（水工结构工程专业论文）混凝土碱骨料反应的抑制及膨胀预测的试验研究.pdf

i l 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 摘要 碱一硅酸反应( a s r ) 作为最主要和最普遍的碱骨料反应( a a r ) 类型，如何切实可 行地抑制a s r 一直为人们所关注。本文在了解国内外a s r 及其抑制措施有效性快速试验 方法研究的基础上，围绕如何快速可靠评价实际工程混凝土a s r 抑制措施的长期有效性 这一论题开展了四方面的试验研究，主要研究内容及结论如下： 分别用岩相法、压蒸法、砂浆长度法和砂浆棒快速法等四种检验方法对五种骨料进 行了碱活性检验。试验结果表明，砂浆棒快速法与岩相法的检验结果相关性良好。对于 具有潜在危害的慢反应型骨料，砂浆棒快速法的检验结果较为可靠。 选择三种不同骨料( d j 、l 和c 骨料) ，分别采用砂浆棒快速法、小混凝土棱柱体法 和混凝土棱柱体法进行粉煤灰抑制a s r 有效性快速试验方法的对比研究，对比试验结果 显示，与小混凝土棱柱体法相比，砂浆棒快速法与混凝土棱柱体法相关性较好。 分别采用不同细度的石英玻璃粉体进行对d j 骨料a s r 膨胀抑制作用的试验，试验 结果表明，本文所采用的石英玻璃粉体虽不能有效抑制a s r 膨胀，但随着石英玻璃粉体 比表面积的增大，其砂浆试件的膨胀率显著减小。高活性的石英玻璃粉体对a s r 膨胀的 抑制效能可能与其细度有关。 以砂浆棒快速法为基础设计一系列试验，通过对d j 骨料a s r 影响因素的试验研究 和分析，运用a r r h e n i u s 方程初步建立了碱骨料反应膨胀预测模型，该模型经过进一步 完善后，可用于预测a s r 在实际温度环境中的膨胀历程，评价a s r 对工程的危害性及a s r 抑制措施的长期有效性。 关键词：碱一硅酸反应，抑制措施，粉煤灰，快速试验方法。预测模型 i 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t a l k a l i s i l i c ar e a c t i o n ( a s r ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m r n o nt y p e so f a l k a l i - a g g r e g a t er e a c t i o n ( a a r ) ，a n dh o w t oe f f e c t i v e l yp r e v e n ta s r e x p a n s i o nh a sa l w a y s b e e nc o n c e r n e dw i t h i nt h et h e s i s b a s c do nt h ep r e v i o u sd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c ho n a s ra n da c c e l e r a t i n gt e s tm e t h o d sf o ra s s e s s i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fs u p p r e s s i n gm e a s u r e s ， f o u ra s p e c t sa b o u th o wt or a p i d l ya n dr e l i a b l ya s s e s st h el o n g t e r me f f e c t i v e n e s so fa s r s u p p r e s s i n gm e a s u r e si ns o m ec o n s t r u c t i o np r o j e c tw e r ei n v e s t i g a t e d m a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h ea l k a l ir e a c t i v i t yo ff i v et y p e so fa g g r e g a t e sw a se x a m i n e db yp e t r o g r a p h i cm e t h o d , c h i n e s ea u t o c l a v i n gm e t h o d , m o r t a r - b a rm e t h o da n da c c e l e r a t i n gm o r t a r - b a rm e t h o d t e s t si n d i c a t e dt h a tt h er e s u l t so fp e t r o g r a p h i ca n da c c e l e r a t i n gm o r t a r - b a rm e t h o dh a d g o o dr e l a t i o n t h er e s u l t so fa c c e l e r a t i n gm o r t a r - b a rm e t