 . 1 前研究中存在的主要问题 . 2 文研究内容 . 3 2、原材料 . 4 3、试验方法 . 5 速砂浆棒法 . 5 要仪器设备 . 5 用材料 . 6 验步骤 . 6 果 计算 . 6 砂浆棒法 (压蒸法 ) . 7 要仪器设备 . 7 料 . 7 验步骤 . 8 果结算 . 8 4、碱骨料反应抑制试验 . 9 验方案 . 9 验结果及分析 . 10 掺抑制效果 . 16 掺抑制效果 . 18 掺抑制效果 . 19 速砂浆棒法与压蒸法试验的相关性 . 20 结束语 . 17 致 谢 . 18 参考文献 . 19 I 引 言 碱集料反应 ( 影响 混凝土 耐久性下降的重要原因之一。 当混 凝土结构发生碱骨料反应的时候 ,这个破坏过程是很难被遏止的 ，混凝土结构将发生破坏直至最后失效 ， 因此 ， 碱骨料反应也被称之为混凝土的 “ 癌症 ” 。 碱骨料反应是一个发生在一些确定的骨料和水泥中的碱之间的一个化学反应 。 碱一般都来自于波特兰水泥 ， 但也可以从混凝土中的其他组成和环境中获得 ，在一些条件下 ， 反应的产物能够膨胀和产生内应力 ， 如果足够大就可能导致混凝土开裂 ， 换句话说 ， 如果在混凝土中有足够多的活性骨料 ， 碱和潮湿的环境 ， 混凝土就有可能会膨胀和开裂 ， 从而影响混凝土的工作性和耐久性 。 由碱骨料反应而引起的混凝土的破坏通常都是 比较慢的 ， 但这个破坏过程是逐步递进的 ， 一般由于碱骨料反应而引起比较明显的开裂是在混凝土使用 5 ， 裂缝会使有侵害性的水 ， 空气和离子更加容易进入混凝土的内部 ， 从而引起其他的破坏现象而导致结构耐久性的降低 。 所以碱骨料反应是一个严重的破坏现象 ， 必须控制其最小发生的可能性 。 碱硅酸反应 (作为最主要和最普遍的 型，半个世纪以来已在世界范围内造成了混凝土工程的破坏和巨大经济损失。 、 绪论 反应 ( 理 1 碱 反应进行的 ， 反应的产物是一种复杂的碱 这种凝胶包围着混凝土中的骨料 ， 当它吸收了混凝土中空隙内的水后就会立刻膨胀 。 膨胀后的体积比先前的体积大很多 ， 体积的改变就会引起内应力从而导致混凝土的开裂 。 化学反应方程式如下 : 2 2 2 2 22 ( 1 )S i O n H O R O H R S i O n H O (1) 图 1 混凝土结构碱骨料反应破坏实例 图 2 应物 微 观放大图 制 几种措施 发生碱骨料反应需要具有三个条件 ： 首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。 碱骨料反应的预防方法 ： 碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨 胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。这种裂缝 对工程的损害随着碱骨料反应的发展而发展，严重时会使工程崩溃。有人试图用阻挡水分来源 的方法控制碱骨料反应的发展，例如日本从大孤到神户的高速公路松原段陆地立交桥，桥墩和梁发生大面积碱骨料反应开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂，注射后又将整个梁、桥墩表面全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分和湿空 2 气进入的方法控制碱骨料反应的进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。主要有以下几种措施。 1、控制水泥含碱量 自 1941 年美国提出水泥含量低于 气化钠当量（即 预防发生碱骨料反应的安 全界限以来，虽然对有些地区的骨料在水泥含量低于 仍可发生碱骨料反应对工程的损害，但在一般情况下，水泥含量低于 为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受，已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。许多国家如新西兰、英国、日本等国内大部分水泥厂均生产含碱量低于 水泥。加拿大铁路局则规定，不 论 是否使用活性骨料，铁路工程混凝土一律使用含碱量低于 低碱水泥。 