第3章 集料

(1) 海工混凝土碱集料反应研究
混凝土芯样切割片
切割面有一道裂缝横穿整个横截面，肉眼可 见裂缝中有黄白色的半透明凝胶状物质。
裂缝中的凝胶
裂缝中的凝胶状物质是黄白色至透明， 且无固定形貌，外观类似树脂状，该凝胶已 具有碱-硅酸凝胶的形貌特征。以扫描电镜/ 能谱分析对该凝胶做了进一步的研究。
扫描电镜/能谱分析结果表明，混凝土芯样切割片细裂 缝中黄白色至透明的凝胶的主要成分为Si 、Ca和K、Na。 这证实了存在碱-硅酸反应的产物——碱硅酸凝胶。该混凝 土内部已发生了碱-硅酸反应，并导致产生混凝土开裂。
试验方法：
mC:mA=1:2.25；水泥碱含量＞0.6%； 试件尺寸:25mm×25mm×285mm; 养护条件:38-40℃,RH100%; 判定标准：试件半年膨胀率≥0.1%，则为具 有潜在危害的活性集料。 存在问题：对部分慢膨胀集料易误判。
(4) 快速砂浆棒法（首选方法）

试验方法： mC:mA=1:2.25；水灰比0.47； 试件尺寸:25mm×25mm×285mm; 养护条件:80℃恒温水浴; 判定标准：测试试件3d,7d,14d的砂浆膨胀率，若＜ 0.1%，则无害；若≥0.2%，则具有潜在有害碱活性； 若在0.1%-0.2%之间，为可疑集料，需其他辅助试验。 存在问题：反应温度高，加速条件过严，可能激发 在低温下不易反应的成分发生反应，存在错判现象。
规范：ASTM
C289，TB/T 2922.2-1998 原理：测试磨细过的集料在碱溶液中SiO2溶出 量和溶液碱度的降低。 试验：1 mol/L NaOH；80℃恒温水浴，反应 24h；测可溶性SiO2溶出量(Sc)和溶液碱度降低 值(Rc)。 判定标准：当Rc＞70，而Sc＞ Rc；或Rc＜70， 而Sc＞35+ Rc/2；则试样为具有潜在反应活性 的集料。
6.56
1.86
18.24
22.67
0.70
0.20
0.53
68.91
该沉积物的化学成分以镁，钙，硅为主，含有 少量的铝铁等。其中镁含量最高，钙、硅的含 量相当。
混凝土芯样粗裂缝表面沉积物的扫描电镜/能谱分析
粗裂缝表面黄白色沉积物的主要成分为Mg、Ca、 Si和Al，其中Mg含量最高，钙、硅的含量相当， 与其化学成分分析结果吻合。
第三章 集料
主要内容： 1 集料技术性质 2 集料碱活性试验方法 3 碱集料反应工程实例分析
1. 集料的技术性质
集料（也称骨料）总体积占混凝土体积的
60%-80%，按粒径大小分为粗骨料和细骨料。 主要技术性质包括：颗粒级配及粗细程度、 颗粒形态和表面特征、强度、坚固性、含泥 量、有害物质及碱集料反应等。

海工混凝土与淡水中的混凝土工程存在差别。
混凝土的细集料岩相
（正交偏光）
（单偏光）
该混凝土细集料颗粒为变质岩硅质颗粒，结晶较差， 不均匀。
混凝土芯样中细裂缝边缘的细集料岩相
（正交偏光）
左边青灰色的棱状石英为未参加反应的石英（如左图箭头1所 指），表面较为平整；右边波状消光的应变石英（如左图箭头 2所指）的边缘呈港湾状，中部有侵蚀性的裂纹贯穿。右图中 箭头所指为具有波状消光的变质硅质岩颗粒，中部有侵蚀性裂 纹交错。
芯样粗裂缝中黄白色物质的SEM
黄白色沉积物XRD图
XRD分析结果表明，芯样粗裂缝表面黄白色沉积 物主要为Mg(OH)2和CaCO3，这与其化学成分及 扫描电镜/能谱分析结果也是吻合的。
细裂缝中水化产物物能谱图
混凝土芯样细裂缝中杆状及纤维状物的主要成分为Ca、S、Al和 Si。从成分和形貌可知，该杆状及纤维状物主要为钙矾石。大 量钙矾石晶体的生成，引起混凝上体积膨胀，产生内应力，进 一步造成了混凝土的内部开裂，影响了混凝土耐久性。
(1) 岩相法（必需方法）
将混凝土集料磨制成光片、薄片，在光学显
微镜下观察活性组分的量和分布。 根据集料中活性组分类型不同将ASR 分为： a.早(快) 膨胀型ASR—主要由蛋白石、方石英、 鳞石英、玉髓和火山玻璃体等高活性矿物引 起。 b.慢膨胀ASR—主要由微晶石英引起 。
混凝土的粗集料岩相
凝胶干燥物与不同模数硅酸钠固体的FTIR图谱
曲线1为模数等于1的硅酸钠； 曲线2为模数大于2的工业水玻 璃烘干物； 曲线3为凝胶干燥后样品。 凝胶IR图谱与硅酸钠的较为接 近，说明凝胶主要成分为水化 硅酸钠。
混凝土的粗集料岩相
混凝土粗集料为 花岗岩，基本矿 物组成为石英、 长石和云母，另 有少量磁铁矿。 矿物结晶度较完 整、有序。此粗 集料存在弱的波 状消光石英，但 数量很少，一般 认为不具备碱反 应活性或者碱活 性较低。
混凝土粗集料为 花岗岩，基本矿 物组成为石英、 长石和云母，另 有少量磁铁矿。 矿物结晶度较完 整、有序。此粗 集料存在弱的波 状消光石英，但 数量很少，一般 认为不具备碱反 应活性或者碱活 性较低。
混凝土的细集料岩相
混凝土细集料含有数量较多的波状消光的 应变石英和玉髓，具有较强的碱反应活性。
(2) 化学法
(5) 混凝土柱法(CSC A23.2-14A)
试验方法： 水泥含碱量1.0%±0.2%，外加NaOH使其达1.25%； 水泥用量310Kg/m3±5Kg/m3；水灰比0.42-0.45； 试件尺寸：75mm×75mm×300mm； 养护条件：23℃±2℃,RH100%； 判定标准：对ACR，测试试件1年的膨胀率，若＞ 0.04%，则有害；对ASR，38℃±2℃,RH100%条件 下， 1年的膨胀率＞0.025%或3个月＞0.01%，则有 害。 存在问题：比较接近工程实际，试验结果温度，但工 作量大，试验周期至少需要1年。
石子形状对混凝土性能的影响
请观察下图中A、B、C三种石子的形状有何差别，分析 其对拌制混凝土性能会有哪些影响。
A、碎石1
B、碎石2
C、卵石
A为碎石1，针片状颗粒含量较多。此针片状 的碎石过多，比表面积大，不仅会影响混凝土和 易性，还会影响强度。 B为碎石2，表面较粗糙，多棱角，比表面积 较碎石1小，拌制混凝土时的性能优于碎石1。 C为卵石，表面光滑、少棱角，比表面积较 小。故拌制混凝土时所需水泥量较小。混凝土拌 合物的和易性较好。但卵石与水泥石粘结力会较 差。在相同条件下，混凝土强度较低。