h o dw e r er e l i a b l ei nj u d g i n gt h e p o t e n t i a lr e a c t i v i t yo f a g g r e g a t e sw i t hs l o wa s rt y p e t h ee f f e c t i v e n e s s o f f l y a s h o ns u p p r e s s i n g a s r e x p a n s i o n o f t h r e e t y p e sa g g r e g a t e s ( d j ， la n dc 1w a st e s t e db ya c c e l e r a t i n gm o r t a r - b a rm e t h o d ，s m a l lc o n c r e t ep r i s mm e t h o da n d c o n c r e t ep r i s mm e t h o d t e s t si n d i c a t e dt h a tt h er e s u l t so fa c c e l e r a t i n gm o r t a r - b a rm e t h o d a n dc o n c r e t ep r i s mm e t h o dh a db e t t e rr e l a t i o nw h e nc o m p a r e dt ot h a to fs m a l lc o n c r e t e p r i s mm e t h o d t h ee f f e c t i v e n e s so fq u a r t zg l a s sp o w d e rw i t i ld i f f e r e n tf i n e n e s si ns u p p r e s s i n ga s ro f d ja g g r e g a t ew e r et e s t e d t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h el a t eo fe x p a n s i o no fm o r t a r - b a r s p e c i m e n sw a so b v i o u s l yr e d u c e da l o n g 丽mt h ei n c r e a s eo fs p e c i f i cs u r f a c eo f q u a r t zg l a s s p o w d e r t h ee f f e c t i v e n e s so fq u a r t zg l a s sp o w d e ri ns u p p r e s s i n ga s r w a sp r o b a b l yr e l a t i v e t oi t sf i n e n e s s i nt h et h e s i s ，as e r i e so ft e s t i n gp r o g r a m sw e r ed e s i g n e db a s e do na c c e l e r a t i n g m o r t a r - b a rm e t h o d t h e p r e d i c t i o nm o d e la b o u t a s re x p a n s i o nw a se s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l yt h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so nt h ef a c t o r sa f f e c t i n ga s r o f d ja g g r e g a t e ，a s w e l l a s a r r h e n i n se q u a t i o n a r e r t h er e f i n e m e n t o f t h e m o d e l ，i tc o u l d b e u s e dt op r e d i c ta s re x p a n s i o ni na c t u a lt e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e ，a n dc o n s e q u e n t l ya s s e s s t h eh a r mo fa s rt oa c t u a lp r o j e c t sa n dt h el o n g - t e r me f f e c t i v e n e s so fa s rs u p p r e s s i n g m e a s u l 。