2、控制混凝土中含碱量 由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从骨料（例如海砂 ）中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。对此，南非曾规定每 立方米 混凝土中总碱量不得超过 国提出以每 立方米 混凝土全部原材料总碱量（ 量）不超过 3为许多国家所接受。 3、对骨料选择使用 如果混凝土含碱量低于 3kg/以不做骨料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于 3kg/应对骨料进行活性检测，如经检测为活性骨料，则不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定的比例混合使用。 4、掺混合材 掺某些 活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料，掺 10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应，据悉冰岛自 1979 年以来，一直在生产水泥时掺 5% 灰，以预防碱骨料反应对工程的损害。另外掺粉煤灰也很有效，粉煤灰的含碱量不同，经试验，即使含碱量高的粉煤灰，如果取代 30%的水泥，也可有效地掏碱骨料反应。另外常用的抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于 50%才能有效地抑制碱骨料反应对工程的损害，现大美、英、德诸国对高炉矿渣的推荐掺量均为 50%以上。 2004 年南京水利科学研究院针对绍兴曹娥江大闸工程 ， 研究了矿物掺和料抑制碱料反应效果，研究结果 表明：掺加火山灰材料可以有效降低 生的膨胀 ， 起到抑制 果 ， 其效果比采用低碱水泥好。其中，大掺量磨细矿渣 (65%)以减少有害膨胀 75%以上 2。 5、隔绝水和湿空气的来源 如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。 1 前 研究中存在的主要问题 使用低碱水泥和非活性骨料、使用矿物质混合材及锂盐等物理和化学的方法等虽然可以预防碱骨料反应，但是低碱水泥和非活性骨料的使用要 受到 资源的限制，金属锂的化合物成本太高。使用掺合料和外加剂可以有效抑制碱骨料反应造成的膨胀，但是其效果受到诸多因素的影响 3。 现有检验集料碱活性的实验室方法有岩相法、化学法、各种砂浆棒法和混凝土棱柱体法 (。岩相鉴定结果对其后选择合适的检测方法有重要指导作用，该法一直作为集料碱活性鉴定的首选方法但岩相法对操作者的技术和经验要求较高且得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系，判定结果通常只能作为参考而不能作为拒绝集料的依据。化学法由于误差很大，重复性差，仅能适用于某些特定类型的集料，而且和其他快速法相比并 无明显优越性，加拿大标准协会 (国际材料与建筑构造研究试验所联合会 (消了化学法。和化学法相比，各种砂浆棒法和混凝土棱柱体法以测量试体膨胀为依据、结果直观，是实验室使用最广泛的集料碱活性检测方法。国外大量研究结果表明 现场混凝土结果最为吻合，被认为是最可靠的集料碱活性检。但由于 时长（需要年）不能满足大多数工程需要，因此，常作为检验快速法的基准和用于集料碱活性的最终判定 4。 我国南京化工学院唐 明述教授等人在 1983 年提出了小砂浆棒快速法，法国将此方法改进后列入了该国的国家标准 18本等国也在使用。另一种方法是以南非建筑研究所 ( 1986 年首先提出的砂浆棒快速法，美国 1994 年已将其列为正式标准，日本、加拿大等也将其列入了该国的标准， 印度、澳大利亚等一些国家也在使用。 我国南京化工学院唐明述教授等人在 1983 年提出了小砂浆棒快速法，法国将此方法改进后列入了该国的国家标准 18本等国也在使用。另一 种方法是以南非建筑研究所 ( 1986年首先提出的砂浆棒快速法，美国 1994 年已将其列为正式标准，日本、加拿大等也将其列入了该国的标准，印度、澳大利亚等一些国家也在使用。 小棒快速法的特点，一是工作量小，操作简便 ,试验周期短，能够很快对骨料的活性做出判断，可以广泛用来筛选骨料。