摘要
用高鹼熟料、沸石和矽灰配製水泥，進行了抑制鹼-集料反應試驗，測定了水泥的可溶性鹼量與有效鹼量，檢測了水泥及混凝土的性能。結果顯示，用沸石和矽灰作為水泥的混合材，在不影響水泥及混凝土性能的情況下，利用高鹼熟料生產具有抑制鹼-集料反應性能的水泥是可行的。鹼-集料反應在國內外已引起了大量的混凝土建築物破壞，造成了巨大的經濟損失。調查研究顯示[1]，我國生產的水泥，尤其是北方地區的水泥廠生產的水泥，其鹼含量普遍偏高，而我國北方地區的集料也恰恰具有較高的鹼活性。為此研究抑制鹼-集料反應的對策是非常必要的。
冰島從70年代開始[2]，在所有水泥中摻加矽灰作為混合材，經過20多年的實踐證明，採用此方法後，到目前為止還沒有發現由於鹼-集料反應所引起的混凝土工程的破壞。
在我國，由於受矽灰價格的影響，還不可能在水泥中大量套用矽灰。因此，有必要尋找其它混合材，在基本不增加成本的原則下，使水泥既具有抑制鹼-集料反應的性能，又能滿足其它性能要求。因此，本研究的目的就是要探索利用高鹼熟料的途徑。
集料反應試驗
鹼-集料反應的巨觀表現為膨脹開裂，但只有當膨脹量達到一定程度時才導致破壞，M.D.A.Thomas等人[3，4]通過大量的研究認為，只要按ASTM C1260測試的砂漿棒的膨脹率小於0.10%，則混凝土的膨脹率即可小於0.04%的限制，即不發生破壞。因此，研究抑制鹼-集料反應的效果可以通過測定膨脹值的方法來進行。
1.1 材料及配合比
以沸石和矽灰複合作為水泥的混合材，用透氣法測定磨細沸石比表面積為600m2/kg。熟料取自某立窯水泥廠，並加石膏磨細至比表面積491.6m2/kg。3種材料按不同的比例配合進行試驗，3種材料的鹼含量如表1所示，配合比如表2所示。
表1 材料的鹼含量 %| 材料名稱 | Na2O | K2O | Na2O·eq |
| 熟料＋石膏 | 0.35 | 0.81 | 0.88 |
| 矽灰 | 0.64 | 0.50 | 0.97 |
| 沸石 | 0.52 | 0.65 | 0.95 |
| 編號 | 組成/% | 鹼含量/% | ||||
| 熟料＋石膏 | 沸石粉 | 矽灰 | Na2O | K2O | Na2O·eq | |
| A | 100 | | | 0.35 | 0.81 | 0.88 |
| B | 85 | 15 | | 0.38 | 0.79 | 0.89 |
| C | 85 | 13.5 | 1.5 | 0.38 | 0.78 | 0.89 |
1.2 試驗方法
採用ASTMC1260(快速砂漿棒法)。Davies & Oberholster等人[4～6]認為ASTMC1260是一種評價鹼集料反應抑制效果的較好方法。
試件製作:用20%永定河活性集料和80%的標準砂組成集料，永定河活性集料的粒徑為0.3～0.6mm時，配製的試件具有最大的膨脹率。因此，選用該配比的集料，用水泥膠砂攪拌機及振動台成型試件。試件尺寸為:25mm×25mm×285mm。
養護及測長:成型後帶模在標準養護箱養護1d，脫模並測原始長度，然後放入80℃水中養護1d，水與試件體積比為4∶1。從水中取出試件迅速測長，此長度即為基準長度，之後將試件放入80℃、1MNaOH溶液中養護14d，鹼液與試件的體積比仍為4∶1。在預定的齡期測量試件長度，並計算膨脹率。
測長儀器:萬能測長儀，準確到1μm。
1.3 試驗結果
膨脹量隨齡期變化的測試結果如圖1所示。由圖可見，當摻入15%的沸石時，不能使膨脹率降低到0.10%以下，而當水泥中摻入13.5%的沸石和1.5%的矽灰時，則能使膨脹率低於0.10%的限值，從而起到了有效抑制鹼-集料反應的作用。
圖1 試件膨脹率隨齡期的變化
對水泥中可溶性鹼及有效鹼的測定
2.1 水泥中的鹼與鹼-集料反應
水泥中的鹼可分為3種:總鹼量、可溶性鹼和有效鹼。總鹼量是由酸溶法測定的，是水泥中各種鹼的總量。可溶性鹼是將水泥放入水中攪拌一定的時間所能溶出的鹼量，因此也稱為水溶性鹼。有效鹼是指當水泥硬化後存在於硬化水泥漿體孔溶液中的鹼。研究證明，孔溶液中鹼度的高低與鹼-集料反應膨脹之間有很好的關係[7]。如果能降低孔溶液中的鹼，則可抑制鹼-集料反應的發生。
2.2 鹼量的測定
水泥中的總鹼量及可溶性鹼量的測定按ASTM c114進行，有效鹼量的測定參照ASTM C311進行，測定結果如表3及表4所示。
表3 水泥中的可溶性鹼量測定結果 %| 編號 | Na2O | K2O | Na2O·eq | 占總鹼量 |
| A | 0.164 | 0.646 | 0.589 | 66.93 |
| B | 0.194 | 0.435 | 0.480 | 53.93 |
| C | 0.198 | 0.375 | 0.445 | 50.00 |