e s k e yw o r d s ：a l k a l i s i l i c ar e a c t i o n ( a s r ) ，s u p p r e s s i n gm e a s u r e s ，f l ya s h , a c c e l e r a t i n gt e s t m e t h o d ，p r e d i c t i o nm o d e l i i 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 碱一骨料反应( a l k a l ia g g r e g a t er e a c t i o n 一从r ) 是指混凝土中来自水泥、外 加剂、掺合料或拌和水中的碱与骨料中的活性组分发生膨胀性化学反应，从而导致混凝 土开裂、破坏。自二十世纪四十年代美国首次发现碱一骨料反应以来，先后在加拿大、 法国，南非、英国等地区都发生了碱一骨料反应引起的混凝土裂缝和破坏。 由a a r 引起的水利工程破坏圆，较早的有美国的派克坝( p a r k e rd a m ) ，它是一座混 凝土拱坝，高9 8 m ，1 9 3 8 年建成。1 9 4 0 年发现大坝严重裂缝，后经大量研究证实，破坏 是由于施工中采用了安山岩等具有碱活性的砂石骨料和含碱量较高的硅酸盐水泥，由于 a a r 造成的。 1 9 7 0 年英国发现泽西岛大坝( j e r s e yi s l a n dd a m ) 建成l o 年后因从r 而膨胀开裂， 1 9 7 6 年又发现西南部3 个变电所建成6 8 年后因a a r 严重开裂，至1 9 8 9 年先后奁出约 3 0 0 项工程发生从r 反应损坏。 。 位于巴西东北部的m o x o t o 坝，是一座粘土心墙堆石坝，建造于1 9 7 2 1 9 7 7 年。混 凝土粗骨料主要由黑云母一角闪石花岗岩( b i o t i t e - h o r n b l 6 n d e g r a n i t e s ) 系列组成( 即 简称的闪云斜长花岗岩) 。这个坝自1 9 8 0 年以后，相继观察发现混凝土开裂，对变质的 混凝土，钻取岩芯，进行分析检测，观察到整个试样普遍出现碱一骨料反应。几乎所有 试样都能观察到深暗色的反应环和数量变化的碱一硅凝胶产物。 在加拿大东南部的阿巴拉阡区域( a p p a l a c h i a n r e g i o n ) ，n o v a s c o t i a 区的i i a l i f a x 地区，曾使用石英岩制造骨科，大量的混凝土工程出现严重的变质或恶化，其原因首先 是由于碱一骨料反应膨胀所导致”1 ，见图卜l 。加拿大k i n g s t o n 市附近b a r r y f i e l 小镇 一处混凝土墙的碱一碳酸盐膨胀反应开裂图形如图1 - 2 所示“1 。 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 图卜l 加拿大n o v as c o t i a ，n e wg l a s g o w 的一座混凝土桥，用石英岩骨料，反应产生的严重开裂”1 图卜2 位于安大略，金斯顿的b a r r y f i e l d 混凝士建筑物，由丁：碱一碳酸盐岩石反应膨胀开裂“ 法国的桑本坝( l eb a r r a g ed uc h a r n b o n ) 位于法国南部高阿尔卑斯( h a u t e sa l p e s ) 山脉中，是一座混凝土重力坝和拱坝混合型坝( 见图i - 3 ) ，坝高9 0 m ，弧长2 9 4 m ，混凝 土体积约3 0 万m 3 。在3 0 年代设计兴建，大坝建成后运行5 0 年开始出现了碱一骨料反应 的膨胀开裂。5 0 年后复经1 2 年膨胀反应持续发展，桑本坝已不堪服役，泄洪闸门启闭 受阻。大坝渗漏加剧，坝体出现畸形变形“，见图i - 4 与图i - 5 。 2 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 图1 - 3 建成6 0 年后的c h a r n b o n 大坝，历经阿尔卑斯山区高寒夏暑环境考虑，大坝耐久性优良，但 碱一骨料反应破坏了大坝的整体性 图1 - 4c h a r n b o n 大坝混凝土因碱一骨料反应膨胀开裂，导致大坝淋滤 1 9 6 5 1 9 6 6 年德国北部高速公路上一座新建不久的拉彻威尔( l a c h s w e h r ) 挢因受 碱一硅酸反应严重破坏，已于1 9 6 8 年拆除重建。南非开普敦地区1 9 7 6 年以来，已发现 有半数混凝土工程发生a a r 破坏。丹麦混凝土委员会经调查认为国内混凝土建筑物，建 成后l 1 0 年均有不同程度的a a r 损坏。新西兰对全国进行了详细的调查研究，共考察 了4 2 0 座桥梁，调查表明其中1 0 0 座桥可能因a a r 而损坏。 - 3 样因素的影响，到目前为止对碱一骨料反应的机理还没有完全搞清楚，a a r 的许多问题都 需要进一步研究，以尽量降低a a r 对混凝土工程带来的危害。 1 2 碱一骨料反应类型及碱一骨料反应的发生条件 1 2 1 碱一骨料反应类型 目前国内外学者一般认为，碱一骨料反应分为三类”“”“”： 碱一硅酸反应( a l k a l 卜s i l i c ar e a c t i o n 简称a s r ) 。碱一硅酸反应是水泥混凝土微 孔隙中的碱性溶液( 主要以k o h 、n a o h 形式存在) 与骨料中能与碱反应的二氧化硅矿物 发生反应，反应生成的碱硅凝胶吸水肿胀，产生的膨胀压力导致混凝土开裂损坏，或胀 大移位，称之为碱一硅酸反应。 