CN110015856A - 一种混凝土骨料抑制碱活性的方法 - Google Patents

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杜成文
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Abstract

本发明提供了一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，包括：在混凝土中掺入化学外加剂和/或矿物掺合料，化学外加剂为高效减水剂和引气剂，矿物掺合料为粉煤灰和硅灰，并控制水胶比。通过实验确定单掺的掺量范围和混掺的掺量配合比，确定各种材料掺量同碱骨料膨胀率之间的关系，本方法中确定将粉煤灰、硅灰、高效减水剂以及引气剂四种材料作为混凝土组分的一部分，通过单因素试验和多因素五元二次正交旋转组合试验方法确定了材料的合理配合比，工程中预防碱骨料反应提供了有效的参考措施，对抑制ASR长期有效，减少了因碱骨料反应引起的工程破坏。

Description

一种混凝土骨料抑制碱活性的方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土配比方法，特别是一种混凝土骨料抑制碱活性的方法。
背景技术
近年来，混凝土作为各种工程结构中用量最多，使用最广泛的建筑材料之一，已逐渐成为人类社会生活中必不可少的一部分。并且随着混凝土技术的日益成熟和发展，不仅用于住宅、公路、桥梁等土木工程结构，更越来越多的使用于水利工程、海洋工程、以及一些特殊的工程结构中。起初，对混凝土结构的设计着重于满足强度的要求，以强度作为混凝土结构寿命的标准。然而，随着应用范围的扩大和环境因素的复杂，为了满足在各个环境中更好发挥混凝土结构的作用，各种新型混凝土和外加强剂如高强超高强混凝土、自密实混凝土、绿色高性能混凝土快速发展。很多混凝土结构在其使用寿命年限内发生了各种各样的破坏，大多数不是由强度所引起的，直接影响了混凝土的耐久性，即在自然环境、使用环境以及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能，影响耐久性的原因包括：工程结构渗漏(酸碱盐溶液侵蚀)、冻融循环变化、钢筋锈蚀、混凝土裂缝、碱-骨料反应等。
碱-骨料反应(Akali-Aggregate Reaction,简称AAR)是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。碱-骨料反应广泛的存在于港口、大坝、道路、桥梁、工业与民用建筑等混凝土结构中，并且AAR是全球性的，即世界各国均不同程度的存在AAR引起的破坏。
碱-骨料反应是混凝土孔溶液中的碱与骨料中的活性成分发生反应，生成物吸水膨胀而导致混凝土开裂破坏，显然碱-骨料反应的病害因素在混凝土内部，即使采取修补加固措施，由于不能根除病害因素，并还会继续发展。目前用于预防及抑制碱骨料反应的措施主要包括：一是降低水泥碱含量，这是防止碱骨料反应最有效的措施，考虑到长远的社会经济效益，美国、英国、日本、新西兰等国均大幅度降低水泥碱含量；二是尽量避免使用高活性的骨料，这就要求使用骨料前对骨料碱活性进行鉴定；三是尽量降低工程周围环境相对湿度；四是掺碱骨料反应抑制剂，或者用矿物掺合料部分取代水泥，该措施是抑制碱骨料反应的重要措施。
这些措施存在以下几个问题：
1、降低水泥碱含量将增加原料及生产成本，降低水泥的早期强度并减少混合材的激发作用，对于水泥生产厂家，以及工期紧，并大量使用高性能混凝土的工程来说，该措施的实现是有很大难度的。
2、由于我国骨料分布广泛而分散，避免使用碱活性骨料是不太现实也不符合就地取材原则的。相对来说采用第四种方法，即掺抑制剂或矿物掺合料是最有潜力的抑制碱骨料反应的方法。
3、目前基本都是单独掺一种外加剂或矿物掺合料以抑制碱骨料反应，且一般认为掺量越高抑制效果越好，由于集料的高置换率而对其他性能带来的不利影响则考虑较少。
