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摘要:巴基斯坦NJ工程采用AGAR NULLAH河和隧洞内开挖的SS-1砂岩作骨料,经检验骨料均为活性骨料。为控制混凝土原材料中的碱与骨料中的活性成分发生碱骨料反应,采用低碱水泥和掺30 %～40 %矿粉的方法,有效地控制了碱骨料反应。
关键词:巴基斯坦NJ工程;碱骨料反应;混凝土碱含量
中图分类号:TV52 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0028-02
1概述
巴基斯坦国内骨料大部分为活性骨料,存在碱-骨料反应危害。NJ项目混凝土骨料生产的料源全部为活性骨料,具有潜在的碱-硅酸反应活性,而在工程所在地周边难以找到经济、开采性好的无碱活性的替代料源,因此为达到既可以解决碱-骨料反应问题、又不能大幅提高混凝土造价的目标,只能就地取材,立足自身解决碱-骨料反应问题。
目前,中国国内有比较成熟的碱骨料反应解决方案,重点以采用大掺量活性掺合料(粉煤灰、矿粉、硅粉)、低碱水泥及掺优质高效减水剂降低胶凝材料用量等处理措施为主,既可以解决碱骨料反应问题,又可以降低混凝土造价。因此,在巴基斯坦NJ工程项目上,我们借鉴了国内经验,采用低碱水泥、掺加活性掺合料,控制总碱含量来抑制混凝土碱骨料反应。
2碱骨料反应的类型及机理
碱骨料反应是骨料中的活性成分与混凝土中的碱(Na2O或K2O)发生反应,引起混凝土体积膨胀,使混凝土产生内应力,导致混凝土发生开裂、崩坏,使建筑物发生破坏。碱骨料反应是一种缓慢过程,在混凝土浇注成型后若干年逐渐反应。
依据参与碱骨料反应的物质种类及反应机理,碱骨料反应可分为3类。
2.1碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction)
这是发现最早、发生最多的一种碱-骨料反应。这种反应的机理主要是骨料中的活性二氧化硅与混凝土中的碱发生化学反应,生成碱的硅酸盐凝胶,胶体吸水后膨胀,产生很大的膨胀压力,从而引起混凝土开裂。
2.2碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction)
某些碳酸盐岩石,如微晶白云石,也可与水泥中的碱产生化学反应,生成水滑(镁)石,并伴随体积膨胀。反应生产的碳酸钠又能与混凝土中的氢氧化钙反应,重新生成氢氧化钠,从而使碱和碳酸盐骨料的反应不断进行,体积不断膨胀,最后使混凝土破坏。
2.3碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate Reaction)
混凝土中的碱金属离子和由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与变形石英、结晶岩石等硅酸盐岩石发生化学反应,产生体积膨胀,从而引起混凝土开裂。加拿大的Jack Gillott曾提出这种反应机理的假说。他认为碱-硅酸盐反应有类似碱-硅酸反应的现象,但无反应产物,且反应速度很慢。产生体积膨胀的可能原因是有限的晶格膨胀,以及某些层状晶格硅酸盐的板状剥落而引起的。由于这种碱-骨料反应发现较晚,实例较少,因此研究成果不多。
3碱骨料反应试验
NJ水电工程采用从AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩进行混凝土骨料加工。为了确定SS-1砂岩加工的混凝土骨料是否具有碱骨料反应,我们把SS-1砂岩送到了相关试验机构进行了试验。
首先,我们把AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩送到了旁遮普大学进行了岩相分析,岩相分析显示从AGAR NULLAH和隧洞内采集的砂岩都具有潜在的碱活性。这些岩石具有基本相同的成分,石英含量占31 %～35 %、碳酸盐碎硝占22 %～25.5 %、碳酸盐沉淀物占12 %～14.5 %。存在潜在碱硅反应的有害的成分主要是燧石、火山灰碎硝、板岩和硅质砂岩。
同时,我们把从AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩送到巴基斯坦水电开发署中心试验室,按照ASTM C1260进行了快速砂浆棒试验。砂浆棒14 d的膨胀率均大于了0.10 %,按照判定标准,SS-1砂岩存在潜在的碱活性。
在确定了SS-1砂岩存在潜在的碱活性后,我们准备按照国内的在混凝土中掺入掺和料的方法来解决碱骨料反应的问题。
