粉煤灰对改善混凝土碱-骨料反应的试验研究

李青山

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 昌吉 831100)

碱-骨料反应，是指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与骨料中的碱活性矿物在潮湿环境下发生膨胀反应，导致混凝土开裂甚至破坏的现象。根据与碱反应的岩石类型，可将碱-骨料反应划分为两种类型：即碱-硅酸反应(包含碱-硅酸盐反应)、碱-碳酸盐反应。碱-硅酸反应，即碱与骨料中活性SiO2发生反应，生成硅酸钠凝胶，吸水膨胀，引起混凝土开裂破坏[1-4]。碱-碳酸盐反应是指碱与某些泥质石灰质白云岩或泥质白云质石灰岩发生脱白云化反应，引起混凝土膨胀、开裂破坏。本文以新疆水工建筑材料为研究对象，利用岩相法对23组粗细骨料进行分析，采用砂浆棒快速法对8组骨料(其中4组掺粉煤灰，4组对照)进行膨胀率测定，分析粉煤灰减弱碱-骨料反应的机理，并给出预防和避免碱-骨料反应的工程措施，为其他工程提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 水泥

水泥选用天山水泥厂生产的P.O42.5水泥，碱含量0.75%，水泥的基础性能指标均满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)[5]中的技术要求(见表1和表2)。

表1 水泥的碱含量试验成果

注含碱量以 Na2O计，即 R2O=Na2O+0.658 K2O。

表2 水泥性能检测结果

1.2 粉煤灰

粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰(各项性能检测结果见表3)，由表3可知粉煤灰的各项性能均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)[6]的技术(质量)要求。

表3 粉煤灰检测结果

1.3 配合比及试验

按照规范要求，每组制备三个试件，试件水灰比为0.47，水泥与标准砂的比例为1∶2.25。

试件的养护及试验按照碱-骨料反应试验方法进行。

2 骨料的碱活性检测

2.1 岩相法

岩相法是通过显微镜观察来鉴定骨料的种类和成分，特别是那些已知活性矿物存在与否的骨料，以此来判断其是否存在碱活性，但得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系。

本次碱-骨料反应试验取19组粗骨料、4组细骨料进行岩石薄片鉴定。薄片鉴定结果为：混凝土粗骨料的岩石类型主要是含弱蚀变细粒黑云母花岗岩(弱绿泥石化、弱绢云母化)、碎裂中细粒二长花岗岩、蚀变碎裂细粒英云闪长岩、蚀变英云闪长玢岩(绢云母化)、石英岩、二长花岗斑岩、不等粒二长花岗岩、弱蚀变细粒花岗闪长岩、蚀变英安岩(弱碳酸岩化、弱绿泥石化、弱绢云母化)、花斑岩、中细粒二长花岗岩、微细粒花岗岩、细粒二长花岗岩、蚀变微细粒石英闪长岩(弱绿泥石化、绢云母化)、弱蚀变霏细岩(弱绢云母化)、粉晶细晶灰岩、大理岩、弱蚀变晶屑玻屑凝灰岩(弱绢云母化)、云母长英质角岩等；混凝土细骨料的岩石类型主要是蚀变花岗岩、闪长岩、硅化蚀变岩、变粒岩、大理岩、绢英岩、砂岩、凝灰岩、灰岩、花岗质碎裂岩、蚀变霏细岩、石英岩、泥岩、粉砂质泥岩、安山岩、霏细斑岩、蚀变砂岩、长英质碎裂岩、流纹岩、霏细岩等。其中有8组粗、细骨料中均含有碱活性岩石，需进一步进行碱-硅酸快速反应试验。

2.2 砂浆棒快速法

砂浆棒快速法能在14天内检测出骨料在砂浆中的潜在有害的碱-骨料反应，适用于检验反应缓慢或只有后期反应产生膨胀的骨料。本次试验采用岩相法和砂浆棒快速法进行综合评定。通过砂浆棒快速法制备混凝土试件，测得试件膨胀率(见表4)。

表4 砂浆棒快速法骨料碱活性试验结果

由表4可知，8组粗、细骨料中有6组为可疑骨料，有2组为非活性骨料。不掺粉煤灰的试件，碱-骨料反应明显，混凝土膨胀率呈指数型变化，3天、7天、14天平均膨胀率分别为0.022、0.036、0.108。掺20%粉煤灰试件6-2、7-2、8-2出现了收缩现象，其余试验组膨胀率变化较小。可见，掺加20%粉煤灰能够降低骨料发生碱-骨料反应的风险。

3 原因分析

发生碱-骨料反应的两个必备因素，一是有水环境，二是环境中的可溶碱达到一定浓度。粉煤灰是一种活性材料，掺入混凝土后能够消耗骨料中可溶的碱和水泥水化后生成的氢氧化钙，降低了混凝土中碱的含量；与此同时，粉煤灰具有很好的填充作用，水化后能够降低混凝土的孔隙率，使混凝土密实，外界水很难进入内部，形成内部相对干燥的环境，骨料中的碱性氧化物无法溶解，降低了发生碱-骨料反应的风险。

4 结论与建议

经过砂浆棒快速法等试验，该8组混凝土粗、细骨料中大部分样品存在潜在碱活性危害，不掺粉煤灰的试件，碱-骨料反应明显，混凝土膨胀率呈指数型变化，3天、7天、14天平均膨胀率分别为0.022、0.036、0.108。掺20%粉煤灰试件膨胀率变化较小。掺加20%粉煤灰能够降低骨料发生碱-骨料反应的风险。实际工程中，混凝土发生碱-骨料反应时间较长，为防止混凝土建筑物遭受碱-骨料反应破坏，建议在工程中使用碱含量较低的水泥，同时，在保证强度和耐久性的前提下掺入20%及以上的粉煤灰能够有效控制混凝土发生碱-骨料反应。