其代表性化学反应式为： r o h + n s i 0 2 叫心0 n s i 0 2 a q 式中r 代表碱( k 或n a ) 。碱硅酸凝胶固相体积大于反应f 狰体积。而且有强烈的吸 水性，吸水膨胀后产生开裂。此反应体系中，活性s i 也岩石有蛋白石、玉燧石族、石英 4 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 岩、硬砂岩、火山熔岩等。 碱一碳酸盐反应( a l k a l i c a r b o n a t er e a c t i o n 简称a c r ) 。碱一碳酸盐反应是混凝土 中碱与碳酸盐岩骨料间的反应。与已知的碱一硅酸反应相比，在这种碱一骨料反应中，反 应膨胀的骨料是碳酸盐岩；由反应而开裂的混凝土未发现有凝胶存在；反应边较骨科本 身的密度还大，与碱一硅酸反应边不同。对于碱一碳酸盐反应的膨胀机理，一些学者提出 许多假说，如：去白云石化假说“2 m ”，粘土基质( m a t r i x ) 吸水膨胀假说“”，唐明述院 士等提出的综合作用机理“”，等等。各国学者对碱一碳酸盐反应膨胀的机理说法不一， 还有待于进一步研究。 多数碳酸盐岩没有碱活性，只有具备如下结构的泥质细粒白云质灰岩，泥质细粒灰 质白云岩或泥质细粒白云岩具有与碱反应使混凝土膨胀的碱活性。它们的结构特征是， 白云石呈细小的发育良好的菱面体自形晶( 尺寸小于5 0 um ) 它们彼此孤立地分布在由 粘土和微晶方解石( 直径约l 3 um ) 所构成的基质中。粘土呈连续网络状分布，方解 石则分布在粘土网络的网眼中或锒嵌结构，白云石细粒也同样分布在粘土网络的网眼 中。 碱一硅酸盐反应( a l k a l i s i l i c a t er e a c t i o n 简称a s r ) 。其特征是：反应的潜伏期 很长，反应缓慢，往往潜伏3 0 5 0 年，才呈现出膨胀，继之开裂破坏；膨胀开裂与生 成的凝胶物质的量之间缺乏相关性；硅酸盐岩的活性组成( 矿物) 也不明确；生成的反 应环，组织结构，离子动态等与传统的碱一二氧化硅反应不尽一致。所以g i l l o t 和 s w e n s o n 命名为碱一硅酸盐反应“”。 然而各国学者也有不同看法，我国学者唐明述对此进行了深入的研究，认为碱一硅 酸盐反应实质上仍属碱一硅酸反应“”。目前发现具有碱一硅酸盐反应的岩石有以下几类： 叶状硅酸盐岩石，如片岩系、千枚岩系等；波状消光的石英质岩石，如石英岩、花 岗岩类、砂岩、石英碎屑岩等；“混合”硅酸盐类，如片麻状花岗岩、石英泥质板岩、 硬砂岩等。 1 2 2 碱一骨料反应的发生条件 不论哪一种类型的碱一骨料反应，必须具备如下三个条件，才会对混凝土工程造成 损坏。 ( 1 ) 混凝土中必须有相当数量的碱( k 、n a ) 。碱的来源可以是配制混凝土时形成 5 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 的，即水泥、外加剂、掺合料、骨料及拌合水中所含的可溶性碱；也可以是混凝土工程 建成后从周围环境侵入的碱，如海雾随海风吹来，附着并逐渐渗入沿海附近的混凝土建 筑物中，雪季喷洒化冰盐渗入桥梁及下水管道中的碱等。即使配制混凝土时含碱量较低， 只要环境中来的碱增加到一定程度，同样可使混凝土工程造成碱一骨料反应损坏。 ( 2 ) 混凝土中必须有相当数量的碱活性骨料。在碱一硅酸反应中，由于每种碱活性 骨料与碱反应对混凝土的危害都有其自身匹配规律。即混凝土在一定含碱量条件下，每 种碱活性骨料都有其造成混凝土内部膨胀压力最大的最不利比率，当混凝土含碱量变化 时这一最不利比率也发生变化。因而究竟哪一种碱活性骨料在混凝土中含量多大会形成 危害是一个比较复杂的问题，必须通过试验才能了解。 ( 3 ) 混凝土工程的内部环境或使用环境必须达到一定的湿度，相对湿度大于8 0 0 , 6 ， 或直接与水接触。如果混凝土在配制时，配制成分具备了碱一骨料反应条件，则不论高 湿度或与水接触的时间迟早，连续或不连续，只要具备高湿度或与水直接接触的条件， 反应产物就会吸水膨胀，使混凝土内部受到膨胀压力。内部膨胀压力大于混凝土自身抗 拉强度时，混凝土工程就会遭受损害。 有关活性骨料，经世界各国许多学者四十余年的研究归纳，常见的碱活性岩石“” 如表卜l 所示。 1 3 碱一骨料反应研究的新进展 白1 9 4 0 年首次发现碱一骨料反应以来，各国科学家一直致力于碱一骨料反应问题的 研究，尤其对预防碱一骨料反应做了大量工作。由于在世界各地发生从r 的事例增多， 对工程的耐久性影响巨大，近年来又重新引起重视。由于a c r 远没有a s r 普遍，且很多 学者认为，碱一碳酸盐反应和碱一硅酸盐反应引起的破坏往往与碱一硅酸反应有密切的联 系”1 ，而且没有发现对a c r 有效的抑制措施，因此，近年来对a a r 的研究主要集中在a s r 方面。本论文所涉及的从r 问题均是关于a s r 而言的。 1 3 1 预防a s r 的主要措施 碱一骨料反应( 从r ) 及其引起的破坏在世界范围内受到越来越多的关注。a a r 破坏 源于混凝土内部，且持续不断的发生，日本、挪威汹1 等国的经验已证明修补与加固是非 常困难的，因此，最明智的做法是防患于未然，以预防为主。 