4掺入掺和料抑制碱骨料反应试验。
根据巴基斯坦的实际情况,我们采用Fauji水泥(普通硅酸盐水泥,碱含量在0.7 %左右),掺入20 %～25 %粉煤灰及掺入30 %～40 %矿渣,按照ASTM C1260进行了快速砂浆棒试验。
试验结果显示,利用SS-1砂岩生产的骨料与砂子,掺入粉煤灰或掺入矿渣,14 d的膨胀值均小于0.1 %,对碱硅反应的抑制都满足规范14 d应小于0.1 %的要求。这说明,掺入20 %～25 %粉煤灰或掺入30 %～40 %矿渣,是能够抑制SS-1砂岩的碱骨料反应的。
但对粉煤灰进行化学分析了解到,巴基斯坦的粉煤灰含有较高的硫,不适合用于混凝土,因此,掺加粉煤灰的方案被否决。确定采用掺30 %～40 %矿渣来抑制碱骨料反应。
为了更进一步的了解矿渣对碱骨料反应的抑制情况,我们又把SS-1砂岩与矿渣送到了巴基斯坦水电开发署中心试验室,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 %,结果显示,掺入30 %～40 %矿渣后,对砂浆棒膨胀的减少率在78 %～86 %之间,均高于75 %的要求。分析此结果,证明矿渣对碱骨料反应具有明显的抑制作用。
另外在巴基斯坦,由于混凝土骨料普遍存在碱硅反应,采用巴基斯坦钢铁厂的粒化矿渣为原料的磨细矿渣进行碱活性的抑制具有很多实例。如Mangla大坝、Mirani大坝、Raising 工程、Ghazi Brotha工程。这也说明,巴基斯坦国内的一些工程有成功的使用矿渣来抑制碱骨料反应的经验。
5抑制碱骨料反应最终方案确定
虽然从大量的砂浆棒试验可以得出,采用Fauji 水泥(普通硅酸盐水泥,碱含量在0.7 %左右),掺入30 %～40 %矿渣是可以抑制碱骨料反应的。但由于NJ工程是巴基斯坦在建的最大的水电工程,为了工程的安全,确保混凝土不发生碱骨料反应,工程师还是要求我方采用低碱水泥,同时对总碱含量要求控制在3.0 kg/m3。
5.1低碱水泥选择
按照工程师要求,我方对巴基斯坦能生产低碱水泥厂家进行了了解,在巴基斯坦只有2家能生产低碱水泥,一家在卡拉奇,离工地较远,另一家名叫Meple leaf的水泥厂离工地相对较近,且价格相对较便宜。因此决定选择Meple leaf水泥厂生产的低碱水泥作为工程用水泥,经过对水泥中的碱含量进行测试,其碱含量在0.42 %左右,满足低碱水泥要求。
5.2总碱含量计算
总碱含量按英国标准BS 5328进行计算,计算公式如下:
混凝土中有效碱的总含量=水泥碱含量×水泥用量+17 %×粉煤灰碱含量×粉煤灰用量+50 %×矿渣碱含量×矿渣用量+外加剂碱含量×外加剂用量+水碱含量×水用量+0.76×骨料氯离子含量×骨料用量
按照要求,我们把水泥、矿渣、外加剂、水送到了相关试验机构进行了碱含量测试,砂石骨料进行了氯离子含量测试。测试完成后,我们对设计的混凝土配合比按公式进行了碱含量计算,计算结果得出,所有配合比的总碱含量基本上都小于2.0 kg/m3,远小于工程师所要求的3.0 kg/m3。
6结束语
巴基斯坦NJ工程的碱骨料反应得以顺利解决,主要是在选择集料时,首先采用了岩相法、快速砂浆棒法对集料进行了分析。在得出集料存在碱活性后,采用了低碱水泥,同时掺用矿粉的方法,对混凝土进行总碱量的控制,从而解决了碱骨料反应问题,使工程得以顺利进行。
Pakistani NJ Project Concretes Alkali
Aggregate Response Question and Solution
Peng Xianqi
Abstract: The Pakistani NJ project uses the SS-1 sandstone which AGAR in the NULLAH river and the tunnel excavates to make the aggregate, after the examination aggregate is the active aggregate. In order to control in the concretes raw material in the alkali and the aggregate active constituent has the alkali aggregate to respond, uses the low alkali cement and mixes 30 %～40 % powdered ore the method, effective control alkali aggregate response.