4、目前实际工程中外加剂及矿物掺合料通常会同时用到，对于高性能混凝土，高性能化学外加剂和矿物外加剂已成为必需组分，而对碱骨料反应抑制措施的研究大多是掺某种或几种活性掺合料进行试验得出掺合料掺量的大致范围，对掺合料之间或者掺合料与外加剂之间的综合效应则考虑比较少，而且由于试验所采用的骨料取自不同的地方，活性存在很大差异，由试验得出的抑制掺量在应用到别的工程时只能作为参考，混合材抑制ASR的长期有效性还不能确定。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，包括：在混凝土中掺入化学外加剂并控制水胶比为0.40，从而预防碱骨料反应或降低碱骨料反应的程度，所述化学外加剂包括高效减水剂和引气剂，所述高效减水剂用于预防碱骨料反应，所述引气剂对碱骨料反应有一定的降低作用。
优选的，所述高效减水剂对碱骨料反应的抑制作用同减水剂掺量有一定关系，掺量为1％抑制作用最小，掺量为1.5％时抑制效果最佳。
优选的，所述引气剂掺量范围为0％-0.02％，随着时间对碱骨料反应起到的抑制作用逐渐降低。
本发明的目的还在于提供另一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，包括：在混凝土中掺入矿物掺合料并控制水胶比为0.40，所述矿物掺合料包括粉煤灰和硅灰，对碱骨料反应实施明显的抑制作用。
优选的，所述粉煤灰掺量为30％-50％，所述粉煤灰掺量达到50％时，对碱骨料反应抑制效果最佳。
优选的，所述硅灰掺量为5％-25％，所述硅灰随着其掺量的增大对碱骨料反应抑制效果变化不明显，但是混凝土抗压强度随之下降。
本发明的目的还在于提供另一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，包括：在混凝土中掺入化学外加剂和矿物掺合料，其中所述化学外加剂为高效减水剂和引气剂，所述矿物掺合料为粉煤灰和硅灰，并控制水胶比为0.30。
优选的，根据膨胀率为因变数的五元二次回归方程
Y＝0.01772+0.01598X1-0.02162X12-0.01130X52+0.01532X1X3+0.01871X2X5+0.02927X4X5，确定膨胀率最低时的因素组合：粉煤灰40％，硅灰5％，高效减水剂0.5％，引气剂0％，水胶比0.3。其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
优选的，根据强度为因变量的五元二次回归方程
Y＝28.26375-3.80750X1-2.13833X2+1.71000X3-2.06436X32+3.82936X42-1.75813 X52+2.50375X2X3，确定强度值最大时的因素组合：粉煤灰15％、硅灰5％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.40。其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
优选的，根据膨胀率降低率为因变量的五元二次回归方程方程：
Y＝0.97541-0.02214X1+0.02997X12+0.01567X52-0.02125X1X3-0.02595X2X5-0.04 060X4X5，计算将活性降低到0.1％以下的膨胀率降低率时的因素组合：粉煤灰 30％、硅灰15％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.4％。其中X1，X2， X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
本发明的有益效果：本发明根据实验确定了将粉煤灰、硅灰、高效减水剂以及引气剂四种材料作为混凝土组分的一部分，通过单因素试验和多因素五元二次正交旋转组合试验方法确定了材料的合理配合比，从微观机理研究拓展到宏观的试验研究，为工程中预防碱骨料反应提供了有效的措施，对抑制ASR长期有效。
根据下文对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
具体实施方式
本实施例提供一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，包括：
在混凝土中掺入化学外加剂，化学外加剂包括高效减水剂和引气剂，高效减水剂用于预防碱骨料反应，引气剂对碱骨料反应也有一定的降低作用；
