乌鲁木齐地区凝灰岩骨料碱活性及抑制措施试验研究

王 航，唐新军

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

乌鲁木齐地区凝灰岩骨料碱活性及抑制措施试验研究

王 航，唐新军

(新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

乌鲁木齐地区建筑工程面临因使用凝灰岩骨料而发生碱骨料反应的问题。以砂浆棒快速法为基础，对乌鲁木齐地区凝灰岩骨料碱活性进行判定；进一步分析了单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰和矿渣微粉对凝灰岩骨料碱活性的抑制效果，并与单掺粉煤灰进行比较。试验结果表明：乌鲁木齐地区凝灰岩骨料具有碱活性；随着单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量的增加，砂浆试件膨胀率降低；单掺矿渣微粉掺量达到45%，复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量达到30%时，即可有效抑制凝灰岩骨料碱活性；在3种抑制措施中，单掺粉煤灰抑制凝灰岩骨料碱活性效果最好，复掺粉煤灰与矿渣微粉次之，单掺矿渣微粉抑制凝灰岩骨料碱活性效果较差。

凝灰岩；碱活性；膨胀率；粉煤灰；抑制措施

碱骨料反应是指混凝土中主要由水泥带来的Na+、K+与其骨料中的活性成分发生化学反应，生成产物吸水膨胀从而导致混凝土开裂破坏的现象。碱骨料反应一般在混凝土成型后的若干年后逐渐发生，且反应发生在整个混凝土中，发生后又难以阻止，更不易修补，故被称为混凝土的“癌症”[1-2]。

凝灰岩因含有火山玻璃而被判定为具有潜在碱活性，如珊溪水库[3]、曹娥江大闸枢纽工程[4]、浙江宁波[5]、福建福州[6]等地区的混凝土骨料中均发现有凝灰岩的存在，并最终被判定具有潜在碱活性。而凝灰岩同样在新疆地区广泛分布，喀腊塑克水库[7]、吉林台一级水电站[8]、新疆山口水库[9]等工程项目的混凝土骨料中都不同程度的发现有凝灰岩的存在，尤其乌鲁木齐地区建筑用砂石料被检测出主要成分为凝灰岩，其含量约为70%～85%[10-11]。我国西北地区生产的水泥含碱量普遍偏高，又使用含碱外加剂[12-13]。在这种情况下，混凝土中采用以凝灰岩为主的砂石骨料，是否会发生碱骨料反应而引起工程结构破坏，是工程界关心的问题。

宗永红[10]分别采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级粉煤灰进行了抑制乌鲁木齐地区建筑用砂、石骨料碱活性的试验，试验结果表明Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰对碱活性骨料膨胀性抑制效果良好，不宜采用Ⅲ级粉煤灰；依巴丹·克那也提[11]针对乌鲁木齐头屯河区碱活性骨料，通过《砂、石碱活性快速试验方法》[14](CECS48：1993)方法，分别采用单掺粉煤灰、单掺沸石粉、复掺粉煤灰和沸石粉进行了膨胀性试验，发现复掺沸石粉/粉煤灰抑制骨料碱活性的能力优于单掺沸石粉或单掺粉煤灰。但是，目前还没有单掺矿渣微粉及复掺粉煤灰与矿渣微粉抑制凝灰岩骨料碱活性的相关研究。为此，本文采用砂浆棒快速法[15]，对乌鲁木齐地区建筑用砂石骨料中的凝灰岩碱活性进行检测，并分别采用单掺粉煤灰、单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰与矿渣微粉的措施进行抑制凝灰岩骨料碱活性试验，研究上述三种不同措施分别对凝灰岩骨料碱活性的抑制效果及其有效抑制凝灰岩骨料碱活性时的合理掺量，为工程实践提供理论依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