| 編號 | 3d | 7d | 28d | |||||||||
| Na2O | K2O | Na2O·eq | 占總鹼量 | Na2O | K2O | Na2O·eq | 占總鹼量 | Na2O | K2O | Na2O·eq | 占總鹼量 | |
| A | 0.330 | 0.732 | 0.812 | 92.27 | 0.361 | 0.765 | 0.864 | 98.18 | 0.344 | 0.759 | 0.843 | 95.8 |
| B | 0.374 | 0.524 | 0.719 | 80.79 | 0.404 | 0.563 | 0.775 | 87.08 | 0.377 | 0.605 | 0.775 | 87.08 |
| C | 0.371 | 0.473 | 0.682 | 76.63 | 0.411 | 0.512 | 0.748 | 84.04 | 0.377 | 0.578 | 0.758 | 85.17 |
由表3及表4可見，當加入沸石和矽灰時，可溶性鹼量及有效鹼量均降低。意味著孔溶液的鹼度降低，起到了延緩或抑制鹼-集料反應的作用。
水泥性能的檢測
將水泥A與水泥C進行各項物理性能對比試驗，結果見表5，其中水泥膠砂強度是按GB177-85檢驗的結果。
表5 水泥的物理性能| 編號 | 細度/% | 比表面積/(m2/kg) | 標準稠度/% | 安定性 | 凝結時間/(h:min) | 抗折強度/MPa | 抗壓強度/MPa | |||||
| 初凝 | 終凝 | 3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | |||||
| A | 1.0 | 491.6 | 27.6 | 合格 | 2:21 | 3:36 | 5.1 | 6.6 | 7.5 | 28.7 | 37.6 | 46.3 |
| C | 0.5 | 641.1 | 28.0 | 合格 | 2:45 | 3:30 | 4.3 | 5.9 | 7.6 | 28.0 | 37.9 | 51.8 |
由表5可見，加入沸石粉和矽灰後，水泥比表面積增加，水泥的安定性均合格，凝結時間正常，標準稠度用水量稍有增加。3d及7d的抗折強度有所降低，28d抗折強度及3d、7d抗壓強度相當，28d抗壓強度明顯提高。由此說明，加入沸石和矽灰對水泥的各項物理性能沒有不良影響。
混凝土性能的檢測
試驗用混凝土的配合比如表6所示。新拌混凝土的性能主要考察坍落度及粘聚性兩項指標，混凝土的強度用100mm×100mm×100mm立方體檢測。坍落度及強度的測定均按國家標準進行，結果見表7。
表6 混凝土的配合比| 編號 | 水泥 | W/C | 單方混凝土材料用量/kg | 減水劑/% | |||
| 水泥 | 水 | 中砂 | 粗骨料 | ||||
| A1 | A | 0.35 | 500 | 175 | 680 | 1100 | 1.2 |
| A2 | 0.45 | 400 | 180 | 700 | 1120 | 1.0 | |
| A3 | 0.55 | 350 | 192 | 740 | 1140 | 0.34 | |
| C1 | C | 0.35 | 500 | 175 | 680 | 1100 | 1.2 |
| C2 | 0.45 | 400 | 180 | 700 | 1120 | 0.8 | |
| C3 | 0.55 | 350 | 192 | 740 | 1140 | 0.6 | |
| 編號 | 坍落度/cm | 粘聚性 | 抗壓強度/MPa | ||
| 3d | 7d | 28d | |||
| A1 | 7.5 | 良好 | 41.4 | 43.4 | 58.8 |
| A2 | 19 | 稍離析 | 30.5 | 36.7 | 52.2 |
| A3 | 6.5 | 良好 | 17.6 | 22.6 | 38.8 |
| C1 | 9 | 良好 | 43.2 | 44.6 | 74.4 |
| C2 | 14 | 良好 | 28.7 | 42.4 | 53.3 |
| C3 | 15 | 良好 | 19.0 | 28.0 | 43.6 |
由表6、表7可見:在相同配合比的條件下，摻沸石和矽灰的水泥配製的混凝土，坍落度增加，且粘聚性良好。3d強度相當，7d和28d強度均有提高。
結論
1)用沸石和矽灰複合作為水泥的混合材，可以降低水泥的可溶性鹼量和孔溶液中的有效鹼量，抑制鹼-集料反應的破壞性膨脹。
2)用沸石和矽灰複合作為水泥的混合材，對水泥和混凝土的性能沒有不良影響。
參考資料［1］http://www.chinacement114.com/eMagazineDetail.asp?id=6607&utype=52