Key words: pakistani NJ project; alkali aggregate response; concretes alkali content
关键词:巴基斯坦NJ工程;碱骨料反应;混凝土碱含量
中图分类号:TV52 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0028-02
1概述
巴基斯坦国内骨料大部分为活性骨料,存在碱-骨料反应危害。NJ项目混凝土骨料生产的料源全部为活性骨料,具有潜在的碱-硅酸反应活性,而在工程所在地周边难以找到经济、开采性好的无碱活性的替代料源,因此为达到既可以解决碱-骨料反应问题、又不能大幅提高混凝土造价的目标,只能就地取材,立足自身解决碱-骨料反应问题。
目前,中国国内有比较成熟的碱骨料反应解决方案,重点以采用大掺量活性掺合料(粉煤灰、矿粉、硅粉)、低碱水泥及掺优质高效减水剂降低胶凝材料用量等处理措施为主,既可以解决碱骨料反应问题,又可以降低混凝土造价。因此,在巴基斯坦NJ工程项目上,我们借鉴了国内经验,采用低碱水泥、掺加活性掺合料,控制总碱含量来抑制混凝土碱骨料反应。
2碱骨料反应的类型及机理
碱骨料反应是骨料中的活性成分与混凝土中的碱(Na2O或K2O)发生反应,引起混凝土体积膨胀,使混凝土产生内应力,导致混凝土发生开裂、崩坏,使建筑物发生破坏。碱骨料反应是一种缓慢过程,在混凝土浇注成型后若干年逐渐反应。
依据参与碱骨料反应的物质种类及反应机理,碱骨料反应可分为3类。
2.1碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction)
这是发现最早、发生最多的一种碱-骨料反应。这种反应的机理主要是骨料中的活性二氧化硅与混凝土中的碱发生化学反应,生成碱的硅酸盐凝胶,胶体吸水后膨胀,产生很大的膨胀压力,从而引起混凝土开裂。
2.2碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction)
某些碳酸盐岩石,如微晶白云石,也可与水泥中的碱产生化学反应,生成水滑(镁)石,并伴随体积膨胀。反应生产的碳酸钠又能与混凝土中的氢氧化钙反应,重新生成氢氧化钠,从而使碱和碳酸盐骨料的反应不断进行,体积不断膨胀,最后使混凝土破坏。
2.3碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate Reaction)
混凝土中的碱金属离子和由外界环境渗入混凝土中的碱金属离子与变形石英、结晶岩石等硅酸盐岩石发生化学反应,产生体积膨胀,从而引起混凝土开裂。加拿大的Jack Gillott曾提出这种反应机理的假说。他认为碱-硅酸盐反应有类似碱-硅酸反应的现象,但无反应产物,且反应速度很慢。产生体积膨胀的可能原因是有限的晶格膨胀,以及某些层状晶格硅酸盐的板状剥落而引起的。由于这种碱-骨料反应发现较晚,实例较少,因此研究成果不多。
3碱骨料反应试验
NJ水电工程采用从AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩进行混凝土骨料加工。为了确定SS-1砂岩加工的混凝土骨料是否具有碱骨料反应,我们把SS-1砂岩送到了相关试验机构进行了试验。
首先,我们把AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩送到了旁遮普大学进行了岩相分析,岩相分析显示从AGAR NULLAH和隧洞内采集的砂岩都具有潜在的碱活性。这些岩石具有基本相同的成分,石英含量占31 %～35 %、碳酸盐碎硝占22 %～25.5 %、碳酸盐沉淀物占12 %～14.5 %。存在潜在碱硅反应的有害的成分主要是燧石、火山灰碎硝、板岩和硅质砂岩。
同时,我们把从AGAR NULLAH河和隧洞内采集的洞挖SS-1砂岩送到巴基斯坦水电开发署中心试验室,按照ASTM C1260进行了快速砂浆棒试验。砂浆棒14 d的膨胀率均大于了0.10 %,按照判定标准,SS-1砂岩存在潜在的碱活性。
在确定了SS-1砂岩存在潜在的碱活性后,我们准备按照国内的在混凝土中掺入掺和料的方法来解决碱骨料反应的问题。
4掺入掺和料抑制碱骨料反应试验。
根据巴基斯坦的实际情况,我们采用Fauji水泥(普通硅酸盐水泥,碱含量在0.7 %左右),掺入20 %～25 %粉煤灰及掺入30 %～40 %矿渣,按照ASTM C1260进行了快速砂浆棒试验。
