水工混凝土抑制碱骨料反应的材料试验研究(常用版).docx
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1、水工混凝土抑制碱骨料反应的材料试验研究（常用版）(可以直接使用，可编辑 完整版资料，欢迎下载）水工混凝土抑制碱骨料反应的材料试验研究周麒雯 , 杨轶( 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 , 四川 成都 610072)摘 要 : 对水工混凝土常用混合材中的粉煤灰 、磷渣 、硅粉以及锂盐渣进行了抑制 AS R 的试验研究 。试验研究结果表明 : 在水工混凝土中掺用一定量的混合材可以有效地抑制 AS R 膨胀变形 。相比而言 , 硅粉抑制 AS R 的能力要优于粉煤灰 , 而磷渣与锂盐渣抑 制 AS R 的效果则逊于粉煤灰 。关键词 : 水工砼 ; 混合材料 ; 抑制 ; 碱骨料反应 ; 砼试验中
2、图法分类号 : TV43 ; TV42文献标识码 :B文章编号 :1003 - 9805 (2021) 03 - 0040 - 06使用某些混合材置换部分水泥 , 不仅能延缓或抑制AS R , 而且对水工混凝土的其它性能也有一定的改 善作用 , 同时对节约资源 、保护环境也有重要意义 。本文结合水电工程的实际 , 对水工混凝土常用的粉煤灰 、磷渣 、锂盐渣及硅粉等混合材抑制 ASR 进行 试验研究 。1前言防止混凝土碱骨料反应 ( AAR) 是当今混凝土工程所面临的重要课题之一 , 对其防治措施的研究已 引起世界上许多国家的高度重视 。一般来说 , AAR 是一个较缓慢的过程 , 混凝土有时需
3、要几十年时间 才会出现裂缝 , 特别是对于一些慢膨胀型的活性骨料 , 时间将会更长 。水利水电工程较长的使用寿命 要求和水工混凝土所处的潮湿环境为 AAR 提供了 充分的时间和环境条件 。这表明在 AAR 方面 , 水工 混凝土比普通混凝土具有更大的危险性 。AAR 按 参与反应的骨料类型分为碱硅酸反应 ( AS R) 和碱碳酸盐反应 ( ACR ) 两种 。因在水工混凝土中 ASR 较ACR 普遍 , 故本文主要针对抑制 AS R 进行探讨 。 使用非活性骨料对防止水工混凝土 ASR 而言是最安全可靠的措施 。但由于活性骨料特别是硅质 活性骨料分布广泛 , 以及受工程造价的影响 , 水工混凝
4、土骨料的选择余地愈来愈受到限制 。另外 , 目前 对评定骨料的碱活性特别是慢膨胀骨料的潜在碱活 性尚无绝对可靠的方法 , 正确评定骨料的碱活性也 并非易事 。大量的试验研究表明 , 在水工混凝土中2试验原材料及试验方法试验采用的水泥品种为峨嵋中热水泥 、双马中热水泥及攀枝花中热水泥 , 水泥的化学成分见表 1 ; 粉煤灰采用内江 级粉煤灰以及攀钢 504 厂的 级 粉煤灰 ; 磷渣采用川投电冶公司黄磷厂的磷渣 ; 硅粉采用成都东蓝星科技发展的硅粉 ; 锂盐渣 采用射洪明珠集团锂业公司生产的锂盐渣 。混合材 的化学成分见表 2 。试验采用砂浆棒快速法 。其中粉煤灰 、磷渣以 及锂盐渣为等量取代
5、, 硅粉为外掺 。胶凝材料的碱含量则通过添加纯度为 10 %的 NaO H 试剂调整 , 养 护条件为 80 、1mol/ L NaO H 溶液 。分别测量试件 不同龄期的膨胀率 , 并计算混合材对 AS R 膨胀的抑 制率 。表 1水泥的化学成分%水泥品种SiO2Fe2O3Al 2O3CaOMgOSO3烧失量碱含量202132021321103515351534121515951594168601486014864121410341031129014501452106119511950178015501550141峨嵋中热水泥攀枝花中热水泥 双马中热水泥收稿日期 :2021 - 04 - 0
