卵石和砂岩骨料碱活性分析及混凝土综合性能

张桂华，张 丰

（1.江苏省句容市后白镇农业农村局，江苏句容212400；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京水利科学研究院，南京 210029）

0 引 言

碱-骨料反应（AAR）是水泥、含碱外加剂和环境等释放的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔溶液中，与骨料中活性成分反应，其生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂甚至破坏，进而失去设计性能，对于工程稳定的危害有目共睹，是影响混凝土耐久性的重要因素之一［1，2］。碱-骨料反应是一个极其缓慢而漫长的过程，有时可到几十年之久，一旦发生就很难阻止，被称为混凝土的“癌症”［3，4］。因此，在工程建设之初正确鉴定集料的碱活性是采取合理措施预防AAR破坏的关键。碱-骨料反应一般可分为碱硅酸盐反应（ASR）、碱碳酸盐反应（ACR）两类［5］，其中碱硅酸反应是迄今对工程损坏最多、分布最广、研究得最多的一种碱骨料反应类型［6］。自从AAR 问题提出以来，如何判断骨料的活性始终是一个重要问题。目前，骨料碱活性的检测方法有岩相法、化学法、砂浆长度法、岩石柱法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法［7，8］。

混凝土骨料是水利水电工程混凝土的“粮仓”，中国对混凝土碱活性骨料的预防工作非常重视，尤其在水利水电工程方面，要求混凝土所用的骨料必须进行碱活性检验及论证［9］。在无法杜绝使用碱活性集料的情形下，如何防治AAR破坏并充分利用工程附近的天然砂砾料、工程开挖料作为混凝土骨料，是大型水利水电工程亟须解决的关键技术问题［10］，对节省工程投资同时保证工程安全意义重大。目前，防止碱骨料反应发生的措施主要有：控制混凝土碱含量［11］、降低周围环境的湿度、使用活性掺和料（如粉煤灰［12，13］、矿渣［14］、硅灰［15］）以及掺用化学外加剂（如锂盐［16，17］）等。掺矿物掺合料是抑制混凝土发生碱骨料反应的重要措施，常见的有矿渣粉、硅灰、粉煤灰等［18，19］，它除了可以缓解和抑制碱骨料反应外，还可以改善混凝土的其他性能，并且对环境保护及节约资源也是有利的［20，21］。目前，在水利水电工程中多采用低碱水泥、掺加粉煤灰来抑制混凝土的碱骨料反应［22］。

西藏某大型水利水电工程是以发电为主的引水式电站，本文采用岩相法和砂浆棒法快速法对工程附近料源——天然砂砾石料、引水隧洞开挖料（岩性为前奥陶系变质石英砂岩）进行碱活性检测，分析论证骨料是否存在潜在碱活性，并研究抑制骨料碱活性反应的有效措施；在此基础上，设计制备C25W6F200 标号混凝土并测试其综合性能，评价并判断卵石、砂岩骨料用于大型水利水电工程的可行性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥。采用昆仑山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥（KL）和混凝土外加剂检测专用P·I 42.5 基准水泥（JZ），两种水泥的化学组成和XRD 图谱分别如表1 和图1 所示。两种水泥的MgO含量、SO3含量和烧失量均满足《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007指标要求，但KL 水泥的碱含量略高（达到0.78%），当骨料存在潜在碱活性时，需采取抑制措施。两种水泥的主要矿物组成均为C3S、C2S、C3A和少量的C4AF、玻璃体。

表1 水泥化学组成Tab.1 Chemical composition of cement

图1 水泥的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of cement

水泥的物理性能分别如表2 所示，所检指标均满足GB 175-2007的相关规定，其中KL水泥的比表面积为362 m2/kg，略微偏细，相应的标准稠度用水量为29.6%，偏高；KL 水泥的3、28 d 抗压强度为23.7、44.1 MPa，JZ 水泥的3、28 d 抗压强度为22.8、43.7 MPa。