在混凝土中掺入矿物掺合料，矿物掺合料包括粉煤灰和硅灰，这两种矿物掺合剂为工程常用，且大量的试验研究表明二者对碱骨料反应有着明显的抑制作用；
通过实验确定其掺量配合比，确定各种材料掺量同碱骨料膨胀率之间的关系，从而为混凝土工程预防和抑制碱骨料反应提供参考，尽可能的减少因碱骨料反应引起的工程破坏。
(一)高效减水剂对碱-骨料反应的抑制试验
为了研究JSG高效减水剂对碱骨料反应的影响规律，在水灰比为0.47，灰砂比为1：2.25的条件下，测量了高效减水剂掺量分别为0，0.5％，0.75％，1.0％和1.5％时，沙浆棒3d，7d，14d和28d的自由膨胀率。掺量分别低于0.5％和高于 1％时，随减水剂掺量的增大试件膨胀率有所降低，减水剂掺量在0.5％-1％之间，随减水剂掺量的增大试件膨胀率也增大，其中该高效减水剂掺量为1.5％时，抑制效果最佳，14d抑制效果达到40％，而掺量为1％时，抑制效果只有2.1％，抑制作用较其他掺量都低。
(二)引气高效减水剂对碱-骨料反应的抑制试验
引气高效减水剂掺量分别为0.5％,0.75％和1％，对碱骨料反应的抑制作用，并没有与在混凝土中产生微小气泡，反应产物嵌进分散的孔隙中降低膨胀应力，而起到预防和控制碱骨料反应的作用。而是3d、7d膨胀率较对比试件均低，后期膨胀率增长较快，28d膨胀率基本与对比试件相同，掺量为0.75％时，试件3d 膨胀率较对比试件降低了60％，而28d试件膨胀率则基本与对比试件相同甚至略高于对比试件，掺入该引气高效减水剂后对早期的碱骨料反应有一定的抑制作用，但后期抑制效果较差。
(三)粉煤灰对碱-骨料反应的抑制作用
试验选取掺15％-50％的粉煤灰取代水泥，测试件3d、7d、14d、28d的膨胀率，并与基准试件进行对比计算膨胀率降低率。掺粉煤灰对碱骨料反应有明显的抑制效果。掺量为15％的试件，其14d膨胀率降低率为12.1％，而当掺量达到 50％时，粉煤灰对砂浆试件的碱骨料反应抑制效能高达95.9％。本试验采用玻璃砂活性高，粉煤灰掺量在30％以上试件14d的膨胀率为0.1％，当粉煤灰掺量达 50％，砂浆试件的膨胀率远低于0.1％，即针对玻璃砂，粉煤灰掺量至少达到30％才可以有效抑制碱骨料反应。
单因素试验设计方法，对两种高效减水剂以及粉煤灰对碱骨料反应的一致作用进行研究，从而获得对抑制碱骨料反应效果较好的高效减水剂品种及掺量范围，以及粉煤灰的掺量范围。
(1)掺用JSG高效减水剂和JSG引气高效减水剂不会引起碱骨料反应并对碱骨料反应有一定程度的抑制作用；
(2)掺高效减水剂对碱骨料反应的抑制效果最好，抑制作用同减水剂掺量有一定关系，掺量为1％抑制作用最小，掺量为1.5％时抑制效果最佳，14d抑制碱骨料反应膨胀率达37.8％。
(3)掺引气高效减水剂在试验早期对碱骨料反应起到一定抑制作用，但后期抑制效果较差。
(4)粉煤灰掺量需超过30％才能将本试验骨料活性降低到0.1％以下，掺量达到50％时，对试件14d膨胀率抑制效果达到95.9％。
为了确定多种因素对碱骨料反应的影响范围，所采用的确定方法为五元二次正交旋转组合设计方法进行试验，该方法试验处理数量少，计算方便，消除了回归系数间的相关性，且旋转性使得与中心点距离相等的点上，预测值的方差相等，即克服了随试验点在因子空间的位置不同而呈现的较大差异的干扰。通过对试件膨胀率和抗压强度的回归分析及效应分析，得出分别以膨胀率、抗压强度和膨胀率降低率为因变量Y的五元二次回归方程，并通过单因子分析和两因子互作效应分析得到粉煤灰、硅灰、高效减水剂、引气剂和水胶比五个因素对碱骨料反应的抑制作用以及交互作用，同时获得在有碱骨料反应发生时，各因素对砂浆抗压强度的作用效应。二次正交旋转组合设计参数的确定：自变量个数P＝5，两水平全因子试验部分实施的试验点数mc＝16，r＝2，五维空间位于各坐标轴上距离坐标原点半径为r的试验点数mr＝10，为了使试验具有正交性， m0＝10。试验设计65个试验点，除正交旋转的64个试验点，增设一组为掺玻璃砂的对比试件，一族每个试验点里2组试验，分别为一组测膨胀率的试验，一组测抗压强度的试验，每组3个试件。测量指标为3d、7d、14d、28d膨胀率以及28d 抗压强度。
粉煤灰掺量15％-30％，在其他因子零水平的情况下随粉煤灰掺量的增大试件膨胀率降低，掺量30％时，试件膨胀率最低，粉煤灰掺量30％-50％，随粉煤灰掺量的增大试件膨胀率反而升高，但是升高的幅度远远小于其降低的幅度，且其最终的膨胀率都小于0.1％。在粉煤灰掺量范围内，随着其掺量的增大，试件28d抗压强度降低。
