粉煤灰与硅灰复合抑制碱骨料反应的试验研究

「 摘要 」

试验研究了粉煤灰、 硅灰以及粉煤灰与硅灰复合对碱骨料反应的抑制效果。 结果表明： 粉煤灰和硅灰复合后，可以显著降低粉煤灰和硅灰两者单独使用时有效抑制碱骨料反应的最小掺量。
「关键词 」

碱骨料反应； 粉煤灰； 硅灰； 复合 

前言

碱骨料反应是指混凝土孔溶液中由水泥、 含碱外加剂和环境等释放的Na+、 K+、 OH-与骨料中的有害矿物发生具有膨胀性的化学反应， 导致混凝土膨胀和开裂[1]。 自1940年美国首先发现并证实碱骨料反应对混凝土工程的破坏以来， 丹麦、英国、法国、澳大利亚、 西班牙、瑞士、加拿大等国相继出现碱骨料反应引起工程破坏的事例， 包括大坝、 桥梁、 公路、 机场、 港口及工业民用建筑[2-4]， 我国也陆续发现碱骨料反应所引起的破坏实例[5]。 我国混凝土工程中发生的碱骨料反应普遍是碱-硅酸反应， 发生碱-碳酸盐反应破坏的情况很少， 也不易确认[6]，本文提到的碱骨料反应主要指碱硅酸反应。国内外学者针对抑制碱骨料反应的有效措施进行了大量研究， 掺入锂盐等化学外加剂和矿物掺合料可以有效预防碱骨料反应[7-13]。 由于锂盐等化学外加剂昂贵， 难以在工程中推广使用。 单一矿物掺合料只有达到相当高的掺量才可以有效抑制碱骨料反应， 而单一矿物掺合料掺量过高往往影响混凝土的力学性能或工作性。 研究表明[14-15]， 粉煤灰和硅灰复合可以克服单掺粉煤灰混凝土早期强度低、单掺硅灰混凝土流动性差的缺点， 但缺乏粉煤灰和硅灰复合对抑制碱骨料反应的影响研究。

1 试验部分

1.1 试验原材料

骨料： 玄武岩，岩相法分析主要由玉髓、 橙玄玻璃等矿物组成， 依据《建筑用卵石、 碎石》（GB/T 14685-2011）中快速碱-硅酸反应试验方法进行测试，14d膨胀率为0.21%；

粉煤灰： 山东邹城电厂的粉煤灰， 符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）中要求的I级F类粉煤灰；

硅灰：中国建筑科学研究院建研建材有限公司的CABR硅灰， 二氧化硅含量为92%；

氢氧化钠： 天津市福晨化学试剂厂的分析纯试剂， 氢氧化钠含量≥96.0%；

       水泥： 符合《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）附录A中要求的基准水泥。

1.2 试验方法

依据《预防 混凝土碱骨料反应技术规范》（GB/ T50733-2011）附录A中抑制骨料碱-硅酸反应活性有效性试验方法进行测试， 当试件14d膨胀率小于0.03%时， 可判定抑制骨料碱-硅酸反应活性有效。

2 试验结果与讨论

2.1 粉煤灰对抑制碱骨料反应的影响

本试验分别用20%、25%、30%、35%、40%的粉煤灰等质量替代水泥， 并测试各试件在3d、7d、10d、14d的膨胀率， 从而研究不同掺量的粉煤灰对碱骨料抑制有效性的影响， 测试结果如图1所示。

从图1可以看出， 随着粉煤灰掺量的提高， 碱骨料反应的抑制效果也逐渐增强。 当粉煤灰掺量从20%提高至25%时， 试件14d膨胀率显著降低， 但试件14d膨胀率仍然大于0.03%； 当粉煤灰掺量达到30%时， 试件14d膨胀率小于0.03%， 可判定抑制骨料碱-硅酸反应活性有效； 继续提高粉煤灰的掺量， 当粉煤灰掺量达到35%和40%时， 同样使试件14d膨胀率小于0.03%。 因此， 单掺粉煤灰有效抑制碱骨料反应的最小掺量为30%。矿物掺合料抑制碱骨料反应的机理目前还没有统一的认识， 主要分为几个方面[16-17]：

