磨细矿渣对现场活性骨料碱－硅反应的抑制

唐修生，黄国泓，祝烨然

（1.南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司，南京 210024；2.水利部水工新材料工程研究中心，南京 210029）

磨细矿渣对现场活性骨料碱－硅反应的抑制

唐修生1，2，黄国泓1，2，祝烨然1，2

（1.南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司，南京 210024；2.水利部水工新材料工程研究中心，南京 210029）

研究了不同掺量磨细矿渣对现场活性骨料碱-硅反应的抑制效能，并与普通砂浆进行对比。结果表明：磨细矿渣对骨料碱-硅反应的抑制作用，随磨细矿渣掺量的增加而增强，当磨细矿渣掺量达到50%及以上时，砂浆试件28 d膨胀率小于0.10%。压滤试验和能谱分析充分解释了磨细矿渣对活性骨料碱-硅反应的抑制机理，抑制机理主要是孔溶液中K＋，Na＋浓度的降低和水化产物中低n（Ca）／n（Si）比的C-S-H凝胶的形成。

磨细矿渣；碱-硅反应；抑制效能；机理分析

近年来，碱骨料反应对混凝土工程寿命的潜在危害性在国内得到了普遍重视，三峡工程［1］、青藏铁路［2］等国家重点工程都进行了相关研究。目前，针对活性骨料碱-硅反应的抑制措施研究，主要集中在应用低碱水泥、矿物掺合料、复合外加剂这3个方面［3－6］，其中，应用矿物掺合料被认为是国内外应用最广泛、最经济有效的抑制技术措施。但由于混凝土原材料、配合比、试验方法等均会影响其对抑制技术措施有效性的判断。因此，本文以现场活性骨料为研究对象，分析磨细矿渣在不同掺量条件下，其对骨料碱-硅反应的抑制效能及其抑制机理。

1 原材料

1.1 水 泥

采用江南-小野田水泥有限公司生产的P·Ⅱ型硅酸盐水泥。水泥的性能满足《通用硅酸盐水泥》（GB175－2007）的各项要求，其化学成分和性能检测结果见表1。

1.2 磨细矿渣

采用日照钢铁有限公司“京华”牌S95级磨细矿渣粉，其化学成分见表2，性能指标检测结果见表3。

表1 水泥的化学组成Table1 Chem ical composition（by mass）of cement%

表2 磨细矿渣的化学组成Table2 Chem ical com position（by mass）of GSL%

表3 磨细矿渣性能指标Table3 Properties of GSL

由表2可知，碱度系数Mo＝（CaO＋MgO）／（SiO2＋Al2O3）＝1.49＞1.0，为碱性矿渣；活性系数Ma＝Al2O3／SiO2＝0.47；表3试验结果表明，磨细矿渣的主要技术指标能够满足国标《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB／T18046－2008）中S95级指标。

1.3 粗骨料

山东两个产地的碎石A和B，粒径5～20 mm（小石）、20～40 mm（中石）两级配，按3∶7比例混合后。粗骨料的主要品质指标见表4。

表4 粗骨料的主要技术参数Table4 Primary technical param eters of coarse aggregate

2 试验结果与分析

2.1 碱活性检验

2.1.1 砂浆棒快速法

试验方法参照《水工混凝土试验规程》（SL352－2006）中骨料碱活性检验（砂浆棒快速法）进行，其与ASTMC1260［7］方法类似。试验用砂采用工程现场的碎石按上述级配破碎而成，通过外加NaOH的方法，使水泥碱含量控制在0.9%，测试砂浆试件14 d膨胀率。

两种碎石碱活性试验结果表明，碎石A，B的14 d膨胀率分别为0.102%，0.103%，砂浆的14 d膨胀率介于0.1%～0.2%之间，应结合岩相法等测试结果进行综合评判。

2.1.2 岩相法

试验方法参照《水工混凝土试验规程》（SL352－2006）中骨料碱活性检验（岩相法）进行，碎石分别被切割并磨成薄片，进行光学显微镜观察。图1、图2为骨料在光学显微镜下观察到的碱活性成分。岩相法测试结果表明：碎石A为碱活性组分，含2%微晶石英；碎石B为碱活性组分，含1%微晶石英。骨料中的活性成分主要为微晶质至隐晶质石英，因此，碱-骨料反应主要是碱-硅酸反应。

