水泥和骨料化学成分对碱骨料活性影响的试验研究

胡强圣，张 平，刘志龙，朱正贵

(1.安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246003；2.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

碱骨料反应在国内[1]、国外[2]的工程中都有发生，越来越受到国内外专家和学者的重视。学者们分别从混凝土外观表现[3]、机理[4]等方面，对水利水电[5-7]、火力发电[2]、预制构件[8]等工程的碱骨料反应进行了深入研究，获得了重要的研究成果，并提出了降低碱骨料反应风险的工程措施[9-10]，供实际工程参考。

通常具有活性碱和水两个条件就能发生碱骨料反应，其中活性碱可以来自水泥、掺和料、外加剂和骨料，所以应限定混凝土碱的总量不大于2.5 kg/m3。从大量的工程试验数据中可以发现，碱骨料活性不仅与混凝土的碱有关，还与水泥和骨料的化学成分有一定的关系。

1 水泥化学成分不同对混凝土碱骨料反应的影响

1.1 水泥

试验按照总碱质量分数的不同，选取5种不同品种的水泥：2种为中热水泥，3种为普通硅酸盐水泥。水泥的化学成分如表1所示(其中：当量碱质量分数Na2Oeq=Na2O+0.658K2O[11],LOI表示烧失量) 。

1.2 骨料

试验按照文献[12]规定的方法，将某种碎石骨料破碎,砂料颗粒级配如表2所示。

表1水泥化学成分分析结果
Table1Analysis results of chemical composition of cement %

水泥编号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砂料级配比例表
Table2The schedule of proportion of sand grading

筛孔尺寸/mm分级质量比/% 5～2.510 2.5～1.2525 1.25～0.6325 0.63～0.31525 0.315～0.1615

1.3 试验方法

采用化学成分如表1所示的水泥和表2中的细骨料级配，按照文献[12]规定的配合比制备砂浆棒。砂浆试件成型后，放入养护室养护(24±2) h后拆模，并在(20±2) ℃的恒温室中测量试件的原始读数。然后将试件浸泡在装有自来水的聚丙烯塑料筒中，盖上塑料盖使筒密封，将塑料筒放入温度为(80±2) ℃的恒温水浴箱中恒温24 h后，将试件取出擦干，在恒温室中测量试件的基准长度，试件从擦干到测量完毕应在(15±5) s内完成。试件测量完后，浸泡在装有1 mol/L NaOH溶液的塑料筒中，NaOH溶液淹没试件，再将塑料盖盖好，放入(80±2) ℃的恒温水浴箱中，观测3 d、7 d、14 d的砂浆棒试件膨胀率。

1.4 试验结果及分析

3 d、7 d、14 d的砂浆棒试件膨胀率如表3所示。

表3不同碱质量分数水泥快速砂浆棒法试验结果
Table3Test results of accelerated mortar bar test for cement with different alkali content %

编号水泥碱质量分数各龄期膨胀率3d7d14dC10.440.0150.0250.057C20.600.0150.0220.087C30.700.0080.0140.029C40.860.0120.0300.142C51.000.0060.0130.046

水泥中碱质量分数、MgO质量分数、SiO2质量分数与砂浆棒膨胀的关系如图1～图3所示。从图1中可以看出，随着水泥中当量碱质量分数的增加，砂浆的膨胀率总体呈增加的趋势；从图2中可以看出，随着水泥中MgO质量分数的增加，砂浆棒的膨胀率是逐渐增加，3 d龄期膨胀率区别不明显，到了7 d和14 d龄期，增加趋势明显；从图3中可以看出，随着水泥中SiO2质量分数的增加，砂浆棒的膨胀率是逐渐减少的，特别到了14 d的时候，下降趋势显著。

图1 水泥中碱质量分数与砂浆棒膨胀率关系Fig 1 Relationship between alkali content in cement and expansion rate of mortar bar

图2 水泥中MgO质量分数与砂浆棒膨胀率关系Fig 2 Relationship between MgO content in cement and expansion rate of mortar bar

图3 水泥中SiO2质量分数与砂浆棒膨胀率关系图Fig 3 Relationship between SiO2 content in cement and expansion rate of mortar bar

由于试验过程在高温(80±2) ℃、强碱(1 mol/L)环境中进行，水泥中碱、MgO可能参与了反应，因此砂浆棒呈现了膨胀的趋势；在高温(80±2) ℃环境下，水泥中SiO2质量分数越高，水泥浆体生成的胶凝材料越多，增强了砂浆抵抗强碱环境的能力，所以砂浆的膨胀率逐渐减少。

2 不同的骨料对碱骨料反应的影响

2.1 骨料

试验采用的骨料从工地中采取，对骨料的化学成分进行分析，并按照骨料的当量碱质量分数进行排序，如表4所示。

表4岩石化学成分分析结果
Table4Analysis results of chemical composition of rocks %

编号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 试验结果及分析

采用同一种中热硅酸盐水泥，水泥当量碱质量分数为0.44%(表1中水泥编号为C1)，试验方法与前述相同，观测7 d、14 d、28 d砂浆棒试件膨胀率，试验结果如图4～图6所示。

图4 骨料中当量碱质量分数与砂浆棒膨胀率关系Fig 4 Relationship between equivalent alkali content in aggregate and expansion rate of mortar bar

从试验结果可以看出，随着骨料中当量碱质量分数的增加，膨胀率总体上是增加的趋势，但趋势不明显；随着骨料中SiO2质量分数的增加，膨胀率总体上是降低的，与水泥中SiO2质量分数对砂浆膨胀率的影响作用相似；随着骨料中MgO质量分数的增加，砂浆膨胀率总体趋势是降低的，与水泥中MgO质量分数的影响趋势相比较弱。

图5 骨料中SiO2质量分数与砂浆棒膨胀率关系Fig 5 Relationship between SiO2 content in aggregate and expansion rate of mortar bar

究其原因，笔者认为，骨料中的化学成分在高温、强碱环境中可能更难参与反应，因此总体上趋势不明显。随着碱质量分数、SiO2质量分数增加，砂浆膨胀率增加，说明参与碱硅酸反应的硅质更可能是来自于骨料本身，而不是水泥的水化产物；随着骨料中MgO质量分数增加，砂浆膨胀率呈现了下降的趋势，表明骨料中MgO参与反应的可能较小。

图6 骨料中MgO质量分数与砂浆棒膨胀率关系Fig 6 Relationship between MgO content in aggregate and expansion rate of mortar bar

3 结论

(1)采用快速砂浆棒法测试骨料的碱活性时，各龄期的趋势一致。

(2)采用不同种水泥与同一种骨料进行碱活性试验时，随着水泥中碱质量分数、MgO质量分数增加，砂浆膨胀率增加，随着水泥中SiO2质量分数增加，砂浆膨胀率降低。

(3) 采用不同种骨料与同一种水泥进行碱活性试验时，随着骨料中碱质量分数、SiO2质量分数增加，砂浆膨胀率增加，随着骨料中MgO质量分数增加，砂浆膨胀率总体降低。