卵石和砂巖骨料堿活性分析及混凝土綜合性能

張桂華，張 豐

（1.江蘇省句容市后白鎮農業農村局，江蘇句容212400；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室南京水利科學研究院，南京 210029）

0 引 言

堿-骨料反應（AAR）是水泥、含堿外加劑和環境等釋放的可溶性堿（鉀、鈉）溶于混凝土孔溶液中，與骨料中活性成分反應，其生成物吸水膨脹，使混凝土產生內應力，導致混凝土開裂甚至破壞，進而失去設計性能，對于工程穩定的危害有目共睹，是影響混凝土耐久性的重要因素之一［1，2］。堿-骨料反應是一個極其緩慢而漫長的過程，有時可到幾十年之久，一旦發生就很難阻止，被稱為混凝土的“癌癥”［3，4］。因此，在工程建設之初正確鑒定集料的堿活性是采取合理措施預防AAR破壞的關鍵。堿-骨料反應一般可分為堿硅酸鹽反應（ASR）、堿碳酸鹽反應（ACR）兩類［5］，其中堿硅酸反應是迄今對工程損壞最多、分布最廣、研究得最多的一種堿骨料反應類型［6］。自從AAR 問題提出以來，如何判斷骨料的活性始終是一個重要問題。目前，骨料堿活性的檢測方法有巖相法、化學法、砂漿長度法、巖石柱法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法［7，8］。

混凝土骨料是水利水電工程混凝土的“糧倉”，中國對混凝土堿活性骨料的預防工作非常重視，尤其在水利水電工程方面，要求混凝土所用的骨料必須進行堿活性檢驗及論證［9］。在無法杜絕使用堿活性集料的情形下，如何防治AAR破壞并充分利用工程附近的天然砂礫料、工程開挖料作為混凝土骨料，是大型水利水電工程亟須解決的關鍵技術問題［10］，對節省工程投資同時保證工程安全意義重大。目前，防止堿骨料反應發生的措施主要有：控制混凝土堿含量［11］、降低周圍環境的濕度、使用活性摻和料（如粉煤灰［12，13］、礦渣［14］、硅灰［15］）以及摻用化學外加劑（如鋰鹽［16，17］）等。摻礦物摻合料是抑制混凝土發生堿骨料反應的重要措施，常見的有礦渣粉、硅灰、粉煤灰等［18，19］，它除了可以緩解和抑制堿骨料反應外，還可以改善混凝土的其他性能，并且對環境保護及節約資源也是有利的［20，21］。目前，在水利水電工程中多采用低堿水泥、摻加粉煤灰來抑制混凝土的堿骨料反應［22］。

西藏某大型水利水電工程是以發電為主的引水式電站，本文采用巖相法和砂漿棒法快速法對工程附近料源——天然砂礫石料、引水隧洞開挖料（巖性為前奧陶系變質石英砂巖）進行堿活性檢測，分析論證骨料是否存在潛在堿活性，并研究抑制骨料堿活性反應的有效措施；在此基礎上，設計制備C25W6F200 標號混凝土并測試其綜合性能，評價并判斷卵石、砂巖骨料用于大型水利水電工程的可行性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥。采用昆侖山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（KL）和混凝土外加劑檢測專用P·I 42.5 基準水泥（JZ），兩種水泥的化學組成和XRD 圖譜分別如表1 和圖1 所示。兩種水泥的MgO含量、SO3含量和燒失量均滿足《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007指標要求，但KL 水泥的堿含量略高（達到0.78%），當骨料存在潛在堿活性時，需采取抑制措施。兩種水泥的主要礦物組成均為C3S、C2S、C3A和少量的C4AF、玻璃體。

表1 水泥化學組成Tab.1 Chemical composition of cement

圖1 水泥的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of cement

水泥的物理性能分別如表2 所示，所檢指標均滿足GB 175-2007的相關規定，其中KL水泥的比表面積為362 m2/kg，略微偏細，相應的標準稠度用水量為29.6%，偏高；KL 水泥的3、28 d 抗壓強度為23.7、44.1 MPa，JZ 水泥的3、28 d 抗壓強度為22.8、43.7 MPa。