表2 水泥物理性能指标Tab.2 Physical properties of cement

（2）粉煤灰。采用Ⅱ级粉煤灰（F 类），其化学组成和XRD图谱分别如表3 和图2 所示。粉煤灰硅铝含量合计80.12%，处于正常范围；矿物组成主要为莫来石、石英、赤铁矿、氧化钙和玻璃体；SO3含量和烧失量指标均满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2017中相关指标要求。

图2 II级粉煤灰XRD图谱Fig.2 XRD pattern of Grade II fly ash

表3 粉煤灰化学组成Tab.3 Chemical composition of fly ash

粉煤灰的其他物理性能测试结果见表4，所检性能指标均满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T 5055-2007 对II级灰的要求；需水量比为98%；但粉煤灰28 d 活性指数略低，仅有74%。

表4 粉煤灰物理性能指标Tab.4 Physical properties of fly ash

（3）骨料。采用天然卵石和隧洞砂岩洞挖料两种骨料，骨料形貌如图3 所示，品质测试结果见表5。两种骨料的所检性能指标均符合《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2015 要求。天然卵石粒形较好，颗粒饱满，针片状含量较少，压碎值较低，各粒级的饱和面干表观密度相差不大，约为2 700 kg/m3，吸水率较低。开挖砂岩经机械破碎后骨料多棱角，颗粒粒形多呈扁平状，粒形稍差；砂岩骨料的压碎值明显高于卵石，坚固性也稍差。

表5 骨料品质测试结果Tab.5 Test results of aggregate quality

图3 骨料形貌Fig.3 Aggregate morphology

（4）外加剂。减水剂采用GK-4A 缓凝型高效减水剂（萘系），厂家推荐掺量为0.6%～0.8%，减水率为20.5%；引气剂采用GK-9A 型引气剂，含固量为41.7%，厂家推荐掺量为0.006%～0.015%，两者均满足《水工混凝土外加剂技术规程》DL/T 5100-2014的相应技术要求。

1.2 试验方法

（1）骨料碱活性检测。岩相法：参照《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T 5151-2014，分别将天然卵石、开挖砂岩骨料制成薄片，在偏光显微镜下辨别各骨料所含碱活性矿物的品种、含量及其结构构造，从而判断骨料是否具有碱活性性质及可能发生的碱骨料反应的类型。

砂浆棒快速法：参照DL/T 5151-2014 中骨料碱活性检验（砂浆棒快速法），成型25.4 mm× 25.4 mm×285 mm 试件，标养24 h±2 h 脱模，放入80℃±2℃中恒温水箱中恒温24 h，擦干试件表面的水，测量试件的基准长度L0。然后放入80 ℃±2 ℃、1 mol/L NaOH 溶液中养护至规定龄期后取出，测量该龄期时的试件长度Lt，则试件第t天龄期的膨胀率为εt=（Lt-L0）/（L0-2Δ）×100%（Δ为测头的长度，mm）。每组测3 个试件，然后确定各组试件的膨胀率。

分别采用P·I 42.5水泥（JZ）和昆仑山牌P·O 42.5水泥（KL）对卵石、砂岩骨料进行碱活性检验。KL 水泥和JZ 水泥的碱含量分别为0.78%和0.56%，试验过程中通过掺10%NaOH 溶液，将水泥含碱量调至0.9%。

（2）力学性能。参照DL/T 5150-2017，分别成型150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×515 mm 的混凝土试件，测试混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、抗拉弹性模量和极限拉伸值等力学性能指标。其中，制作成型抗拉弹性模量和极限拉伸值试件时，拌合物需经30 mm 湿筛。每组测3个试件，然后确定强度代表值。

（3）抗渗性能。参照DL/T 5150-2017，采用逐级加压方式进行试验，水压从0.1 MPa 开始，以后每隔8 h 增加0.1 MPa 水压，并随时观察试件端面渗水情况；试验结束后，将试件从试模中取出，劈开后用游标卡尺测量渗水高度。以一组6 个试件测值的平均值作为试验结果。

