矿渣抑制碱集料反应在工程中应用

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摘要：本文阐述了碱骨料反应的原理及抑制方法，并通过工程实例说明矿渣在抑制碱骨料反应中的具体应用。

关键词：碱集料反应（AAR） 矿渣

1、前言

混凝土碱集料反应（Alkali Aggregate Reaction，简称AAR）是指混凝土孔溶液中由水泥、含碱外加剂和环境等释放的NA+、K+、OH-与集料中的有害矿物发生具有膨胀性化学反应，导致混凝土膨胀和开裂。碱集料反应严重影响混凝土工程的耐久性。按有害矿物的种类不同，AAR可以分为碱-硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，简称ASR）和碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR）。这两类反应的反应机理是完全不同的，前者反应生成碱-硅酸凝胶吸水膨胀是引起混凝土膨胀开裂的原因；后者导致混凝土膨胀开裂是由于局部化学反应和结晶压引起的。其中以ASR为常见， 具体化学反应机理如下：

Si—OH+OH—Si—O—+H2O

Si—O—Si+2OH—2（Si—O—）+H2O

目前，除使用低碱水泥之及非碱活性集料之外，抑制AAR的方法主要是使用矿物外加剂包括硅灰、粉煤灰、矿渣及火山灰，它们不仅能够延缓或抑制AAR，而且对混凝土的其它性能也有一定的改善作用。矿物外加剂抑制AAR，一方面是通过降低水泥掺量从而缓减碱集料反应来实现的，另一方面的机理却各不相同。据有关研究数据分析[1]，加入矿渣的砂浆初期凝胶体中的碱含量明显少于不加矿渣砂的浆凝胶体，而造成膨胀的凝胶体的量及成分与不加矿粉的区别不大，这表明矿渣主要是通过降低氢氧根离子向活性骨料颗粒的集聚速度而抑制ASR的；粉煤灰主要是由于碱含量的增加和凝胶体中CaO含量的减少而使凝胶体具有较低的粘性；硅灰主要通过降低氢氧根离子的集中度来实现的。

巴基斯坦NJ水电站项目位于喜马拉雅山的造山运动带，电站的引水隧洞为36公里，沿线的岩石主要由SS-1（砂岩I），SS-2（砂岩II）及页岩和泥岩组成。根据相关试验结果，只有SS-1满足混凝土骨料强度要求。由于SS-1具有潜在的碱骨料反应特性，根据对当地粉煤灰及矿渣的经济分析，最终采用矿渣掺合料方案抑制碱骨料反应，取得了明显效果。

2、原材料情况

2.1 SS-1砂岩

根据岩相分析试验结果，该砂岩含有7%的硅石、2%的火山岩组分及5%的硅质粘土岩，表明该岩石具有潜在的碱骨料反应特性。另外根据ASTM C-1260与高碱FuJi OPC水泥进行快速砂浆棒试验，14天的膨胀率达到0.14%，说明该岩石具有碱骨料反应特性。

2.2 水泥

根据该工程合同规范文件要求，当骨料具有碱骨料反应特性时，除采用矿物外加剂外，必须采用低碱水泥。

2.3 矿渣

本工程项目选用的2家矿渣供应商均采用巴基斯坦钢铁公司的粒化矿渣为原料磨制加工矿粉，具体的矿渣技术指标试验结果见表1：

另外对的两个厂家的产品按照ASTM C441进行了效能试验，在该试验中，水泥的碱含量增加至1%。试验结果显示，掺入磨细后的矿渣，对砂浆棒膨胀的减少率为78～86%之间，均满足75%的要求。说明磨细矿渣对碱骨料反应具有明显的抑制作用。试验结果见表2：

3、抑制ASR试验

考虑到矿渣替代水泥对混凝土强度的影响，按矿渣掺量30～40%与高碱水泥按照ASTM C1260进行了快速砂浆棒试验。试验结果显示14d的膨胀值均小于0.1%，满足规范的相关要求。具体试验结果见表3：

最后采用35%的矿渣掺量进行配合比设计，部分常态混凝土设计配合比见表4：

4、结语

在该工程实践当中，鉴于经济分析，优先考虑采用矿渣抑制碱骨料反应。由于用矿渣替代水泥对混凝土强度有不利影响，在确定矿渣掺量时应予以综合考虑。

参考文献

[1]COMPARATIVE CONSIDERATION ON THE MECHANISMOF ASR SURRESSION DUE TO DIFFERENT MINERAL ADMIXTURES， Noriyuki Arano.2000.