图1 碎石A中的云母及微晶质至隐晶质石英Fig.1 M ica and crypto-to m icro-crystalline quartz in coarse aggregate A

图2 碎石B中的长石晶体、石英晶体和微晶石英Fig.2 Feldspar，quartz crystal and M icrocrystalline quartz in coarse aggregate B

2.2 抑制碱骨料活性效能试验

采用“砂浆棒快速法”进行抑制效能试验，方法具体为：通过外加NaOH的方法，使水泥碱含量控制在0.9%，硅酸盐水泥与矿物掺合料之和与骨料的质量比为1∶2.25，水胶比为0.47，矿物掺合料等量取代水泥，80℃条件下进行加速试验。试验结果参照《南水北调中线干线工程标准》中预防混凝土工程碱骨料反应技术条例进行评判：若28 d龄期试件长度膨胀率小于0.10%，则该掺量下掺合料抑制混凝土碱-硅酸反应评定为有效。抑制碱骨料活性效能试验结果详见表5和图3。

图3 不同掺量磨细矿渣对粗骨料的碱活性抑制效能Fig.3 Inhibiting effect of silica active coarse aggregate w ith different volume GSL

表5 抑制碱骨料活性效能试验结果Table5 Results by inhibiting effect test

由表5和图3可知，磨细矿渣对骨料的碱活性有明显的抑制作用，并且随着磨细矿渣取代量的增加，抑制作用显著加强，特别是磨细矿渣的取代量达到了60%以上，磨细矿渣的取代量为50%时，砂浆28 d的膨胀率都小于0.10%，仅为普通砂浆的40%左右。同等条件下，碎石A在各龄期的膨胀率相对较少，说明碎石A的碱活性相对较低。按上述抑制效能评价标准判定，磨细矿渣的取代量达到50%及以上时，其抑制混凝土碱-硅酸反应才是有效的。

2.3 压滤试验

5个胶凝材料方案的硬化水泥浆体（水胶比为0.47）放入压滤装置（图4所示），通过加压，挤出孔溶液，对孔溶液中的K＋，Na＋离子浓度进行测定，各离子浓度见表6。

图4 孔溶液的压滤试验Fig.4 Press filtration test equipment of pore solution

表6 孔溶液化学分析Table6 Chem ical analysis results of pore solution

孔溶液化学分析结果表明，磨细矿渣的加入能够显著降低孔溶液中的K＋，Na＋的含量和pH值，并随磨细矿渣掺量的增加而增强。

2.4 能谱分析

实际大掺量磨细矿渣混凝土工程应用中，磨细矿渣的等量取代量一般在60%左右。因此，本节仅研究磨细矿渣等量取代水泥量为0%和60%的配合比混凝土，养护至28d龄期，取硬化砂浆，用丙酮浸泡中止水化，放入烘箱烘干，取一小块进行喷金处理，使用JEOL电子株式会社生产的JSM-5900型扫描电镜进行能谱分析，C-H-S凝胶能谱分析结果分别见图5和图6。

图谱显示，C-S-H凝胶体主要由钙、硅、铝组成，图中的金元素为样品表面的喷金产生的；60%磨细矿渣混凝土浆体中C-H-S凝胶的钙硅原子比明显小于未掺磨细矿渣混凝土浆体中C-H-S凝胶的钙硅原子比，这说明磨细矿渣的火山灰反应消耗了大量的氢氧化钙，生成了低Ca／Si比的C-S-H凝胶。

图5 硬化砂浆（0%GSL）中的C-S-H凝胶能谱图Fig.5 Energy dispersive spectroscopy analysis of C-S-H in norm alm ortar

图6 硬化砂浆（60%GSL）中的C-S-H凝胶能谱图Fig.6 Energy dispersive spectroscopy analysis of C-S-H in mortar w ith 60%GSL

3 抑制机理分析

碱-骨料反应会在界面生成可吸水肿胀的凝胶或体积膨胀晶体，使混凝土产生体积膨胀，严重时会发生开裂破坏。本文研究的2种碎石含有的活性成分均为微晶质至隐晶质石英，因此，发生的碱骨料反应表现为碱-硅酸反应。骨料中活性SiO2与碱反应，生成碱-硅凝胶，凝胶吸水肿胀导致混凝土膨胀或开裂。