6、1作者简介 : 周麒雯 (1962 - ) , 女 , 四川成都人 , 高级工程师 , 主要从事水工混凝土碱骨料反应及混凝土性能试验研究 。40表 2混合材的化学成分%混合材品种SiO2Fe2O3Al 2O3CaOMgOSO3烧失量碱含量511115113639158961021103121935174018101104121202112818331070113416861744146501541142641211152217101910151112921512115212641254117212611460178113821320159内江 级灰504 厂的 级灰 川投磷渣成都东蓝星硅粉射洪
7、锂盐渣2106015质石英砂岩为活性骨料 。311 粉煤灰掺量对 AS R 膨胀率的影响不同粉煤灰掺量下的砂浆膨胀率曲线见图 2 。 由试验 研 究 结 果 可 以 看 出 , 当 粉 煤 灰 掺 量 分 别 为10 % 、20 % 、30 %和 35 % 时 , 其 14d 砂浆膨胀率值分别为不掺粉煤灰对比试样的 5415 % 、1816 % 、1113 %和 916 % , 表明掺一定量的粉煤灰对于活性骨料的 AS R 膨胀有着明显的抑制作用 , 并随着粉煤灰的掺 量增加 AS R 膨胀率减小的幅度越大 。3粉煤灰抑制 AS R 的试验研究粉煤灰的化学成分以 SiO2 和 Al2O3 为主
8、 , 其活性来源于火山灰作用 , 与所含的 SiO2 、Al2O3 及玻璃质的球形颗粒有关 。现结合锦屏一级水电站实际 ,对粉煤灰抑制 AS R 作用进行试验研究 。骨料为当 地具有活性的变质石英砂岩 , 按 DL / T5151 - 2001 中规定的砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法对变质石英砂岩的碱活性进行检验的结果 ( 见图 1) 表明 , 该变图 1 变质石英砂岩碱活性检验结果图 2 粉煤灰掺量对砂浆膨胀率的影响图 3 粉煤灰掺量对膨胀抑制率的影响312粉煤灰掺量对 AS R 膨胀抑制率的影响粉煤灰掺量对砂浆 14d 膨胀抑制率的影响见图3 。试验结果表明 , 随着粉煤灰掺量的增加 , 粉
9、煤灰 对活性骨料 ASR 膨胀的抑制率也增大 。当粉煤灰的掺量大于 20 %时 , 粉煤灰对活性骨料 ASR 膨胀的抑制率趋于平缓 。313胶凝材料中的碱含量对抑制 AS R 膨胀效果的 影响为了进一步探讨粉煤灰的抑制效果 , 在不同胶 凝材料碱含量条件下进行了砂浆膨胀率试验 。胶凝材料中碱含量分别为 016 % 、019 % 、1125 %和 210 %时的砂浆膨胀率试验结果见图 4 。由试验结果可以看出 , 胶凝材料中的碱含量越高 , 活性骨料的 AS R膨胀率越大 。314与非活性骨料的砂浆膨胀率比较掺 20 %粉煤灰时活性骨料的砂浆膨胀率与非 活性骨 料 砂 浆 膨 胀 率 的 比 较
10、 见 图 5 。试 验 结 果 表明 ,掺 20 %的粉煤灰时 , 其活性骨料的砂浆膨胀率 低于在相同水泥含碱量 ( 不掺粉煤灰) 时非活性骨料的砂浆膨胀率 。315粉煤灰抑制 ASR 效果评价活性骨料的 ASR 膨胀率随着粉煤灰掺量的增 加而逐渐减小 , 表明掺一定量的粉煤灰对于活性骨料的 ASR 有着明显的抑制作用 。当粉煤灰掺量达41到 20 %时 , 其 14d 膨胀率小于 011 % , 测试时间延长至 28d , 其膨胀率也未超过 011 % 。从砂浆膨胀抑制 率来看 , 当粉煤灰的掺量超过 20 % 时 , 砂浆膨胀抑制率的变化趋于平缓 。这表明粉煤灰掺量在 20 %及以上时 ,
11、 其抑制活性骨料 ASR 膨胀的效果明显 。 当粉煤灰掺量不低于 20 %时 , 活性骨料砂浆膨胀率均小于同龄期的非活性骨料的砂浆膨胀率 。这表明 在掺 20 %粉煤灰时 , 将活性骨料应用于实际工程中 具有一定的安全性 。物质并具有水硬活性 。结合官地水电站对磷渣抑制ASR 进行试验研究 。骨料为当地的角砾熔岩 , 采用 砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法对岩石的碱活性检验的结果 ( 见图 6) 表明 : 该角砾熔岩为活性骨料 。411磷渣掺量对 ASR 膨胀的影响不同磷渣掺量下砂浆膨胀率曲线见图 7 。由试 验结果可以看出 , 在水泥中掺入 30 % 的磷渣时 , 活性骨料的 14d 砂浆膨胀率