二是该方法用碱量 (超高碱水泥和浸高碱液中反应 )超常规的增大，又采取高温 与实际混凝土工程的关系尚缺乏论证。如果用快速法评定的骨料是 2 非活性的 ， 那骨 料绝对是安全的，不会产生碱 国内有些研究者认为，小棒快速法虽不会漏判，却有可能错判。 对碱活性较大的骨料，砂浆长度法和快速法均有较好的相关性，试验结果也趋于一致。但对某些活性不大或缓慢反应的骨料两种方法会得出不一致的结果，并导致误判的发生 (如英国燧石骨料 )，有大量的资料证明两种方法的不一致性。部分研究者认为在这种情况下，应以砂浆长度法的膨胀率作为最终判断的依据 5。 文研究内容 进行单掺粉煤灰、矿渣、 硅灰，双掺粉煤灰和硅灰、双 掺粉煤灰和矿渣、双掺矿渣和硅灰，三掺粉煤灰、矿渣和 硅灰混凝土碱骨 料反应的试验，研究多元化掺和料对混凝土碱骨料反应的抑制效果及影响规律。 首先采用快速砂浆棒法进行碱硅酸反应试验，优化出膨胀率较低的配合比，用小砂浆棒法进行比较论证试验。找出 不同试验方法测量结果的相关性 。 3 2、 原材料 水泥：南京金宁羊 P 含量 粉煤灰：南京华能 I 级粉煤灰，碱含量 上海宝田 灰， 矿粉：上海宝田 ，碱含量 硅灰：贵州海天，碱含量 石英： 连云港东海熔融石英 ， 量 图 3 破碎后的石英颗粒 4 3、 试验方法 速砂浆棒法 参照 227 和 5151法进行。 要仪器设备 试模及测 头，规格为 25 25 280护箱， 能控制 温度为 20 士 3 ,湿度 95%；恒温水浴箱，温度能控制在 38 2。 测长 仪，测量范围280度 6 用材料 P I、 粉煤灰；矿粉， 矿粉，活性 粉；集料，石英砂；试剂， 1 液。 验步骤 制备砂浆，试件成型完毕后，连模一起放人温度为 20 3 ，湿度 95%以上的养护室中或养护箱中，养护 24h 2h 后，脱模 。 将试件完全浸泡在装有自来水的密封的养护筒中，将养护筒放人温度保持在 温度为 38，湿度为 100%溶的恒温水浴箱中恒温 24h(一个筒为同一组试件 )。 一组试件测量完后，立即装人装满水溶液中的养护筒中，试件应完全浸泡在溶液中，盖好养护筒盖 子，使之密封，再将养护筒放入温度为 38的恒温水浴中。 加碱将混凝土碱含量调整到 按 227 方法成型，水灰比为 砂比为 寸为 2525280湿度 100%，温度为 38条件下养护，分别测量其 1d 3d 7d 14d 28d 长度。 图 3 测长 仪 果计算 试件的膨胀率 按以下公式计算 100100%2 (1) 式中： t 天龄期的膨胀率 ,%； 试件在 t 天龄期的长度 , 试件的基准长度 , 8 试件 28d 膨胀率降低率 a 表示掺合料对混凝土碱骨料反应抑制效果 ，计算 公式如下 ： 100%基 准 掺 合 料基 准(2) 式中： 基准%； 掺 合 料 %。 砂浆棒法 (压蒸法 ) 在砂浆长度法的基础上，参照 压蒸法（ 3）进行比较和验证试验。 要 仪器设备 金属试模，尺寸为 101040图 4 所示 ；潮湿养护箱，湿度 85%以上；快速碱活性测定仪；不锈钢蒸养箱或蒸养锅与调温电炉；反应器（蒸压釜） ；测长仪。 图 4 压蒸法 金属试模 料 PI 级粉煤灰， 矿粉，活性 粉， 英砂 ，液。 7 验步骤 按一定比例成型试样，在室温下养护 24 2h，然后测量试件基长 试件分离地放置在蒸养箱内，在 100 下蒸养 4h 3蒸养过程中试件不得浸入水中。 经蒸养并冷却后的试件插在反应器架上 ，将试件浸入水中， 密封容器在 150 2 下保温 360 5不含升温时间 ）。 压蒸结束后将反应器取出 ， 用水将高温反应器冲冷至 40 左右 ， 方可打开反应器 ， 将试件冲洗干净 ，擦干 ， 并用湿布盖好室温放置 60 10试验中不可用 10%液作为环境溶液，如果将混凝土放入 10%液中养护，活性骨料所接触的碱浓度过高且基本不变，对于检验掺合料对于碱骨料抑制反应，其条件过于苛刻，膨胀率差别不明显。该方法将碱含量调整到 因为掺合料本来具有一定碱含量，计算得出不足的碱量，在制备砂浆时可用 1 液补充不足的碱量进行调整）。 果结算 压蒸后测定的为最终长度 方向时方向必须和前面相同。试件膨胀率按如下公式计算： 21 1004 0 2(3) 式中 : %)； 试 件 基准长度 ( 试件 基准长度 ( L 侧头埋入浆体长度 ( 以每组六个试体平均值作为该组试件的膨胀值 。 