（4）抗冻性能。参照DL/T 5150-2017，成型尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件，采用DDR-2型混凝土快速冻融试验机进行抗冻试验。每做50 次冻融循环后用台秤和DT-16型动弹仪分别测质量损失率和相对动弹性模量。取一组三个试件测值的平均值作为试验结果。

2 结果与讨论

2.1 骨料碱活性检测

2.1.1 岩相法分析

（1）天然卵石。卵石骨料样品中约80%颗粒主要由石英晶体、云母和方解石组成，此外还含有少量长石晶体和约15%微晶石英，未见白云石；约20%颗粒主要由石英晶体和长石晶体组成，含有少量云母、绿泥石、方解石和约6%微晶质至隐晶质石英，未见白云石。卵石骨料典型的偏光照片如图4所示。

图4 天然卵石典型偏光照片Fig.4 Typical polarized photos of natural pebbles

卵石骨料的碱-硅反应活性组分为微晶石英或微晶质至隐晶质石英，含量约13%，需采用砂浆棒试件或混凝土棱柱体试件进一步检测其碱-硅反应活性；未见碱-碳酸盐反应活性组分白云石，不具有碱-碳酸盐反应活性。

（2）开挖砂岩。开挖砂岩骨料主要由石英晶体和云母组成，含有少量长石晶体、绿泥石、方解石和约2%微晶石英，未见白云石。砂岩骨料典型的偏光照片如图5所示。

图5 砂岩典型偏光照片Fig.5 Typical polarized photo of sandstone

砂岩骨料中的碱-硅反应活性组分为微晶石英，含量约2%，需采用砂浆棒试件或混凝土棱柱体试件检测其碱-硅反应活性；未见碱-碳酸盐反应活性组分白云石，不具有碱-碳酸盐反应活性。

2.1.2 砂浆棒快速法分析

由岩相法分析可知，上述两种骨料均不具有碱-碳酸盐反应活性，但可能具有潜在碱-硅反应活性，碱活性矿物组分主要为微晶石英。进一步按砂浆棒快速法分析卵石和砂岩骨料的碱-硅反应活性。分别采用JZ和KL水泥成型砂浆棒试件，两种骨料的碱活性检测结果图6所示。

图6 骨料碱活性检测结果Fig.6 Test results of aggregate alkali activity

因KL 水泥是普通硅酸盐水泥，会含有约20%的对碱-硅反应有抑制作用的混合材，而JZ水泥是I型硅酸盐水泥，混合材的比例＜5%，因此，相同龄期下，两种骨料采用JZ 水泥制备砂浆棒的膨胀率均要大于采用KL 水泥时的膨胀率，其中对于卵石骨料更为明显。采用JZ水泥时，天然卵石的砂浆棒14 d膨胀率较大，达到0.273%，大于判据0.20%，可判断卵石骨料具有潜在碱活性；开挖砂岩的砂浆棒14 d 膨胀率为0.146%，介于0.10%与0.20%之间，延长测试龄期至28 d 时，其膨胀率达0.229%，也超过了0.20%，因而判断砂岩骨料也具有潜在碱活性。采用KL水泥时，卵石和砂岩骨料的砂浆棒14 d膨胀率均小于0.20%；但至28 d时，两种骨料试件的膨胀率均接近甚至超过了0.20%，其中卵石骨料的膨胀率达到了0.243%，同样可判断两种骨料具有潜在碱活性。

2.2 骨料碱活性抑制

通过掺20%、25%和30%不等量II 级粉煤灰来抑制卵石、砂岩骨料的碱活性，抑制措施有效性试验按照DL/T 5151-2014中规定的砂浆棒快速法进行，抑制措施有效性的判据为28 d 膨胀率＜0.10%。分别采用KL 水泥和JZ 水泥成型砂浆棒试件，不同粉煤灰掺量对两种骨料碱骨料反应抑制的试验结果如图7所示。