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

（2）粉煤灰。采用Ⅱ級粉煤灰（F 類），其化學組成和XRD圖譜分別如表3 和圖2 所示。粉煤灰硅鋁含量合計80.12%，處于正常范圍；礦物組成主要為莫來石、石英、赤鐵礦、氧化鈣和玻璃體；SO3含量和燒失量指標均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2017中相關指標要求。

圖2 II級粉煤灰XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Grade II fly ash

表3 粉煤灰化學組成Tab.3 Chemical composition of fly ash

粉煤灰的其他物理性能測試結果見表4，所檢性能指標均滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》DL/T 5055-2007 對II級灰的要求；需水量比為98%；但粉煤灰28 d 活性指數略低，僅有74%。

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

（3）骨料。采用天然卵石和隧洞砂巖洞挖料兩種骨料，骨料形貌如圖3 所示，品質測試結果見表5。兩種骨料的所檢性能指標均符合《水工混凝土施工規范》DL/T 5144-2015 要求。天然卵石粒形較好，顆粒飽滿，針片狀含量較少，壓碎值較低，各粒級的飽和面干表觀密度相差不大，約為2 700 kg/m3，吸水率較低。開挖砂巖經機械破碎后骨料多棱角，顆粒粒形多呈扁平狀，粒形稍差；砂巖骨料的壓碎值明顯高于卵石，堅固性也稍差。

表5 骨料品質測試結果Tab.5 Test results of aggregate quality

圖3 骨料形貌Fig.3 Aggregate morphology

（4）外加劑。減水劑采用GK-4A 緩凝型高效減水劑（萘系），廠家推薦摻量為0.6%～0.8%，減水率為20.5%；引氣劑采用GK-9A 型引氣劑，含固量為41.7%，廠家推薦摻量為0.006%～0.015%，兩者均滿足《水工混凝土外加劑技術規程》DL/T 5100-2014的相應技術要求。

1.2 試驗方法

（1）骨料堿活性檢測。巖相法：參照《水工混凝土砂石骨料試驗規程》DL/T 5151-2014，分別將天然卵石、開挖砂巖骨料制成薄片，在偏光顯微鏡下辨別各骨料所含堿活性礦物的品種、含量及其結構構造，從而判斷骨料是否具有堿活性性質及可能發生的堿骨料反應的類型。

砂漿棒快速法：參照DL/T 5151-2014 中骨料堿活性檢驗（砂漿棒快速法），成型25.4 mm× 25.4 mm×285 mm 試件，標養24 h±2 h 脫模，放入80℃±2℃中恒溫水箱中恒溫24 h，擦干試件表面的水，測量試件的基準長度L0。然后放入80 ℃±2 ℃、1 mol/L NaOH 溶液中養護至規定齡期后取出，測量該齡期時的試件長度Lt，則試件第t天齡期的膨脹率為εt=（Lt-L0）/（L0-2Δ）×100%（Δ為測頭的長度，mm）。每組測3 個試件，然后確定各組試件的膨脹率。

分別采用P·I 42.5水泥（JZ）和昆侖山牌P·O 42.5水泥（KL）對卵石、砂巖骨料進行堿活性檢驗。KL 水泥和JZ 水泥的堿含量分別為0.78%和0.56%，試驗過程中通過摻10%NaOH 溶液，將水泥含堿量調至0.9%。

（2）力學性能。參照DL/T 5150-2017，分別成型150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×515 mm 的混凝土試件，測試混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值等力學性能指標。其中，制作成型抗拉彈性模量和極限拉伸值試件時，拌合物需經30 mm 濕篩。每組測3個試件，然后確定強度代表值。