（1）对碱的物理稀释作用；

（2）矿物掺合料酸性颗粒对K+、Na+、 OH-的化学、 物理和静电吸附作用；

（3）降低了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； 

（4）矿物掺合料改变了碱骨料反应产物的组成与结构， 低Ca/Si的C-S-H凝胶能更有效地结合K+、Na+进入其结构；

（5）矿物掺合料与氢氧化钙的火山灰反应， 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K+、 Na+的扩散速度， 起到抑制碱骨料反应的作用。

2.2 硅灰对抑制碱骨料反应的影响

本试验分别用5%、8%、10%、15%的硅灰等质量替代水泥， 并测试各试件在3d、 7d、 10d、 14d的膨胀率， 从而研究不同掺量的硅灰对碱骨料抑制有效性的影响， 测试结果如图2所示。 

从图1和2可以看出， 与粉煤灰相比，硅灰可以在较低掺量下有效抑制碱骨料反应。当硅灰掺量为8%时，可以达到粉煤灰掺量20%时的抑制效果。分析机理可

能为：

（1）相同质量的粉煤灰和硅灰相比， 硅灰的比表面积远大于粉煤灰， 所以对碱的吸附作用更强；

（2）硅灰的火山灰活性更高， 火山灰反应消耗了更多的氢氧化钙；

（3）碱骨料反应产物C-S-H凝胶的Ca/Si比更低，对水及K+、 Na+的扩散抑制作用更加显著。

当硅灰掺量增加到10 %时，试件14 d 膨胀率 小于0.03%，可判定抑制骨料碱-硅酸反应活性有效。继续提高硅灰的掺量，当硅灰掺量达到15%时，同样使试件14d膨胀率小于0.03%。 因此， 单掺硅灰有效抑制碱骨料反应的最小掺量为10%。

2.3 粉煤灰与硅灰复合对碱骨料反应的影响

本试验分别用25%、20%、 15%的粉煤灰与8%、5%的硅灰进行复合， 并掺入自行研发的功能型添加剂0.1%， 复合后等质量替代水泥， 并测试各试件在3d、 7d、 10d、 14d的膨胀率， 从而研究复合不同掺量的粉煤灰和硅灰对碱骨料抑制有效性的影响， 测试结果如图3所示。

从图1、 图2和图3可以看出， 粉煤灰和硅灰复合后， 同样可以达到试件14d膨胀率小于0.03%， 可判定抑制骨料碱-硅酸反应活性有效， 而且可以使两者有效抑制碱骨料反应的最小掺量大幅度降低。单掺粉煤灰有效抑制碱骨料反应的最小掺量为30%， 复合硅灰后， 粉煤灰的最小掺量降低到15%； 单掺硅灰有效抑制碱骨料反应的最小掺量为10%， 复合粉煤灰后， 硅灰的最小掺量降低到5%。 原因可能为： 粉煤灰与硅灰复合后， 粉体颗粒级配更加优化，界面过渡区的火山灰反应更加充分， 从而使界面过渡区的氢氧化钙数量减少、 界面区孔径和孔隙率进一步降低， 从而能更有效的抑制碱骨料反应。

结论

单掺粉煤灰时， 有效抑制碱骨料反应的最小掺量为30%； 单掺硅灰有效抑制碱骨料反应的最小掺量为10%；粉煤灰与硅灰复合后， 有效抑制碱骨料反应的最小掺量均显著降低， 分别降低至单掺时的50%， 同时可以克服单掺粉煤灰混凝土早期强度低、 单掺硅灰混凝土流动性差的缺点。

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编辑：小薇