图7 骨料碱活性抑制试验结果Fig.7 Inhibition test results of aggregate alkali activity

对应天然卵石骨料，采用基准水泥条件下，掺20%粉煤灰时，砂浆棒28 d 膨胀率为0.151%，明显大于0.10%的判据，尚不足以抑制其碱-硅反应；而当掺25%粉煤灰时，28 d 膨胀率降低为0.091%，小于0.10%的判据，因此通过单掺II 级粉煤灰来抑制卵石骨料碱活性的最低掺量为25%。因KL 水泥自身含有一定具有碱-硅反应抑制效果的混合材，采用KL 水泥本身就可以看作是一种抑制措施。采用昆仑山牌水泥条件下，掺20%粉煤灰时，砂浆棒28 d 膨胀率为0.043%，即已小于判据0.10%，说明采用“KL水泥+20%II级粉煤灰”的策略可以有效抑制卵石骨料的碱-硅反应。

同理，对应开挖砂岩骨料，采用基准水泥条件下，有效抑制砂岩骨料碱-硅反应的粉煤灰最低掺量为30%；采用昆仑山牌水泥条件下，掺20%粉煤灰时，砂浆棒28 d膨胀率为0.065%（小于判据0.10%），因此采用“KL 水泥+20%II 级粉煤灰”的策略可有效抑制砂岩骨料碱-硅反应。

2.3 混凝土综合性能

选用昆仑山牌P·O 42.5 水泥（KL），分别以天然卵石、开挖砂岩作骨料，经筛分，选用5～20 mm粒径骨料作小石、20～40 mm粒径骨料作中石，其中砂岩需先将毛料经机械破碎；卵石和开挖砂岩分别经机械破碎、粉磨制成人工砂，细度模数分别为2.80 和2.73，中等偏粗。以绝对体积法设计、计算C25W6F200标号混凝土的配合比，控制拌合物坍落度为50～70 mm。结合以往工作经验及混凝土设计要求，通过设计计算及试拌调整后确定C25W6F200 混凝土配合比参数为：水胶比0.35，单位用水量133 kg/m3，粉煤灰掺量20%，砂率33%，具体配合比如表6所示。

表6 混凝土试验配合比Tab.6 Test mix ratio of concrete

2.3.1 拌合物性能

按表6混凝土配合比拌合混凝土，按照《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2017 测试混凝土拌合物的坍落度、容重、含气量和凝结时间等指标，结果如表7所示。可知，用两种骨料配制的混凝土坍落度均满足设计要求，含气量也满足《水工建筑物抗冰冻设计规范》NB/T 35024-2014 中的相关规定；混凝土拌合物凝结时间正常。

表7 混凝土拌合物性能Tab.7 Performance of concrete mixture

2.3.2 力学性能

测试两种骨料混凝土的力学性能，包括立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、抗拉弹性模量和极限拉伸值等，结果如表8 和表9 所示。根据《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330-2015 中相关规定计算可知，当混凝土强度保证率为95%时，C25 混凝土的配制强度为31.6 MPa。由表8 可知，卵石骨料、砂岩骨料的C25 混凝土28 d 抗压强度分别为32.6 和35.2MPa，满足C25混凝土配制强度要求；两者28 d劈裂抗拉强度也分别达到了2.28 和2.39 MPa。相同条件下，砂岩骨料混凝土实测强度均略高于卵石骨料混凝土，这是因为开挖砂岩骨料经机械破碎后多棱角，与水泥石的咬合强度更高。由表9可知，两种骨料C25混凝土抗拉性能相近，28 d的极限拉伸值为99～101 με、轴心抗拉强度为2.51～2.59 MPa、抗拉弹性模量为27.5～28.8 GPa。

表8 混凝土抗压和劈裂抗拉强度Tab.8 Compressive and split tensile strength of concrete

表9 混凝土抗拉性能Tab.9 Tensile properties of concrete

2.3.3 抗渗性能

表10 为卵石、砂岩骨料C25W6F200 混凝土的抗渗试验结果。可知，水压加至0.7 MPa 在8 h 内，两组混凝土试件均未出现渗水，因此两种骨料混凝土的抗渗等级均满足W6设计要求；试验结束后，测量卵石、砂岩骨料C25W6F200 混凝土的渗水高度分别为15.6 mm和16.3 mm。