（3）抗滲性能。參照DL/T 5150-2017，采用逐級加壓方式進行試驗，水壓從0.1 MPa 開始，以后每隔8 h 增加0.1 MPa 水壓，并隨時觀察試件端面滲水情況；試驗結束后，將試件從試模中取出，劈開后用游標卡尺測量滲水高度。以一組6 個試件測值的平均值作為試驗結果。

（4）抗凍性能。參照DL/T 5150-2017，成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件，采用DDR-2型混凝土快速凍融試驗機進行抗凍試驗。每做50 次凍融循環后用臺秤和DT-16型動彈儀分別測質量損失率和相對動彈性模量。取一組三個試件測值的平均值作為試驗結果。

2 結果與討論

2.1 骨料堿活性檢測

2.1.1 巖相法分析

（1）天然卵石。卵石骨料樣品中約80%顆粒主要由石英晶體、云母和方解石組成，此外還含有少量長石晶體和約15%微晶石英，未見白云石；約20%顆粒主要由石英晶體和長石晶體組成，含有少量云母、綠泥石、方解石和約6%微晶質至隱晶質石英，未見白云石。卵石骨料典型的偏光照片如圖4所示。

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

卵石骨料的堿-硅反應活性組分為微晶石英或微晶質至隱晶質石英，含量約13%，需采用砂漿棒試件或混凝土棱柱體試件進一步檢測其堿-硅反應活性；未見堿-碳酸鹽反應活性組分白云石，不具有堿-碳酸鹽反應活性。

（2）開挖砂巖。開挖砂巖骨料主要由石英晶體和云母組成，含有少量長石晶體、綠泥石、方解石和約2%微晶石英，未見白云石。砂巖骨料典型的偏光照片如圖5所示。

圖5 砂巖典型偏光照片Fig.5 Typical polarized photo of sandstone

砂巖骨料中的堿-硅反應活性組分為微晶石英，含量約2%，需采用砂漿棒試件或混凝土棱柱體試件檢測其堿-硅反應活性；未見堿-碳酸鹽反應活性組分白云石，不具有堿-碳酸鹽反應活性。

2.1.2 砂漿棒快速法分析

由巖相法分析可知，上述兩種骨料均不具有堿-碳酸鹽反應活性，但可能具有潛在堿-硅反應活性，堿活性礦物組分主要為微晶石英。進一步按砂漿棒快速法分析卵石和砂巖骨料的堿-硅反應活性。分別采用JZ和KL水泥成型砂漿棒試件，兩種骨料的堿活性檢測結果圖6所示。

圖6 骨料堿活性檢測結果Fig.6 Test results of aggregate alkali activity

因KL 水泥是普通硅酸鹽水泥，會含有約20%的對堿-硅反應有抑制作用的混合材，而JZ水泥是I型硅酸鹽水泥，混合材的比例＜5%，因此，相同齡期下，兩種骨料采用JZ 水泥制備砂漿棒的膨脹率均要大于采用KL 水泥時的膨脹率，其中對于卵石骨料更為明顯。采用JZ水泥時，天然卵石的砂漿棒14 d膨脹率較大，達到0.273%，大于判據0.20%，可判斷卵石骨料具有潛在堿活性；開挖砂巖的砂漿棒14 d 膨脹率為0.146%，介于0.10%與0.20%之間，延長測試齡期至28 d 時，其膨脹率達0.229%，也超過了0.20%，因而判斷砂巖骨料也具有潛在堿活性。采用KL水泥時，卵石和砂巖骨料的砂漿棒14 d膨脹率均小于0.20%；但至28 d時，兩種骨料試件的膨脹率均接近甚至超過了0.20%，其中卵石骨料的膨脹率達到了0.243%，同樣可判斷兩種骨料具有潛在堿活性。

2.2 骨料堿活性抑制

通過摻20%、25%和30%不等量II 級粉煤灰來抑制卵石、砂巖骨料的堿活性，抑制措施有效性試驗按照DL/T 5151-2014中規定的砂漿棒快速法進行，抑制措施有效性的判據為28 d 膨脹率＜0.10%。分別采用KL 水泥和JZ 水泥成型砂漿棒試件，不同粉煤灰摻量對兩種骨料堿骨料反應抑制的試驗結果如圖7所示。