试验结果显示,利用SS-1砂岩生产的骨料与砂子,掺入粉煤灰或掺入矿渣,14 d的膨胀值均小于0.1 %,对碱硅反应的抑制都满足规范14 d应小于0.1 %的要求。这说明,掺入20 %～25 %粉煤灰或掺入30 %～40 %矿渣,是能够抑制SS-1砂岩的碱骨料反应的。
但对粉煤灰进行化学分析了解到,巴基斯坦的粉煤灰含有较高的硫,不适合用于混凝土,因此,掺加粉煤灰的方案被否决。确定采用掺30 %～40 %矿渣来抑制碱骨料反应。
为了更进一步的了解矿渣对碱骨料反应的抑制情况,我们又把SS-1砂岩与矿渣送到了巴基斯坦水电开发署中心试验室,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 %,结果显示,掺入30 %～40 %矿渣后,对砂浆棒膨胀的减少率在78 %～86 %之间,均高于75 %的要求。分析此结果,证明矿渣对碱骨料反应具有明显的抑制作用。
另外在巴基斯坦,由于混凝土骨料普遍存在碱硅反应,采用巴基斯坦钢铁厂的粒化矿渣为原料的磨细矿渣进行碱活性的抑制具有很多实例。如Mangla大坝、Mirani大坝、Raising 工程、Ghazi Brotha工程。这也说明,巴基斯坦国内的一些工程有成功的使用矿渣来抑制碱骨料反应的经验。
5抑制碱骨料反应最终方案确定
虽然从大量的砂浆棒试验可以得出,采用Fauji 水泥(普通硅酸盐水泥,碱含量在0.7 %左右),掺入30 %～40 %矿渣是可以抑制碱骨料反应的。但由于NJ工程是巴基斯坦在建的最大的水电工程,为了工程的安全,确保混凝土不发生碱骨料反应,工程师还是要求我方采用低碱水泥,同时对总碱含量要求控制在3.0 kg/m3。
5.1低碱水泥选择
按照工程师要求,我方对巴基斯坦能生产低碱水泥厂家进行了了解,在巴基斯坦只有2家能生产低碱水泥,一家在卡拉奇,离工地较远,另一家名叫Meple leaf的水泥厂离工地相对较近,且价格相对较便宜。因此决定选择Meple leaf水泥厂生产的低碱水泥作为工程用水泥,经过对水泥中的碱含量进行测试,其碱含量在0.42 %左右,满足低碱水泥要求。
5.2总碱含量计算
总碱含量按英国标准BS 5328进行计算,计算公式如下:
混凝土中有效碱的总含量=水泥碱含量×水泥用量+17 %×粉煤灰碱含量×粉煤灰用量+50 %×矿渣碱含量×矿渣用量+外加剂碱含量×外加剂用量+水碱含量×水用量+0.76×骨料氯离子含量×骨料用量
按照要求,我们把水泥、矿渣、外加剂、水送到了相关试验机构进行了碱含量测试,砂石骨料进行了氯离子含量测试。测试完成后,我们对设计的混凝土配合比按公式进行了碱含量计算,计算结果得出,所有配合比的总碱含量基本上都小于2.0 kg/m3,远小于工程师所要求的3.0 kg/m3。
6结束语
巴基斯坦NJ工程的碱骨料反应得以顺利解决,主要是在选择集料时,首先采用了岩相法、快速砂浆棒法对集料进行了分析。在得出集料存在碱活性后,采用了低碱水泥,同时掺用矿粉的方法,对混凝土进行总碱量的控制,从而解决了碱骨料反应问题,使工程得以顺利进行。
Pakistani NJ Project Concretes Alkali
Aggregate Response Question and Solution
Peng Xianqi
Abstract: The Pakistani NJ project uses the SS-1 sandstone which AGAR in the NULLAH river and the tunnel excavates to make the aggregate, after the examination aggregate is the active aggregate. In order to control in the concretes raw material in the alkali and the aggregate active constituent has the alkali aggregate to respond, uses the low alkali cement and mixes 30 %～40 % powdered ore the method, effective control alkali aggregate response.
Key words: pakistani NJ project; alkali aggregate response; concretes alkali content