抑制碱-骨料活性效能试验、压滤试验和能谱分析结果表明，磨细矿渣能够很大程度上抑制活性骨料的碱-硅酸反应的发生。主要原因表现在以下几个方面：其一，磨细矿渣的加入降低了水泥石孔溶液中K＋，Na＋离子浓度和pH值，并且随着磨细矿渣掺量越高，它们的降幅越明显。主要是因为，磨细矿渣的掺入对碱的物理稀释作用，降低了单位混凝土中碱含量；其二，磨细矿渣的填充作用和火山灰反应，提高了混凝土的致密性，致使碱离子的活动能力大大降低；其三，火山灰反应生成了低n（Ca）／n（Si）比的C-S-H凝胶，增加了结合Na＋，K＋的能力［8］。

4 结 论

（1）磨细矿渣的加入，对活性骨料的碱-硅反应有明显的抑制作用，并且磨细矿渣取代量增加，抑制作用显著加强，特别是磨细矿渣的取代量达到了60%以上。

（2）磨细矿渣的取代量达到50%及以上时，28 d龄期试件长度膨胀率小于0.10%，其抑制骨料碱-硅酸反应才是有效的。

（3）压滤试验结果表明，磨细矿渣的加入降低了水泥石孔溶液中K＋，Na＋离子浓度和pH值，并且随着磨细矿渣掺量的越高，它们的降幅越明显。

（4）能谱分析说明，磨细矿渣的火山灰反应消耗了大量的氢氧化钙，生成了低n（Ca）／n（Si）比的C-S-H凝胶，增强了对骨料碱-硅酸反应的抑制。

［1］ 杨华全，王迎春，曹鹏举，等.三峡工程混凝土的碱-骨料反应试验研究［J］.水利学报，2003，（1）：93－97.（YANG Hua-quan，WANG Ying-chun，CAO Peng-ju，et al.Experimental Study on Alkali-aggregate Reaction of Concrete of Three Gorges Dam［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003，（1）：93－97.（in Chinese））

［2］ 谢永江，贾耀东，张 勇，等.青藏铁路建设中混凝土的碱-骨料反应问题［J］.铁道科学与工程学报，2004，1（2）：6－13.（XIE Yong-jiang，JA Yao-dong，ZHANG Yong，et al.Alkali-aggregate Reaction in Concrete for Construction of Qinghai-Tibet Railway［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2004，1（2）：6－13.（in Chinese））

［3］ GEIKEM，THAULOW N.The Mitigating Effect of Pozzo-lans on Alkail Silica Reactions［C］∥MALHOTRA V M.Fly Ash，Silica Fume，Slag and Natural Pozzolans in Con-crete，Michigan：Redford Station Detroit，1993：533－584.

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［7］ ASTMC1260－07，Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates［S］.

［8］ 封孝信，冯乃谦.碱在C-S-H凝胶中的存在形式［J］.建筑材料学报，2004，7（1）：1－7.（FENG Xiao-xin，FENG Nai-qian.Investigation of the Binding Forms of the Alkalis in C-S-H［J］.Journal of Building Materials，2004，7（1）：1－7.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Inhibition of Ground Slag on Alkaline Silica Reaction of Field Active Aggregate

TANG Xiu-sheng1，2，HUANG Guo-hong1，2，ZHU Ye-ran1，2
（1.R-D High Technology Co.，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.Research Center on New Materials in Hydraulic Structures，Ministry ofWater Resources，Nanjing 210029，China）

Inhibition effect of different volume of ground slag（GSL）on alkaline silica reaction of field active aggre-gate was studied，and compared with normalmortar.The results show that the inhibiting effect enhanced with in-creasing ground slag，and while the added volume is up to and more than 50%，the expansion rate of themortar specimens is less than 0.10%after its curing time of 28 days.The inhibitionmechanism of ground slag on the al-kaline silica reaction iswell expounded by press filtration test and energy dispersive spectroscopy（EDS）analysis.That is，the increase of groud slag can make the content of K＋and Na＋in pore solution and the ratio of n（Ca）to n（Si）in C－S－H Gel decrease.

ground slag；alkaline silica reaction；inhibiting effect；mechanism analysis

TU528.0

A

1001－5485（2011）02－0056－04

2010-02-05

唐修生（1976-），男，湖南衡阳人，高级工程师，博士研究生，主要从事混凝土耐久性及其外加剂研究，（电话）13645188841（电子信箱）xstang＠nhri.cn。