骨料：选用乌鲁木齐地区的凝灰岩粗骨料和含有凝灰岩成分的天然砂。将凝灰岩粗骨料破碎成砂，然后与天然砂分别按表1所示级配筛分，再按比例掺配。

水泥：为新疆达坂城区天山水泥厂生产的P·I 42.5级硅酸盐水泥，其碱含量为0.674%(以Na2O+0.658K2O计)，压蒸膨胀率小于0.02%。

粉煤灰：新疆乌鲁木齐地区某电厂Ⅱ级粉煤灰。

矿渣微粉：新疆屯河水泥有限责任公司生产的矿渣微粉，其化学成分见表2。

NaOH：分析纯试剂。

表1 砂料级配表

表2 矿渣微粉化学成分

1.2 试验方法

试验按照《水工混凝土试验规程》[16](SL 352-2006)中骨料碱活性检验(砂浆棒快速法)规定的程序进行。

2 试验方案

(1) 检测凝灰岩骨料碱活性试验。分别检测凝灰岩破碎砂、天然砂的碱活性。

(2) 抑制凝灰岩骨料碱活性试验。考虑到凝灰岩破碎砂、天然砂中均含有凝灰岩成分，并且均用于乌鲁木齐地区建筑工程混凝土中，因此抑制凝灰岩骨料碱活性试验的试验用砂采用60%凝灰岩破碎砂与40%天然砂掺配。抑制凝灰岩骨料碱活性措施分别采用单掺粉煤灰、单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰和矿渣微粉三种措施。具体试验方案见表3。

表3 抑制凝灰岩骨料碱活性试验方案

注：“—”表示不采取抑制措施；表中数字表示占“胶凝材料”的百分比(按质量计)；粉煤灰、矿渣微粉复掺时，粉煤灰与矿渣微粉各占总掺量的50%。

3 试验结果与分析

《水工混凝土试验规程》[16](SL 352-2006)中规定，若砂浆试件14 d的膨胀率小于0.1%，则判定骨料为非活性骨料；若砂浆试件14 d的膨胀率介于0.1%～0.2%之间，则判定骨料具有潜在活性；砂浆试件14 d的膨胀率大于0.2%，则判定骨料为碱活性骨料。本文根据以上规定对试验结果进行分析、判定。

3.1 凝灰岩骨料碱活性检测试验结果

表4给出了凝灰岩骨料及天然砂的碱活性检测结果。从表4中凝灰岩骨料碱活性检测试验结果可知，凝灰岩骨料14 d膨胀率为0.304%，天然砂14 d膨胀率为0.35%，凝灰岩+天然砂骨料14 d膨胀率为0.338%(见表5)，三种骨料14 d膨胀率均大于0.2%，因此，可以判定乌鲁木齐地区的凝灰岩骨料具有碱活性，应采取措施对其碱活性进行抑制。

表4 凝灰岩骨料碱活性检测试验结果

3.2 抑制凝灰岩骨料碱活性试验结果

单掺粉煤灰、单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰与矿渣微粉三种措施抑制凝灰岩骨料碱活性试验结果见表5。

表5 抑制凝灰岩骨料碱活性试验结果

3.2.1 单掺粉煤灰抑制凝灰岩骨料碱活性结果分析

图1给出了砂浆试件14 d膨胀率随粉煤灰掺量变化曲线。由表5及图1可以看出，不同掺量的粉煤灰均使砂浆试件膨胀率减小。当粉煤灰掺量为15%时，砂浆试件14 d膨胀率为0.082%，略低于0.1%，并没有有效抑制凝灰岩骨料碱活性；当粉煤灰掺量为20%时，砂浆试件14 d膨胀率降低为0.016%，远远低于0.1%，很好的抑制了凝灰岩骨料碱活性；随着粉煤灰掺量增加到25%、30%，砂浆试件14 d膨胀率分别降低为0.014%、0.013%，较掺20%粉煤灰时膨胀率略有减小。因此，可以认为掺入20%粉煤灰时，可以有效抑制凝灰岩碱活性。继续增加粉煤灰掺量，抑制效果没有显著提高。

图1 砂浆试件14 d膨胀率随粉煤灰掺量变化曲线

3.2.2 单掺矿渣微粉抑制凝灰岩碱活性结果分析

图2给出了砂浆试件14 d膨胀率随矿渣微粉掺量变化曲线。结合表5及图2结果分析，随着矿渣微粉掺量从25%提高到35%，砂浆试件14 d膨胀率从0.22%降低为0.159%，但均大于0.1%，没有有效抑制凝灰岩碱活性；继续增加矿渣微粉掺量至45%，砂浆试件14 d膨胀率下降为0.053%，有效抑制了凝灰岩骨料的碱活性。