圖7 骨料堿活性抑制試驗結果Fig.7 Inhibition test results of aggregate alkali activity

對應天然卵石骨料，采用基準水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d 膨脹率為0.151%，明顯大于0.10%的判據，尚不足以抑制其堿-硅反應；而當摻25%粉煤灰時，28 d 膨脹率降低為0.091%，小于0.10%的判據，因此通過單摻II 級粉煤灰來抑制卵石骨料堿活性的最低摻量為25%。因KL 水泥自身含有一定具有堿-硅反應抑制效果的混合材，采用KL 水泥本身就可以看作是一種抑制措施。采用昆侖山牌水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d 膨脹率為0.043%，即已小于判據0.10%，說明采用“KL水泥+20%II級粉煤灰”的策略可以有效抑制卵石骨料的堿-硅反應。

同理，對應開挖砂巖骨料，采用基準水泥條件下，有效抑制砂巖骨料堿-硅反應的粉煤灰最低摻量為30%；采用昆侖山牌水泥條件下，摻20%粉煤灰時，砂漿棒28 d膨脹率為0.065%（小于判據0.10%），因此采用“KL 水泥+20%II 級粉煤灰”的策略可有效抑制砂巖骨料堿-硅反應。

2.3 混凝土綜合性能

選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥（KL），分別以天然卵石、開挖砂巖作骨料，經篩分，選用5～20 mm粒徑骨料作小石、20～40 mm粒徑骨料作中石，其中砂巖需先將毛料經機械破碎；卵石和開挖砂巖分別經機械破碎、粉磨制成人工砂，細度模數分別為2.80 和2.73，中等偏粗。以絕對體積法設計、計算C25W6F200標號混凝土的配合比，控制拌合物坍落度為50～70 mm。結合以往工作經驗及混凝土設計要求，通過設計計算及試拌調整后確定C25W6F200 混凝土配合比參數為：水膠比0.35，單位用水量133 kg/m3，粉煤灰摻量20%，砂率33%，具體配合比如表6所示。

表6 混凝土試驗配合比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《水工混凝土試驗規程》DL/T 5150-2017 測試混凝土拌合物的坍落度、容重、含氣量和凝結時間等指標，結果如表7所示。可知，用兩種骨料配制的混凝土坍落度均滿足設計要求，含氣量也滿足《水工建筑物抗冰凍設計規范》NB/T 35024-2014 中的相關規定；混凝土拌合物凝結時間正常。

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

2.3.2 力學性能

測試兩種骨料混凝土的力學性能，包括立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度、抗拉彈性模量和極限拉伸值等，結果如表8 和表9 所示。根據《水工混凝土配合比設計規程》DL/T 5330-2015 中相關規定計算可知，當混凝土強度保證率為95%時，C25 混凝土的配制強度為31.6 MPa。由表8 可知，卵石骨料、砂巖骨料的C25 混凝土28 d 抗壓強度分別為32.6 和35.2MPa，滿足C25混凝土配制強度要求；兩者28 d劈裂抗拉強度也分別達到了2.28 和2.39 MPa。相同條件下，砂巖骨料混凝土實測強度均略高于卵石骨料混凝土，這是因為開挖砂巖骨料經機械破碎后多棱角，與水泥石的咬合強度更高。由表9可知，兩種骨料C25混凝土抗拉性能相近，28 d的極限拉伸值為99～101 με、軸心抗拉強度為2.51～2.59 MPa、抗拉彈性模量為27.5～28.8 GPa。

表8 混凝土抗壓和劈裂抗拉強度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 抗滲性能

表10 為卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的抗滲試驗結果。可知，水壓加至0.7 MPa 在8 h 內，兩組混凝土試件均未出現滲水，因此兩種骨料混凝土的抗滲等級均滿足W6設計要求；試驗結束后，測量卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的滲水高度分別為15.6 mm和16.3 mm。