目前预防碱一硅酸反应的措施主要有：( 1 ) 避免使用活性骨料，( 2 ) 控制水泥或混 凝土中的碱含量( n a ：o e q ) ，( 3 ) 控制湿度，和( 4 ) 使用掺合料或化学外加剂。 一6 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 表1 - 1 常见的碱活性岩石 岩石类别 岩石名称碱活性矿物 流纹岩 安山岩 酸性一中性火山玻璃、隐晶一微晶石英、鳞 火 松脂岩 石英、方石英 成 珍珠岩 岩 黑曜岩 花岗岩 戍变石英、微晶石英 花岗闪长岩 火山熔岩 火山角砾岩火山玻璃 凝灰岩 石英砂岩 微晶自哭、m 殳自央 沉 硬砂岩 微晶石英、应变石英、喷出岩及火碎屑岩 积 屑 岩 硅藻士蛋白石 碧玉玉髓、微晶石英 燧石蛋白石、玉髓、微晶石英 细粒泥质灰质白云岩或白云质灰岩、 碳酸盐岩 硅质灰岩或硅质白云岩 板岩 变 千枚岩 玉髓、微晶石英 质 片岩 微晶石英、应变石英 岩片麻岩 石英岩j 眦父自央 1 3 1 1 骨料碱活性鉴定方法新进展 使用非活性骨料对防止a s r 而言是最安全可靠的措施，加强骨料碱活性检验是预防 a s r 的关键。国内外对骨料碱活性的鉴定方法进行了很多研究：有对骨料的微观结构进 行评价的岩相法哪4 1 ，有对骨料的化学成分进行鉴定的化学法1 ，有以测长为基础的砂 浆棒法1 ，混凝土棱柱体法晒“1 ，压蒸法等。 a s t m 标准的砂浆棒法和化学法是检验骨料碱活性最传统的方法，但由于存在大量错 判、漏判的实例汹1 ，r i l e m ( 国际材料与建筑构造研究试验所联合会) 标准中已不再使 用这两种方法作为骨料a a r 活性的检验方法。目前，r i l e m 标准中检验骨料碱活性的方 法有：a a r 一1 豳1 ( 岩相法) 、a a r - 2 汹1 ( 砂浆棒快速法) 、a a r 一3 汹1 ( 混凝土棱柱体法) 、a a r 一4 啪1 ( 快速混凝土柱法) 、从r 一5 。”( 碳酸盐骨料快速初选法) 等。 7 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 骨料的碱活性是一个非常复杂的问题，很难通过单一的检验方法对骨料的碱活性进 行准确地鉴定，应综合几种检验方法的检测结果对骨料的碱活性进行综合判定。为此， r i l e m 制定了检验骨料碱活性的流程，即岩相分析首先将骨料进行分类，为确定进一步 的检验方法提供依据。快速试验方法可在较短时间内判定骨料的碱活性，如果对快速方 法有疑问，应立即选择长期试验方法进行验证，检测结果最好与实际工程中的使用记录 进行比较、对照，尽可能对骨料的活性进行准确的评价，预防碱一骨料反应的发生啪1 。 1 3 1 2 控制混凝土碱含量 控制混凝土碱含量主要是基于当混凝土中的碱含量低于一定值时( 通常认为 3 o k g n a 。o e q m 3 ) ，混凝土孔溶液中k + 、n a + 和0 h 一浓度便低于某临界值，从r 便难于发生 或反应程度较轻，不足以使混凝土开裂破坏。在早期从r 破坏严重的国家，如荚国、英 国、日本、新西兰等曾广泛采用碱含量低于0 6 n a ：o e q 的水泥，以降低混凝土中的碱含 量，并在一定程度上缓解了a s r 问题1 。但也发现，有些活性骨料在混凝土碱含量大于 2 k g n a 。o e q m 3 时就导致了显著膨胀，这与骨料的阈值碱含量有关。使骨料发生a a r 所需 的最低碱含量即阈值碱含量( t h r e s h o l da l k a l il e v e l ，简称t a l ) ，与骨料碱活性大小 有关，骨料碱活性越大，t a l 值越低，骨料碱活性越小，t a l 值越高。 另外，水泥工艺由湿法生产改为干法生产以及高碱窑灰的加入，均使水泥含碱量呈 上升趋势，近年来由于对水泥高强度的追求，单位混凝土水泥用量的增加和多种早强外 加剂的使用，使混凝土碱含量的控制愈加困难。而且研究表明1 ，由于混凝土中碱能随 水分子的迁移而迁移富集，降低碱含量的措施也并不总是有效。 此外，对存在外部碱源的混凝土工程，如海工工程、暴露于盐碱地和使用除冰盐的 工程，即使混凝土碱含量较低也会发生a a r ”1 。骨料中碱的溶出也是不容忽视的碱的来 源，早在上世纪8 0 9 0 年代s t a r k 鼬和g o g u e l 啪1 已提出某些骨料中析出的碱会促进a a r 。 近几年来b e r u b e “1 进行了一系列工作，发现骨料中析出的碱可达 0 1 - 1 2 7 k g n a 2 0 e q m 3 ，平均可达2 2 k g n a 2 0 e q m ，这一数值相当可观，不容忽视。因此， 限制混凝土本身的碱含量也不是万全之策。 1 3 1 3 降低相对湿度 有研究表明，相对湿度降低，可以降低a s r 膨胀“”。实际上混凝土所处的湿度条件 是不易人为控制的，而且干湿循环等因素还可以导致混凝土中碱的迁移，并在局部富集， 反而加剧a s r m “1 。一般认为当相对湿度低于8 0 9 6 时，a a r 就不会发生。但是荚国通过现 场测试表明m 1 ，公路路面和其他公路建筑物即使在沙漠气候条件下，也有足够的湿气引 8 首先对普通混凝土建立一个碱含量与膨胀之间的关系，然后根据掺有掺合料混凝土的膨 胀值与其碱含量( 仅计算水泥中的碱，不包括掺合料中的碱) ，在图中找到相应的点， 如果这一点在线的右边，则可以认为掺合料有效地抑制了a a r 膨胀，如果这一点正好在 线上，可以认为掺合料对膨胀仅起惰性稀释作用，如果这一点在线的左边，可以认为掺 合料提供有效碱。