按公式 2 计算掺掺合料砂浆和基准砂浆的膨胀率降低率。 9 4、 碱骨料反应抑制 试验 验方案 第一阶段进行单掺粉煤灰 、 矿粉和硅灰的试验， 表只掺水泥。 50 和 别 代表 I 级粉煤灰掺量为 15%、 25%、 50%和 粉煤灰掺量为25%。 别代表 矿粉掺量为 15%、 25%和 45%。 %、 15%和 25%。 第二阶段进行粉煤灰 、矿粉、硅灰的混合双掺试验， 表粉煤灰掺量为 15%且矿粉掺量为 15%， 以此 类推。 第三阶段进行三掺粉煤灰 、矿粉和硅灰的试验， 表粉煤灰、矿粉和硅灰的掺量分别为 10%、 20%和 10%， 以此 类推。 第四阶段按第三阶段配合比进行 快速 小砂浆棒法的 对比 试验。 配合比列于表1 中。 11 表 1 砂浆配合比 注：若砂浆拌合物流动性较差，可酌量加入外加剂调整 验结果及分析 各组砂浆的 1d、 3d、 7d、 14d 和 28d 膨胀率和膨胀率的降低率 (简称抑制率 )列于表 2 中。 编号 水泥 (g) 粉煤灰 (g) 矿粉 (g) 硅灰 (g) 石英 (g) 水 (g) 00 0 0 0 900 188 40 60 0 0 900 188 00 100 0 0 900 188 00 200 0 0 900 188 00 100( ) 0 0 900 188 40 0 60 0 900 188 00 0 100 0 900 188 20 0 180 0 900 188 80 0 0 20 900 188 40 0 0 60 900 188 00 0 0 100 900 188 80 60 60 0 900 188 80 0 60 60 900 188 40 80 80 0 900 188 40 40 120 0 900 188 40 120 0 40 900 188 40 0 120 40 900 188 00 140 60 0 900 188 00 0 140 60 900 188 80 40 40 40 900 188 40 40 80 40 900 188 00 40 120 40 900 188 40 80 40 40 900 188 00 80 80 40 900 188 00 120 40 40 900 188 80 40 40 40 900 188 10 表 2 砂浆棒各龄期膨胀率 和 28d 膨胀率的降低率 结果 编号 1d 3d 7d 14d 21d 28d 抑制率 .9 0 1010353510表 3 快速小砂浆棒法试验结果 编号 28d 快 速砂浆棒法膨胀率 (%) 28d 快速砂浆棒法抑制率 (%) 小砂浆棒快速法膨胀率 (%) 小砂浆棒快速法抑制率 (%) 101020203011 掺 抑制效果 (1)粉煤灰的影响 基准砂浆膨胀率为 掺入 15% 50%粉煤灰膨胀率降低到 下。 其中，掺入 15%粉煤灰 28d 抑制效果达到 掺入 25%粉煤灰抑制效果达到 掺入 50%粉煤灰抑制效果达到 掺入 25%粉煤灰抑制效果 也 能达到 结果表明 ，掺入适量粉煤灰 (15%能有效抑制 着掺量的提高其抑制效果越好。 粉煤灰对 制作用表现为对混凝土中碱和 H)2的作用，可概括为粉煤灰对碱的物理稀释作用 ； 粉煤灰酸性颗粒对 R+( K+)和 附作用 ； 粉煤灰与 H)2的火山灰反应减少甚至消除体系中的 H)2； 粉煤灰与H)2的火山灰反应生成的低 较高的比表面积的 粉煤灰与水泥水化产物的火山灰反应使水泥石结构致密化，从而阻止碱液的迁移，减低 R+和 理稀释仅是粉煤灰抑制 煤灰 K+在 存在量与其 低 a/ 可以增强其对 K+的容纳量 ， 从而对碱骨料反应起到抑制作用。随着粉煤灰掺量的增加 ， 水泥石中 H)含量不断减少 ， 除了由于粉煤灰部分取代水泥而导致 H)2减少之外 ， 随水泥水化地进行 ， 粉煤灰与水化产物及由熟料水化生成的 进一步生成低6。 (2)矿粉的影响 掺入 15% 45%矿粉也可达到较好的抑制效果 。 其中 ,掺入 15%矿粉抑制效果达到 掺量到 25%时为 掺量 为 45%时高达 随着矿粉掺量的提高，其抑制 果也越来越显著。 