(6) 中国压蒸快速法(CECS 48:93)
试验方法： 水泥含碱量0.4%-0.8%，外加KOH使其达1.5%； mC:mA=10:1，5:1和2:1；水灰比0.3； 试件尺寸：40mm×10mm×10mm； 养护条件：100℃蒸养4h，再浸泡在10%KOH溶液 中150℃压蒸6h； 判定标准：三个配比中最大膨胀值≥0.1%则为活性 集料。 存在问题：与工程实际相差较大；试件太小，取样 有限，水灰比较小，试件成型困难，误差较大；

碱-骨料反应是一种混凝土的内部破坏，是混
凝土的“癌症”。这种破坏不仅仅限于某个 局部，常常是整体性的，这就为其他的劣化 反应比如钢筋锈蚀、盐蚀、碳化、冻融破坏 等等提供便利，加速混凝土结构的破坏。 从该桥墩抽取的多点多个混凝土芯样中未发 现钢筋锈斑，现场勘察亦没有发现混凝土钢 筋锈蚀造成的开裂情况。
(2) 海工混凝土硫酸盐镁盐侵蚀研究
硫酸盐、镁盐侵蚀机理：
混凝土芯样外观
混凝土芯样已开裂，其裂缝断面有相当部分较平整，且裂缝表 面有一层厚度约为0.6mm的黄白色沉积物。
混凝土芯样粗裂缝表面沉积物的化学成分
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K20 Na2O SO3 Sum
18.15
砂、石碱活性快速试验
骨料 水泥骨料比 2：1 砂 5：1 10：1 2：1 膨胀率% 0.134 0.064 0.004 0.006 0.006 0.005 活性 判断
石
5：1 10：1
非活性
小结
快速试验结果表明该细集料最大膨胀率达到0.134%， 大于0.1%，属于活性集料； 岩相分析表明该细集料含具有碱活性的波状消光应变 石英和玉髓，也含有一定量的结晶较差的变质硅质岩 颗粒。 海水中含有大量的Na+离子，还含有少量的K+、Ca2+等 其他离子，呈微碱性，如果海工混凝土中使用碱活性 集料，即使所用水泥中碱含量很低，也可获得反应所 需的碱和水分。 该混凝土完全具备了发生碱-集料反应破坏的三大基 本条件。
(1) 细集料
粒径4.75
mm以下的集料称为细集料，即砂。 分类：天然砂、人工砂(机制砂)。 细度模数uf 粗砂—3.1＜uf＜3.7 中砂—2.3＜uf＜3.0 细砂—1.6＜uf＜2.2
(2) 粗集料
粒径大于4.75
mm的集料称为粗骨料，即石。 分碎石、卵石两种。 针状颗粒：卵石和碎石颗粒的长度大于该颗 粒所属相应粒级的平均粒径2.4倍者。 片状颗粒：厚度小于平均粒径0.4倍者。 （平均粒径指该粒级上、下限粒径的平均值）
结论
该桥墩混凝土细集料含具有波状消光应变石英、玉 髓和一定量的结晶较差的变质硅质岩颗粒，碱活性 快速试验表明该细集料具有潜在碱活性； 微观结构显示：细集料颗粒内部受到严重侵蚀，颗 粒边缘不完整；发现了碱-硅酸反应的产物—碱硅 酸凝胶的存在，确证了该混凝土细集料已经发生了 碱-集料反应并在内部造成了裂缝。 在粗裂缝中发现了大量的氢氧化镁及钙矾石，海水 中的硫酸盐、镁盐进一步侵蚀了混凝土，造成混凝 土的进一步开裂破坏。
2. 碱集料活性试验方法

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。 按有害矿物的种类不同，AAR又可分为碱-硅酸反应 （Alkali-Silica Reaction，简称ASR）和碱-碳酸盐反 应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR）。 从国际范围来看，ASR的发生比ACR频繁得多，是 导致混凝土耐久性下降的重要原因之一，已在全世界 范围内造成了巨大的损失。