12、由 01178 %降为 01062 % ;掺入 50 %的磷渣时 , 活性骨料的 14d 砂浆膨胀率降 为 01031 % 。这表明随着磷渣掺量的 增 加 , 活 性 骨料的 ASR 膨胀率将减小 。412磷渣掺量对 ASR 膨胀抑制率的影响磷渣掺量对砂浆 14d 膨胀率的影响见图 8 。由 试验结果可以看出 , 当水泥中的磷渣掺量由 30 %增 加到 40 %时 , 其对活性骨料 14d 砂浆膨胀的抑制率将 提高1313 % ; 掺量由30 %增加到50 %时 , 其对活4磷渣抑制 AS R 的试验研究磷渣的组成主要为硅酸盐和铝酸盐 , 同时还存在部分小颗粒的晶体 。粒化电炉磷渣具有较高的活
13、 性 , 但在一般条件下 , 磷渣并不具有水硬性 , 只有在激发剂存在的情况下才能发生水化反应 , 形成胶凝图 4碱含量对砂浆膨胀率的影响图 5与非活性骨料砂浆膨胀率的比较图 6角砾熔岩碱活性检验结果图 7 磷渣掺量对砂浆膨胀率的影响图 8磷渣掺量对砂浆膨胀抑制率的影响42性骨料 14d 砂浆膨胀抑制率将提高 2021 % 。这表明随着磷渣掺量的增加 , 磷渣对活性骨料 ASR 膨胀的 抑制率将提高 。413胶凝材料碱含量与抑制效果不同胶凝材料碱含量条件下磷渣抑制骨料 ASR膨胀的试验结果见图 9 。由试验结果可以看出 , 当 碱含量从 019 %增加到 210 %时 , 掺 40 %磷渣的
14、14d的砂浆膨胀率将增加 710 % ; 掺 50 %磷渣的 14d 的砂浆膨胀率将增加 810 % 。这表明胶凝材料中碱含量对骨料 AS R 的膨胀有着一定的影响 , 碱 含 量 越高 , 磷渣抑制骨料 ASR 膨胀的效果越差 。414磷渣与粉煤灰抑制 AS R 效果的比较在水泥中碱含量为 019 % 的条件下 , 进行了单 掺磷渣和粉煤灰的抑制 ASR 的对比试验 , 试验结果 见图 10 。由试验结果可以看出 , 单 掺 30 % 的 磷 渣14d 的抑 制 率 比 单 掺 30 % 的 粉 煤 灰 的 抑 制 率 要 低3611 % ,28d 要低 3812 % 。这 表 明 在 同
15、等 条 件 下 磷 渣抑制骨料 ASR 膨胀效果逊于粉煤灰 。图 9 水泥碱含量与抑制效果的试验结果图 10 磷渣与粉煤灰抑制效果的比较试验结果掺入 10 %的硅粉时 , 活性骨料的 14d 砂浆膨胀率降为 01003 % 。这表明随着硅粉掺量的 增 加 , 活 性 骨 料 AS R 的 14d 膨胀率减小 。512 硅粉掺量对 AS R 膨胀抑制率的影响硅粉掺 量 对 砂 浆 14d 膨 胀 抑 制 率 的 影 响 见 图13 。由试验结果可以看出 , 当水泥中的硅粉掺量由6 %增加到 8 %时 , 其对活性骨料 14d 砂浆膨胀的抑 制率提高 412 % ; 掺量由 6 %增加到 10 %
16、时 , 其对活 性骨料 14d 砂浆膨胀抑制率提高 416 % 。这表明随 着硅粉掺量的增加 , 硅粉对活性骨料 ASR 膨胀的抑制率将提高 。513 硅粉与粉煤灰抑制 ASR 效果的比较在水泥中碱含量为 019 % 的条件下 , 进行了单 掺硅粉和粉煤灰的抑制 AS R 的对比试验 , 试验结果见图 14 。从试验结果可以看出 : 单掺 8 %硅粉时的 膨 胀抑制率与单掺30 %的粉煤灰时的膨胀抑制率435硅粉抑制 AS R 的试验研究硅粉含高量的无定形二氧化硅 ( 含量为 90 %96 %) , 二氧化硅的含量越高 , 其活性越大 。由于硅 粉颗粒极细 , 因此硅粉微粒可以填充到混凝土的微
17、孔隙中 , 使混凝土更密实 ; 且硅粉与水泥水化时析出的 CaO 产生水化反应生成硅酸钙 , 提高了混凝土的 力学性能 。结合两河口水电站对硅粉抑制 AS R 进行试验研究 。骨料为当地的泥质砂岩 , 采用砂浆棒 快速法和混凝土棱柱体法对岩石的碱活性进行检验的结果 ( 图 11) 表明 , 该泥质砂岩为活性骨料 。511硅粉掺量对 ASR 膨胀的影响不同硅粉掺量下砂浆膨胀率曲线见图 12 。由 试验结果可以看出 , 在水泥中掺入 6 %的硅粉时 , 活性骨料的 14d 砂浆膨胀率由 01239 %降为 01014 % ;图 11泥质砂岩碱活性检验结果图 12 硅粉掺量对砂浆膨胀率的影响图 13