硅灰掺量为5％-25％，在其他因子零水平的情况下，掺硅灰5％试件膨胀率即达到最低值，随着其掺量的增大膨胀率不再降低，但是试件28d抗压强度呈下降趋势。
高效减水剂掺量为0.5％-1.5％，其他因子零水平时，其掺量的变化对碱骨料反应没有影响，掺量为1％时，试件28d抗压强度最高，掺量小于或大于该值时，抗压强度均降低。
引气剂掺量范围为0％-0.02％，其他因子零水平时，引气剂的掺入对碱骨料反应膨胀率基本没有影响效应，引气剂掺量为0.01％时，试件28d抗压强度值最低，引气剂掺量低于或高于该值，试件28d抗压强度均增大。
其他因子零水平时，水胶比取0.40，试件膨胀率达到最小值，28d抗压强度达到最大值；水胶比小于0.40，随着水胶比的降低，试件膨胀率迅速增大，28d 抗压强度值减小；水胶比大于0.40，随着水胶比的增大，试件膨胀率有缓慢升高，最大值不超过0.1％，28d抗压强度降低。
其他因子零水平情况下，粉煤灰与高效减水剂、硅灰与水胶比、引气剂与水胶比对碱骨料反应膨胀率有互作效应，硅灰与高效减水剂对试件强度存在互作效应，其它因子间不存在互作效应。
混凝土膨胀率最低时的因素组合：粉煤灰40％、硅灰5％、高效减水剂0.5％、引气剂0％、水胶比0.30。膨胀率降低到0.1％时的因素组合：粉煤灰30％、硅灰 15％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.4％。
最终实施方案的方式包括：
1、单掺高效减水剂对碱骨料反应有一定程度的抑制效果，掺量为1.5％时抑制效果最好，14d膨胀率降低率为37.8％。
2、单掺粉煤灰对碱骨料反应有非常好的抑制作用，掺量15％即可以抑制膨胀率12.1％，随着掺量的增大，抑制作用增强，掺量50％时，抑制效果高达95.9％，但是随着粉煤灰掺量的增大，试件早期将度降低，不利于拆模，实际工程中需要根据骨料活性的大小选择合适的掺量。
3、水胶比在碱骨料反应过程中影响和作用巨大，多因素共同作用抑制碱骨料反应，水胶比取0.40时，膨胀率的值最低，水胶比小于0.40，随水胶比的增大，膨胀率降低，水胶比大于0.40，随着水胶比的增大，膨胀率升高。
4、以膨胀率为因变数的五元二次回归方程
Y＝0.01772+0.01598X1-0.02162X12-0.01130X52+0.01532X1X3+0.01871X2X5+0.02927X4X5，根据方程得出膨胀率最低时的因素组合：粉煤灰40％，硅灰5％，高效减水剂0.5％，引气剂0％，水胶比0.3。膨胀率降低到0.1％时的因素组合：粉煤灰30％、硅灰15％、高效减水剂1％、引气剂0.01％、水胶比0.40。其中X1， X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
5、以强度为因变量的五元二次回归方程
Y＝28.26375-3.80750X1-2.13833X2+1.71000X3-2.06436X32+3.82936X42-1.75813 X52+2.50375X2X3，强度值最大时的因素组合：粉煤灰15％、硅灰5％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.40。即五个因素综合作用抑制碱骨料反应的同时对试件的抗压强度也有较大的影响，同时考虑两个指标选择适当的因素组合。其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
6、由五元二次正交旋转组合试验方法得到以膨胀率降低率为因变量的方程：
Y＝0.97541-0.02214X1+0.02997X12+0.01567X52-0.02125X1X3-0.02595X2X5-0.04 060X4X5。在实际工程中，可根据骨料碱活性的大小，计算将活性降低到0.1％以下的膨胀率降低率，依此选择合适的因素组合。其中X1，X2，X3，X4和X5 分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