表10 混凝土抗滲試驗結果Tab.10 Results of concrete impermeability test

2.3.4 抗凍性能

表11 為卵石、砂巖骨料C25W6F200 混凝土的抗凍試驗結果。可知，兩種骨料制備的C25 混凝土抗凍等級均能滿足F200的設計要求。兩組混凝土試件經凍融循環后相對動彈性模量損失較小，而混凝土的質量損失較大，相同條件下砂巖骨料混凝土抗凍性能相對更優。經250次凍融循環后，卵石、砂巖骨料混凝土的相對動彈性模量均高于89%，遠高于60%的破壞判斷值，質量損失率則分別為4.46%和1.40%，也均小于5%的破壞判斷值。

表11 混凝土抗凍試驗結果Tab.11 Results of concrete frost resistance test

綜上所述，選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥，分別以天然卵石和開挖砂巖作骨料，以水膠比0.35、單位用水量133 kg/m3、粉煤灰摻量20%（可有效抑制骨料堿-硅反應）、砂率33%為參數可制備滿足設計要求的C25W6F200標號混凝土。

2.4 思考與建議

（1）巖相法常為堿活性檢測的首要方法，但往往只是用來判斷其中是否有堿活性物質，具有堿活性物質并不是具有危害性膨脹的充分條件，因此其檢測數據應主要用于判斷巖性。砂漿棒快速法可成功篩選出大多數堿活性骨料，但也存在漏判和判定過嚴的情況［23，24］。無論砂漿長度法、砂漿棒快速法、巖石柱法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法，本質上都是加速堿集料反應，都不能完全反應混凝土的實際情況。研究人員應在檢測方法理解和選擇的基礎上，采用多種方法對骨料堿活性進行綜合判定。

（2）混凝土中總堿含量決定了堿骨料反應的數量、范圍和危害影響程度。混凝土中堿的來源主要有：水泥、粉煤灰等摻和料、外加劑、拌和水、砂石骨料等，其中大部分都來源于水泥［22］。因此，抑制混凝土發生堿骨料反應相對便捷、經濟、有效的措施是控制總堿含量（尤其是膠凝材料、外加劑的堿含量）。

（3）摻入粉煤灰、硅粉、礦渣等摻和料雖然對混凝土總堿量影響不大，但具有抑制堿活性及降低水泥用量等綜合效應，是抑制堿骨料反應的重要措施。

（4）堿-骨料反應（AAR）危害巨大，但并不可怕。通過試驗研究，采取合理、有效措施抑制堿骨料反應，同樣可以保障工程安全。雅礱江錦屏一級水電站工程［25］、引灤入津水源保護工程［26］、南水北調中線工程多段線路［27，28］等國內多個大型水利水電工程建設中都使用了堿活性骨料（開挖料或河床料）。

3 結 論

（1）巖相分析表明，天然卵石和開挖砂巖含有數量不等的堿-硅反應活性組分（微晶質至隱晶質石英），但均未見堿-碳酸鹽反應活性組分白云石；砂漿棒快速法檢驗結果表明，卵石砂漿棒14 d 膨脹率為0.273%；砂巖砂漿棒14 d 膨脹率為0.146%，延長齡期至28 d 時膨脹率也超過0.20%，因此可判斷兩種骨料均為具有潛在危害性反應的堿活性骨料。

（2）單摻II 級粉煤灰來抑制卵石、砂巖骨料堿活性的最低摻量分別為25%和30%；采用“昆侖山牌水泥+20% II 級粉煤灰”的策略均可有效抑制卵石、砂巖骨料的堿-硅反應。

（3）選用昆侖山牌P·O 42.5 水泥、II 級粉煤灰摻量20%，分別以天然卵石和開挖砂巖作骨料，可制備滿足設計要求的C25W6F200 標號混凝土；卵石、砂巖骨料的C25 混凝土28 d 抗壓強度分別可達32.6和35.2 MPa。