h o b b s 结合大量试验提出了掺合料有效碱量系数，然后根据混凝土的 9 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 碱含量来确定混凝土的配合比，使其达到规定的限度。但其提出的粉煤灰取i 6 有效碱 量系数及矿渣取i 2 有效碱量系数并不适用于所有的骨料和掺合料。 张承志m 1 在h o b b s 提出的有效碱量的基础上，提出了掺合料“滞留碱量”的概念。 他从骨料的膨胀率与碱含量关系曲线得到有效碱含量值。实际碱含量为混凝土中包括水 泥、掺合料及含碱外加剂的碱，滞留碱量是单位质量混凝土的实际含碱量与有效碱量的 差值。并认为滞留碱量是掺合料本身的特性参数，与骨料的种类和含量无关。当滞留碱 量大于掺合料总碱量时，作为掺合料抑制a a r 膨胀有效性的判据。卢都友啪1 认为该判据 存在严重问题：( 1 ) 作为掺合料的特性参数不应受骨料的种类，含量等因素影响，而实 际上，大量研究表明上述因素的改变都将影响滞留碱量值。( 2 ) 碱含量对a s r 膨胀的作 用及掺合料对碱的作用都是非线性作用，而滞留碱量的计算在处理上将这种关系当成线 性关系。而且掺合料对a s r 的抑制并不仅仅是对体系中碱的作用，其他方面的作用可能 更为重要，如掺合料使产物构成和产物膨胀性质发生了改变等。“滞留碱量”的计算并 不能直接反映掺合料抑制a s r 效果。 1 3 2 2 快速测长法评价掺合料抑制a s r 效果 a s t mc 4 4 1 是目前评价掺合料抑制a s r 有效性和筛选不同掺合科抑制a s r 的唯一标 准方法，该方法采用硬质玻璃( p y r e xg l a s s ) 作为标准活性骨料，矿物外加剂取代2 5 水泥( 体积百分比) ，按a s t m c 2 2 7 鲫3 方法制备和养护试体。筛选掺合料时，水泥碱含量 1 0 ，评价有效性时，使用工作水泥和配比作为最终判定。1 4 d 膨胀率小于0 0 2 或膨 胀率降低7 5 b p 认为有效。即使膨胀率超过0 0 5 。该方法所用骨料、判据和可靠性受 到广泛质疑9 1 。t h o m a s 认为，高活性的硬质玻璃骨料可以导致在较慢的火山灰反应作 用之前产生一个过度的膨胀，这会影响对粉煤灰抑制效果的判断。另一方面，许多研究 表明。掺合料对a s r 膨胀的作用效果与其掺量有关。一般说来，为了显著降低a s r 膨胀， 粉煤灰的取代水平不小于3 0 ，矿渣的取代水平不小于5 0 ，硅灰的取代水平不小于1 0 1 5 ，在较低的取代水平下粉煤灰和硅灰的抑制效果不佳，但提高取代量就可以有效地抑 制a s r 膨胀。a s t mc 4 4 1 方法用一个固定的取代水平来评定所有的掺合料显然是不适合 的。再者，不同活性的骨料对掺合料抑制作用的要求也不同，对于蛋白石、石英玻璃等 高活性的骨料，即使掺入掺合料后可以使膨胀减少7 5 ，也不一定能够保证混凝土工程 的安全。因此用膨胀的降低率作为判断掺合料抑制从r 膨胀有效性的依据不够合理，也 不利于掺合料的使用。该方法仅适用于特定骨料和配比条件下砂浆和混凝土的判定。因 该方法与混凝土长期性能相关性差，加拿大已将其废除。但由于该方法是早期评价掺合 料的唯一标准方法，曾一度为许多国家采用，如冰岛和新西兰，我国水工混凝土试验规 程m 1 也基本参照此方法。 1 0 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 砂浆棒快速法主要在南非和加拿大等国使用。南非采用1 5 有效碱和1 4 d 砂浆试体 ( 掺加掺合料) 膨胀小于0 1 作为接受的判据眦】。但砂浆棒快速法的试体参数，包括骨 料配比等与实际相差甚远，其长期有效性研究很少涉及。加拿大使用混凝土棱柱体法作 为评价掺合料的标准方法，目前正使用并发展改进砂浆棒快速法。 唐明述等最早采用压蒸法检验骨料碱活性旧并将其用于比较掺合料抑$ i j a s r 的能力 。后来，法国在“中国快速法”的基础上，采用实际工程用水泥、骨料和掺合料制备 砂浆试件，在1 5 0 c 模拟碱液中压蒸4 8 h 来评价掺合料抑制a s r 的有效性旧1 ，模拟碱液 的浓度根据水灰比和以下假设计算：水泥和硅灰碱含量1 0 0 释放，而粉煤灰和矿渣分别 为1 7 和5 0 。该方法的结果和3 8 与6 0 1 0 0 9 6 r h 条件下的结果有较好的相关性，可 用于筛选不同配合比。以后，又将方法中试体改为全尺寸现场实际配比混凝土试体，并 延长压蒸时间至3 周以更有效可靠地评价实际配比a s r 安全性和掺合料抑制a s r 的有效 性。但方法中对掺合料有效碱的贡献是参照早期b r ed i g e s t 3 3 0 ，对掺合料有效碱的 处理并不一定合理，另外，1 5 0 压蒸的养护条件与实际工程所处的环境相差太大，很 难反映掺合料在实际工程中的情况并指导掺合料的应用。 综上所述，目前评价掺合料有效性的方法均以检验骨料a s r 活性的方法为基础，比 较掺加掺合料后试件膨胀率的变化。用检验骨料活性的方法评价掺合料，只能相对比较 掺合料的抑制能力，或最严酷条件下抑制a s r 膨胀所需的最小掺合料掺量。