本实施例根据实验确定了将粉煤灰、硅灰、高效减水剂以及引气剂四种材料作为混凝土组分的一部分，通过单因素试验和多因素五元二次正交旋转组合试验方法确定了材料的合理配合比，从微观机理研究拓展到宏观的试验研究，为工程中预防碱骨料反应提供了有效的措施，对抑制ASR长期有效。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于包括：在混凝土中掺入化学外加剂并控制水胶比为0.40，从而预防碱骨料反应或降低碱骨料反应的程度，所述化学外加剂包括高效减水剂和引气剂，所述高效减水剂用于预防碱骨料反应，所述引气剂对碱骨料反应有一定的降低作用。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：所述高效减水剂对碱骨料反应的抑制作用同减水剂掺量有一定关系，掺量为1％抑制作用最小，掺量为1.5％时抑制效果最佳。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：所述引气剂掺量范围为0％-0.02％，随着时间对碱骨料反应起到的抑制作用逐渐降低。
4.一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于包括：在混凝土中掺入矿物掺合料并控制水胶比为0.40，所述矿物掺合料包括粉煤灰和硅灰，对碱骨料反应实施明显的抑制作用。
5.根据权利要求4所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：所述粉煤灰掺量为30％-50％，所述粉煤灰掺量达到50％时，对碱骨料反应抑制效果最佳。
6.根据权利要求4所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：所述硅灰掺量为5％-25％，所述硅灰随着其掺量的增大对碱骨料反应抑制效果变化不明显，但是混凝土抗压强度随之下降。
7.一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于包括：在混凝土中掺入化学外加剂和矿物掺合料，其中所述化学外加剂为高效减水剂和引气剂，所述矿物掺合料为粉煤灰和硅灰，并控制水胶比为0.30。
8.根据权利要求7所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：根据膨胀率为因变数的五元二次回归方程
Y＝0.01772+0.01598X1-0.02162X12-0.01130X52+0.01532X1X3+0.01871X2X5+0.02927X4X5，确定膨胀率最低时的因素组合：粉煤灰40％，硅灰5％，高效减水剂0.5％，引气剂0％，水胶比0.3，其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
9.根据权利要求7所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：根据强度为因变量的五元二次回归方程
Y＝28.26375-3.80750X1-2.13833X2+1.71000X3-2.06436X32+3.82936X42-1.75813X52+2.50375X2X3，确定强度值最大时的因素组合：粉煤灰15％、硅灰5％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.40，其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
10.根据权利要求7所述的一种混凝土骨料抑制碱活性的方法，其特征在于：根据膨胀率降低率为因变量的五元二次回归方程方程：
Y＝0.97541-0.02214X1+0.02997X12+0.01567X52-0.02125X1X3-0.02595X2X5-0.04060X4X5，计算将活性降低到0.1％以下的膨胀率降低率时的因素组合：粉煤灰30％、硅灰15％、高效减水剂0.5％、引气剂0.2％、水胶比0.4％，其中X1，X2，X3，X4和X5分别表示粉煤灰，硅灰，高效减水剂和引气剂的含量以及水胶比数值。
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