18、硅粉掺量对砂浆膨胀抑制率的影响图 14 硅粉与粉煤灰抑制效果的比较试验结果相当 , 表明在同等条件下硅粉抑制骨料 AS R 膨胀效果要优于粉煤灰 。1917 % 、1316 % 、1116 % 、715 % 和 418 % 。这 表 明 在水泥中掺入一定量的锂盐渣可以减少砂浆试件的 AS R 膨胀值 , 并随着锂盐渣掺量的增加 , 活性骨料 的 AS R 的膨胀率将减小 。612 锂盐渣掺量对 AS R 膨胀抑制率的影响锂盐渣掺量对砂浆 14d 膨胀抑制率的影响见图16 。试验结果表明 , 随着锂盐渣掺量的增加 , 锂盐渣 对活性骨料 AS R 膨胀的抑制率也增大 。当锂盐渣的掺量大于 20
19、%时 , 锂盐渣对活性骨料 ASR 膨胀的抑制率趋于平缓 。613 锂盐渣与粉煤灰抑制 AS R 效果的对比在水泥中碱含量为 019 % 的条件下 , 进行了单 掺锂盐渣和粉煤灰的抑制 ASR 的对比试验 , 试验结果见图 17 。从试验结果可以看出 : 单掺 30 %的锂盐 渣时 , 其砂浆膨胀率略高于单掺 30 %的粉煤灰的砂 浆膨胀 率 , 其 14d 砂 浆 膨 胀 率 增 加 5 % 左 右 ; 单 掺40 %的锂盐渣时 , 其砂浆膨胀率高于单掺40 %的粉6锂盐渣抑制 AS R 的试验研究锂盐渣是用锂辉石经 1 200 煅烧后生产碳酸锂的副产品 , 其主要成分为氧化硅 、氧化铝 、
20、氧化钙 等 。由于锂盐渣含有较多的无定形二氧化硅 、三氧化铝 , 具有较高的活性可以作为水工大体积混凝土 的掺合料 。现结合锦屏一级水电站的实际 , 对锂盐 渣抑制 ASR 进行试验研究 , 骨料采用当地的变质石英砂岩 。611 锂盐渣掺量对 ASR 膨胀率的影响不同锂 盐 渣 掺 量 下 砂 浆 膨 胀 率 曲 线 见 图 15 。 由 试 验 结 果 可 以 看 出 , 当 锂 盐 渣 的 掺 量 分 别 为10 % 、20 % 、30 % 、35 % 、40 % 及 50 % 时 , 其 14d 砂浆膨 胀 率 分 别 为 不 掺 锂 盐 渣 对 比 试 样 的 8116 % 、44图
21、15 锂盐渣掺量对 ASR 膨胀率的影响图 16 锂盐渣掺量对 ASR 膨胀抑制率的影响图 17 锂盐渣与粉煤灰抑制 ASR 的比较煤灰的砂浆膨胀率 , 其 14d 砂浆膨胀率增加 22 %左右 。这表明在同等条件下锂盐渣抑制骨料 AS R 膨 胀效果要逊于粉煤灰 。的能力要优于粉煤灰 , 而磷渣和锂盐渣的抑制 ASR效果则逊于粉煤灰 。参考文献 :7结语 1 姚燕. 新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用 M . 北京 :中国建材工业出版社 , 2004 .王伶俐 , 姚燕. 重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用 M .北京 : 中国建材工业出版社 , 2000.李光伟 , 等. 粉煤灰抑制
22、集料 AS R 有效性的评估 J . 水 力 发 电 , 2007 (5) .周麒雯 , 等. 磷渣抑制集料碱硅酸反应的试验研究 J . 水利水 电科技进展 , 2021 (2) .周麒雯 , 等. 锦屏一级水电站石英砂岩碱活性及碱活性抑制试 验研究A . 混凝土工程耐久性研究和应用 C . 成都 : 西南交 通大学出版社 , 2006 .在水工大体积混凝土中掺用混合材的主要作用有 :一是节约水泥 , 降低工程造价 ; 二是降低大体积 混凝土的绝热温升 , 改善温控条件 ; 三是提高水工混凝土的抗裂能力 。通过对水工混凝土常用的混合材 粉煤灰 、磷渣 、硅粉以及锂盐渣进行的 ASR 抑制试 验
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