并不能回答 具体工程中特定骨料和配比掺加多少掺合料才能保证工程的安全耐久。理想的评价掺合 料的方法应该：快速满足工程需要；可靠与工程长期性能相关性好；程序尽可 能简单可操作性强。通过对快速试验方法试验结果进行分析处理，预测混凝土在实 际环境中的a s r 膨胀历程，才能最终评价实际混凝土a s r 安全性或掺合科抑制a s r 的长 期有效性。 1 4 研究目的和主要内容 近年来，为克服传统方法周期长、可靠性差，以高温高碱条件下的a a r 为基础发展 的许多快速方法研究非常活跃。对反应产物的大量研究已经表明啪1 ，强化条件下的化学 反应和通常温度下虽有微小差异，但试件膨胀的确是由骨料的活性组分与碱反应引起。 反应形成的产物与低温下的产物及受a s r 破坏的现场混凝土中产物相似。尽管试验室条 件下制备的砂浆或混凝土试件的一维线性膨胀不能代表实际混凝土中化学能转化为机 械功的复杂实际过程，但在找到更为直接有效的方法之前，快速测长法仍是方法研究的 主流。 掺合料主要指具有潜在水硬性的高炉矿渣或具有火山灰活性的粉煤灰、硅灰等，其 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 中对粉煤灰的研究与应用最为普遍，刘珩呻1 等根据粉煤灰抑制a s r ( 采用小混凝土棱柱 体法) 的长期试验与快速试验结果的相关性初步提出了“粉煤灰抑制a s r 有效性快速评 估方法( 草案建议稿) ”，研究了粉煤灰抑制a s r 膨胀的规律性，长期试验与快速试验结 果有很好的相关性，但缺乏与混凝土棱柱体法的相关性研究。此外，砂浆棒快速法是一 种用于骨料碱活性检验的比较成熟的方法，能比较快速地得出试验结果，因而研究用砂 浆棒快速法作为评价掺合料有效性的方法有比较好的试验基础。可与小混凝土棱柱体法 进行平行对比研究。研究小混凝土棱柱体法和砂浆棒快速法与混凝土棱柱体法的相关 性，从而为建立科学的掺合料抑制a s r 有效性快速试验方法提供依据。 对于实际工程来说，需要在短期内采用快速试验方法评价实际工程混凝土的a s r 危 害性。迄今，尽管很多试验都采用各种不同的措施( 如提高碱含量、养护温度等) 来加 速碱一骨科反应，但由于没有考虑实际工程中的混凝土与加速试验混凝土之间的差异， 这些加速方法的试验结果并不能直接用于评价混凝土的长期安全性。如果我们能将快速 试验方法的试验结果进行分析处理，建立数学模型，推测实际混凝土a s r 的膨胀历程， 然后结合工程结构计算，确定造成工程破坏的具体膨胀量，则我们就可判断出由于碱一 骨料反应导致该工程破坏的时间，在不考虑其它因素的前提下对该工程进行寿命预测。 这将对工程的耐久性设计帮助很大，尤其是对于使用年限很长的大型水利工程更是意义 重大。 a a r 的复杂性和各国的骨料类型、分布的差异，使各国只能依据本国或本地区的特 定的骨科类型和分布制定适合的标准方法。我国岩石种类复杂多样。长期的研究表明活 性骨料分布广泛，我国又正处于基建规模前所未有的大发展时期，研究有效的抑制骨料 碱活性措施及方便工程应用的抑制a a r 有效性快速试验方法意义重大。 本文研究的主要内容如下： 1 骨料碱活性研究。 选取五种实际工程用骨料( d j 、b s 、b w 、l 和c 骨料) ，使用岩相法、压蒸法、砂浆 长度法和砂浆棒快速法等四种检验方法对以上五种骨料进行骨料碱活性检验，综合各方 法检测结果对骨料碱活性进行综合判定，选取三种具有潜在危害的缓慢反应型活性骨 料，用于粉煤灰抑制a s r 有效性快速方法试验研究。 2 粉煤灰抑制a s r 有效性快速试验方法的对比研究。 选择工程中经常遇到的具有潜在危害的缓慢反应型活性骨料，分别采用小混凝土棱 柱体法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法，研究粉煤灰抑制a s r 膨胀的规律性。将小混 凝土棱柱体法、砂浆棒快速法的试验结果与混凝土棱柱体法的试验结果进行对比，选择 与棱柱体法相关性较好的试验方法作为粉煤灰抑制 s r 有效性快速试验方法，来评价粉 1 2 - 混凝土a s r 抑制措施的长期有效性提供理论依据。 1 3 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 第二章骨料碱活性的综合判定 a s t mc 4 4 1 是目前评价掺合料抑制a s r 有效性和筛选不同掺合料抑制a s r 的唯一标 准方法，但该方法评价掺合料抑制a s r 有效性使用了高活性的石英玻璃作为试验骨料受 到广泛质疑嘲。t h o m a s 呻1 认为，高活性的硬质玻璃骨料可以导致在较慢的火山灰反应作 用之前产生一个过度的膨胀，这会影响对掺合料抑制效果的判断。另一方面，许多研究 表明，掺合料对a s r 膨胀的作用效果与其掺量有关。早期的高活性骨料做试验骨科对掺 合料抑制a a r 的研究结果只能是定性的，并不能表征掺合料在实际工程应用中的情况。 因此，骨料的选择是粉煤灰抑制a s r 有效性快速试验方法研究中的重要因素。 由于活性骨料特别是硅质活性骨料分布广泛，随资源的不断消耗和受工程造价等因 素影响，骨料的可选择余地愈来愈受到限制，很多水利工程中经常遇到具有潜在危害的 缓慢反应型活性骨料。