表10 混凝土抗渗试验结果Tab.10 Results of concrete impermeability test

2.3.4 抗冻性能

表11 为卵石、砂岩骨料C25W6F200 混凝土的抗冻试验结果。可知，两种骨料制备的C25 混凝土抗冻等级均能满足F200的设计要求。两组混凝土试件经冻融循环后相对动弹性模量损失较小，而混凝土的质量损失较大，相同条件下砂岩骨料混凝土抗冻性能相对更优。经250次冻融循环后，卵石、砂岩骨料混凝土的相对动弹性模量均高于89%，远高于60%的破坏判断值，质量损失率则分别为4.46%和1.40%，也均小于5%的破坏判断值。

表11 混凝土抗冻试验结果Tab.11 Results of concrete frost resistance test

综上所述，选用昆仑山牌P·O 42.5 水泥，分别以天然卵石和开挖砂岩作骨料，以水胶比0.35、单位用水量133 kg/m3、粉煤灰掺量20%（可有效抑制骨料碱-硅反应）、砂率33%为参数可制备满足设计要求的C25W6F200标号混凝土。

2.4 思考与建议

（1）岩相法常为碱活性检测的首要方法，但往往只是用来判断其中是否有碱活性物质，具有碱活性物质并不是具有危害性膨胀的充分条件，因此其检测数据应主要用于判断岩性。砂浆棒快速法可成功筛选出大多数碱活性骨料，但也存在漏判和判定过严的情况［23，24］。无论砂浆长度法、砂浆棒快速法、岩石柱法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法，本质上都是加速碱集料反应，都不能完全反应混凝土的实际情况。研究人员应在检测方法理解和选择的基础上，采用多种方法对骨料碱活性进行综合判定。

（2）混凝土中总碱含量决定了碱骨料反应的数量、范围和危害影响程度。混凝土中碱的来源主要有：水泥、粉煤灰等掺和料、外加剂、拌和水、砂石骨料等，其中大部分都来源于水泥［22］。因此，抑制混凝土发生碱骨料反应相对便捷、经济、有效的措施是控制总碱含量（尤其是胶凝材料、外加剂的碱含量）。

（3）掺入粉煤灰、硅粉、矿渣等掺和料虽然对混凝土总碱量影响不大，但具有抑制碱活性及降低水泥用量等综合效应，是抑制碱骨料反应的重要措施。

（4）碱-骨料反应（AAR）危害巨大，但并不可怕。通过试验研究，采取合理、有效措施抑制碱骨料反应，同样可以保障工程安全。雅砻江锦屏一级水电站工程［25］、引滦入津水源保护工程［26］、南水北调中线工程多段线路［27，28］等国内多个大型水利水电工程建设中都使用了碱活性骨料（开挖料或河床料）。

3 结 论

（1）岩相分析表明，天然卵石和开挖砂岩含有数量不等的碱-硅反应活性组分（微晶质至隐晶质石英），但均未见碱-碳酸盐反应活性组分白云石；砂浆棒快速法检验结果表明，卵石砂浆棒14 d 膨胀率为0.273%；砂岩砂浆棒14 d 膨胀率为0.146%，延长龄期至28 d 时膨胀率也超过0.20%，因此可判断两种骨料均为具有潜在危害性反应的碱活性骨料。

（2）单掺II 级粉煤灰来抑制卵石、砂岩骨料碱活性的最低掺量分别为25%和30%；采用“昆仑山牌水泥+20% II 级粉煤灰”的策略均可有效抑制卵石、砂岩骨料的碱-硅反应。

（3）选用昆仑山牌P·O 42.5 水泥、II 级粉煤灰掺量20%，分别以天然卵石和开挖砂岩作骨料，可制备满足设计要求的C25W6F200 标号混凝土；卵石、砂岩骨料的C25 混凝土28 d 抗压强度分别可达32.6和35.2 MPa。