图2 砂浆试件14 d膨胀率随矿渣微粉掺量变化曲线

3.2.3 复掺粉煤灰与矿渣微粉抑制凝灰岩碱活性结果分析

图3给出了砂浆试件14 d膨胀率随复掺粉煤灰和矿渣微粉掺量变化曲线。由表5及图3分析，当复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量为20%时，砂浆试件14 d膨胀率降到0.129%，大于0.1%，没有有效抑制骨料碱活性；而复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量提高到30%时，砂浆试件14 d膨胀率为0.048%，小于0.1%，即可以有效抑制凝灰岩骨料碱活性；继续增加复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量达到40%时，砂浆试件14 d膨胀率很低为0.02%，抑制效果已经相当显著。可以看出，随着砂浆试件中复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量的增加，其膨胀值不断减小，当复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量达到30%，即粉煤灰、矿渣微粉掺入量分别为15%时，可有效抑制凝灰岩骨料碱活性。

图3 砂浆试件14 d膨胀率随复掺粉煤灰和矿渣掺量变化曲线

3.2.4 不同抑制措施抑制凝灰岩骨料碱活性结果分析

结合表5、图1、图2、图3分析，单掺20%粉煤灰、单掺45%矿渣微粉、复掺30%粉煤灰与矿渣微粉时，其砂浆试件14 d膨胀率分别为0.016%、0.053%、0.048%。比较发现，单掺粉煤灰掺量为20%时，砂浆试件14 d膨胀率最小，说明粉煤灰抑制凝灰岩骨料碱活性的能力最好；单掺矿渣微粉掺量为45%时，砂浆试件14 d膨胀率最大，说明矿渣微粉抑制凝灰岩骨料碱活性的能力较差；而复掺粉煤灰与矿渣微粉抑制凝灰岩骨料碱活性的能力介于两者之间。上述结果与依巴丹·克那也提[11]的研究结果有所差异，分析认为，沸石粉的SiO2含量、特殊的格架构造及对Na+、K+的吸附能力与矿渣微粉不同，可能是导致结果出现差异的原因。

4 结 论

(1) 采用单掺粉煤灰、单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰与矿渣微粉3种措施均可抑制乌鲁木齐地区凝灰岩骨料碱活性，且随着单掺粉煤灰、单掺矿渣微粉、复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量的增加，抑制效果明显提高。当单掺粉煤灰掺量达到20%、单掺矿渣微粉掺量达到45%、复掺粉煤灰与矿渣微粉掺量达到30%时，可有效抑制凝灰岩骨料碱活性。

(2) 三种抑制措施中，单掺粉煤灰抑制凝灰岩骨料碱活性效果最好，复掺粉煤灰与矿渣微粉次之，单掺矿渣微粉抑制凝灰岩骨料碱活性效果较差。

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Experiments on the Alkali-activity and Inhibition Measures for Tuff Aggregate in the Area of Urumqi

WANG Hang, TANG Xinjun

(CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUnivercity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

Due to the use of tuff aggregate, Architectural Engineering could occur the Alkali Aggregate Reaction problem in Urumqi area. Based on the accelerated mortar bar method we determined the alkali activity of tuff aggregate in Urumqi and analyzed the inhibitory effect of the alkali activity of tuff aggregate, when single slag or the admixture of fly ash and slag were used. Also, the single fly ash were compared. Experimental results show that the tuff aggregate had alkali activity in the area of Urumqi, with the increase of the content of single slag or the admixture of fly ash and slag, the expansion rate of mortar was reduced. The alkali activity of tuff aggregate could be effectively inhibited, when the content of single slag reached 45% or fly ash and slag reached 30%. The single fly ash had the best inhibitory effect of the alkali activity of tuff aggregate in the three of measures and the admixture of fly ash and slag followed, at last single slag was worse.

tuff; Alkali-activity; expansion rate; fly ash; inhibition measures

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.030

2017-01-03

2017-02-20

王 航(1991—)，男，陕西华县人，硕士研究生，研究方向为混凝土结构耐久性研究。E-mail: 402812614@qq.com

唐新军(1959—)，男，陕西蒲城人，教授，博士生导师，主要从事当地材料坝设计理论教学与科研工作。E-mail: tangxj59@163.com

TU528.041

A

1672—1144(2017)02—0157—04