本章首先在多种骨料碱活性检验方法基础上，对骨料碱活性进行 综合判定，选取工程中经常遇到的具有潜在危害的缓慢反应型活性骨料进行粉煤灰抑制 a s r 有效性快速试验方法的对比研究；同时对比各检验方法对不同骨科的检测结果，研 究检验方法间的相关性，为选择快速而可靠的评价骨科碱活性的方法提供参考。 2 1 试验方法和原材料 2 1 1 试验方法 国内外学者根据大量的研究，已经提出了许多评定硅质骨料碱活性的方法，目前检 验骨料碱活性的方法大致可分为三大类：测长法、化学法和岩相法】。碱一骨料反应引 起的结构破坏归因于化学反应引起的膨胀所产生的内应力，而长度变化是这一现象最直 接的反映。用长度变化来确定骨料的碱活性，不仅能反映骨料与水泥的化学作用，也能 反映骨料与水泥石的物理力学作用。因此，在这三类方法中，测长法是最常用的方法， 常常作为最终判定的依据。岩相法能判定骨料含有的矿物成分及结构特征，是进一步选 择其它方法的前提，但岩相分析的结果只能做定性的判断，单凭此法不易确定岩石和矿 物是否具有碱活性以及碱活性的危害程度。化学法仅仅反映了骨料与碱的反应能力，但 对与混凝土的破坏能力没有直接的关系。 尽管测长法是最常用的一类方法，但存在着很多的测长法，测定结果并不完全一致， 每种方法各有优缺点。压蒸法( c e c s 4 8 ：9 3 ) 是将试件在1 5 0 1 2 、1 0 浓度的氢氧化钾( k o h ) 溶液中压蒸6 h ，测量其最终膨胀率，该方法试验速度快，可用于筛选骨料，但由于试体 1 4 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 尺寸小，因此要求取样有代表性。砂浆长度法眦1 是将试件在3 8 下养护，以6 个月的膨 胀率作为判定骨料是否具有碱活性的判据。该方法试验条件比较温和，需要较长的试验 时间，且对具有潜在危害的缓慢反应型活性骨料不敏感。砂浆棒快速法“”是将试件放在 8 0 c l m o l l 的n a o h 溶液中养护，以1 4 d 和2 8 d 膨胀率作为判定骨料是否具有碱活性的 判据。该方法的养护方式既避免了温度与实际相差太大的矛盾，又可提高反应温度，在 相对较短的时间内测定骨料的碱活性。 如第一章所述，很难通过单一的检验方法对骨料的活性进行准确的判断，只有综合 几种方法的检测结果，才有可能对骨料的碱活性作出准确的判断。本章将使用岩相法、 压蒸法、砂浆长度法和砂浆棒快速法等四种检验方法对五种骨料的碱活性进行综合判 定，以选择进行粉煤灰抑制a s r 有效性快速试验方法对比研究的骨料。所用测长检验方 法主要参数如表2 - i 所示。 表2 一l 三种测长检验方法主要参数 参数乐蒸法 砂浆长度法砂浆棒快速法 试件尺寸 l o m m l o r e 4 0 m m 2 5 4 m m 2 5 4 m m x 2 8 5 m2 5 4 m m 2 5 4 r a m 2 8 5 m m 骨料粒径o 1 5 o 6 3 r a m五粒级 五粒级 水泥碱含量1 5 n a 2 0 e q1 2 n a z o e q 0 9 n a 2 0 e q 胶砂比 1 0 ：l 、5 ：1 、2 ：1l ：2 2 5 1 ：2 2 5 水胶比 o 3 3 流动度1 0 5 m m 1 2 0 m m0 4 7 养护方式1 5 0 i o k o h 压蒸 3 8 c 密封养护筒中 8 0 cl m o l 1 n a o t t 溶液养护 养护时间6 小时6 个月1 4 天2 8 天 2 1 2 原材料 水泥：所用水泥为4 2 5 中热硅酸盐水泥，碱含量为0 5 4 2 ，水泥的碱含量及压蒸膨胀 率检测结果见表2 2 。 表2 - 24 2 5 中热硅酸盐水泥的碱含量及压蒸膨胀率检测结果( ) l n a 。0l ( 2 0 m 9 0 碱含量( n a 2 0 e q ，)压蒸膨胀率 l4 2 5 中热硅酸盐水泥o 1 8 o 5 5 1 5 50 5 4 2o 0 2 按水泥压蒸安定性试验方法( g b t7 5 0 ) 检验，4 2 5 中热硅酸盐水泥的压蒸膨 1 5 中国水利水电科学研究院硕士学位论文 胀率检测结果为0 0 2 ，满足水工混凝土砂石骨料试验规程( d l t5 1 5 1 2 0 0 1 ) “5 5 骨料碱活性检验”中对水泥压蒸膨胀率小于0 2 的要求。 骨料： a ：c 骨料，为天然骨料，主要由火成岩( 质量占5 0 ，以花岗岩为主) 和沉积岩( 质 量占4 5 ，主要为白云岩) 组成，产自河北漕河。 b ：l 骨料，为天然骨科，岩石组成复杂，含有多种碱活性岩石( 流纹岩、石英角斑 岩、英安斑岩等) ，产自黄河上游。 c ：d j 、b s 、b w 三种骨料，为人工骨料，主要为石英砂岩，产自四川金沙江流域。 5 种骨料均经破碎、筛分至各方法所要求的粒径。 化学试剂：分析纯k o h 和n a o h 试剂。 2 2 结果分析 2 2 1 骨料的岩相分析 用x 一射线衍射方法( x r d ) 研究了骨料的矿物组成，用偏光显微镜研究了骨料的岩 相特征。 l 、c 骨料 c 骨料产自河北漕河，为天然骨料，主要由火成岩、沉积岩和变质岩组成，其相对 含量分别约为5 0 9 6 、4 5 和5 。沉积岩主要为白云岩，另见少量硅质灰岩、凝灰岩，因 此白云石属主要矿物组成。火成岩以花岗岩为主，见少