矿粉对抑制 应的作用主要原因为 ： a)对碱的物理稀释、吸附； b) 与12 水泥水化所生成的氢氧化钙起火山灰反应，生成产物将填塞混凝土孔隙，使孔结构细化，孔曲折度增加，密实性提高，从而降低水及钾、钠离子的扩散速度，起到抑制碱骨料反应的作用； c)降低混凝土中氢氧化钙含量，水泥在水化过程中约析出 20%的氢氧化钙，而氢氧化钙是碱骨料反应的必要条件，通过火山灰反应可减少甚至消除混凝土中的氢氧化钙，起到抑制与缓解碱骨料反应的作用；d)火山灰反 应生成的低 i 比产物，能结合和吸附一定量的氯离子、钾离子、钠离子，降低碱的浓度，提高混凝土抑制碱骨料反应和抗钢筋锈蚀的能力。 (3) 硅灰的影响 掺入 5%、 15%和 25%硅灰后砂浆棒膨胀率分别降低了 掺入 5%硅灰对抑制 本没有效果，掺入 15% 25%的硅灰可在一定程度上降低 膨胀率。研究表明， 掺入硅灰后 ， 可使硅灰水泥石的孔结构发生改变 ，生成大量超细微孔 ， 降低砂浆溶液中的 R+浓度 。 火山灰反应的发生 ， 使水泥中的H)2被大量吸收 ， 形成了钙硅比低的 胶 ， 而这样的 胶能呈现很强的吸收碱的能力 ,从而使水泥砂浆中的碱当量降低 ,减轻了碱对活性集料的侵蚀 ,抑制了碱硅酸反应引起的膨胀 7。 虽然硅灰对 一定的抑制效果，但效果不显著。其原因可能有：一，本次试验所用硅灰本身具有较高的碱含量。二，硅灰掺入后降低了砂浆流动性，硅灰分散不够均匀，反应不够充分，在一定程度上降低了其水化程度，影响了制效果。 d 3d 7d 14d 21d 28 d )膨胀率(%)I)25 单掺砂浆膨胀率 13 010203040506070802525编号膨胀率抑制率(%)图 6 单掺砂浆棒膨胀率的降低率 掺 抑制效果 (1)双 掺总量的影响 双 掺总量为 30%的两组砂浆棒相对基准组的膨胀率抑制率分别为 双 掺总量为 40%的四组砂浆棒膨胀率抑制率都在 30%间，而共掺总量为 50%的两组砂浆棒膨胀率抑制率分别为 说明 双 掺总量越大，抑制效果越好。 (2) 双 掺比例的影响 从表 2 看出， 砂浆棒的抑制率为 相对其他组双掺总量为40%的砂浆 棒抑制率要高。 砂浆棒的抑制率为 和其他组双掺总量为 50%砂浆棒抑制率要高。说明粉煤灰和硅灰双 掺 后的效果要好于粉煤灰 掺 以及硅灰 掺的效果。 (3) 和单掺的抑制效果比较 从数据可以看出， 膨胀率抑制率分别为 膨胀率抑制率分别为 说明在相同 大 掺合总量下，双掺效果和单掺效果相似。 14 d 3d 7d 14d 21d 28 d )膨胀率(%) 双掺砂浆棒膨胀率 0102030405060708015)图 8 双掺砂浆棒膨胀率的抑制率 掺抑制效果 (1)掺合料总量的影响 从图 9 可以看出， 40%掺合料总量膨胀率抑制率处于 20间， 50%掺合料总量下砂浆棒膨胀率的抑制率都在 60%左右，如图 10 所示。 (2)和单掺以及双掺比较 在 40%相同掺合料总量下，三掺和双掺膨胀率的降低率都在 20%间，说明抑制效果接近。在 50%相同掺合料总量下，三掺膨胀率抑制率基本在 60%左右，而双掺 和单掺都在 50%左右，三掺效果要好于双掺合单掺的效果。 研究表明，磨细矿渣对孔溶液中的 K+的降低效果较为明显，粉煤灰对孔溶液中的 的降低效果较为明显 2。因此， 粉煤灰 、 矿粉和硅灰共15 掺 能优势互补，形成叠加效应。 d 3d 7d 14d 21d 28 d )膨胀率(%) 三掺膨胀率 0102030405060708010)图 10 三掺膨胀率抑制率 速砂浆棒法与压蒸法试验的相关性 (1)相同点 表 4 得知 ， 对同一配合比，用 快速砂浆棒法检测显示， 30%、 40%和 50%掺合料总量下的砂浆棒抑制率从小变大。而用压蒸法时，具有 类似 的结果。说明用两种方法所得砂浆棒膨胀率具有一致性。 (2)不同点 快速砂浆棒法所得数据变化较缓和，而采用压蒸法所测结果差别较大。 压蒸法采用单粒级集料，试验条件苛刻，而快速砂浆棒法采用连续级配集料，试验条件较缓和。这些原因都可能导致试验结果有一些差距。 16 表 4 快速砂浆棒法和小砂浆棒快速法试验结果对比 编号 快速砂浆棒法28d 膨胀率 (%) 小砂浆棒快速法膨胀率 (%) 快速砂浆棒法28d 抑制率 (%) 小砂浆棒快速法抑制率 (%) 0 101020203017 结束语 1、 掺入 15%粉煤灰 28d 抑制效果达到 掺入 25%掺入 50%粉煤灰抑制效果达到 掺入 25%粉煤灰抑制效果也能达