碱硅酸反应对水泥基材料力学性能影响

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1、碱硅酸反应对水泥基材料力学性能影响　　摘要：通过对比活性不同的两种砂制备的砂浆试样在碱硅酸反应中的膨胀率，结合三轴抗压测试研究了碱硅酸反应前后水泥基材料的力学性能变化，分析了碱硅酸反应后材料微观结构演变与力学性能间的关系。结果表明碱惰性砂制备的砂浆试样中骨料周围局部区域形成少量针状凝胶相，由于碱硅酸反应速率较慢且凝胶相较少，因而其膨胀率较小且对水泥基材料力学性能的影响较小。碱活性砂制备的砂浆试样中，骨料周围易生成大量针状凝胶层，且随着碱硅酸反应的进行凝胶相膨胀加剧，促进水泥基材料中骨料周围的水泥浆体中形成大量裂纹，进而明显影响水泥基材料的力学性能。研究表明，三轴抗压测试中，除膨胀率外，极限抗压

2、强度和应变量也可以作为评价水泥基材料碱硅酸反应水平的参量。关键词：碱硅酸反应；水泥基材料；抗压强度；力学性能。中图分类号：TU375.1文献标志码：A文章编号：16744764（2014）010119068碱骨料反应是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一，在各种碱骨料反应中，碱硅酸反应（ASR）是最为普遍的类型[1]，因而近年来出现了大量关于碱硅酸反应的报道。刘晨霞等[2]在研究温度对碱硅酸反应的影响时发现试样的膨胀率与碱硅酸反应时间之间存在双曲线关系，且随着温度的升高试样的膨胀速率明显增加，但其对最终膨胀量无明显影响。Lu等[3]研究了不同种类的碱液对混凝土碱骨料反应的影响，结果表明在相同的碱

3、浓度下，NaOH溶液中混凝土试样的硅酸反应最强烈，KOH溶液次之，LiOH溶液中的混凝土试样的碱硅酸反应最弱。此外，研究表明在LiOH溶液中，骨料周围生成的低膨胀性含Li反应产物可以阻碍碱硅酸反应的进一步进行，因而LiOH有抑制混凝土中碱硅酸反应的作用。Théodore等[4]研究了Al离子对混凝土碱硅酸反应的影响，发现Al离子吸附在SiO2表面可降低其溶解速率，因而可对碱硅酸反应起到抑制作用。Cyrille等[5]研究了骨料粒径对碱硅酸反应引起的膨胀率的影响，结果表明经碱硅酸反应后，骨料粒径在4～8mm的混凝土试样的膨胀率最大，其次是骨料粒径在8～168mm的混凝土试样。此外还发现混凝土的膨

4、胀率在碱硅酸反应早期由骨料的破裂方式决定，而后期的膨胀率由浆体相的破裂方式决定。Smaoui等[6]研究了NaOH对混凝土微观结构的影响，发现添加较多NaOH的混凝土更容易形成多孔洞的网状结构。近年来，出现了一些用粉煤灰等矿物添加剂抑制混凝土碱硅酸反应的报道[79]。李北星等[7]研究了粉煤灰对混凝土碱硅酸反应的影响机理，发现粉煤灰在消耗水泥浆体中Ca（OH）2的同时，反应生成的碱硅铝凝胶不具有膨胀性，因而可有效抑制碱硅酸反应。此外，也有学者[8]认为粉煤灰对水泥浆体中的碱有物理稀释作用，粉煤灰中酸性颗粒对Na+、K+和OH-的吸附、滞留等多重作用，能够有效抑制碱硅酸反应。Aydin[9]等研

5、究了研磨过程对含粉煤灰的混凝土试样力学性能的影响，结果发现添加研磨后的粉煤灰的混凝土试样其力学性能将得到显著改善。陈达，等：碱硅酸反应对水泥基材料力学性能的影响工程结构中的混凝土所处的应力状态复杂，材料往往承受三向应力。研究表明[1012]水泥基材料的力学特征与围压状态相关，随着围压的增加，塑性应变成为材料最主要的力学特征。为了更好了解水泥基材料，掌握其在多向应力下尤其是三轴围压下的力学特性具有重要意义。然而，目前关于碱硅酸反应的研究多数集中在反应机理以及抑制碱硅酸反应等方面[18]，而关于碱硅酸反应后水泥基材料的力学性能[9，1314]的研究较少，尤其是碱硅酸反应对水泥基材料的三轴抗压性能方

6、面的影响则鲜有报道。本文以活性不同的砂制备的砂浆为试验材料，研究了碱硅酸反应对其三轴抗压性能的影响，并结合微观结构的演变讨论了碱硅酸反应引起水泥基材料力学性能变化的机理。1实验材料及方法81.1实验材料采用活性不同的两种砂样制备砂浆试样，一种由石灰岩组成，对碱反应不敏感，即碱惰性砂，其制备的砂浆试样简称为NR试样；另一种由硅质灰岩组成，对碱反应呈潜在活性，即碱活性砂，其制备的砂浆试样简称为R试样。制备砂浆试样前，两种砂进行粉碎、筛分、冲洗去除极细颗粒和干燥处理，且选取25%（V.%）细砂（粒径0.08～0.16mm）、50%中砂（粒径0.63～1.25mm）和25%粗砂（粒径2.5～4mm）。

7、本文以高碱水泥（碱含量（Na2Oeq）111%）、去离子水和筛选的砂按照一定比例搅拌制备砂浆试。水胶比对水泥基材料的性能有明显的影响[1516]，周述光等[15]的实验结果表明，当水胶比在0.3～0.5的范围内，各砂浆试样在经过碱硅酸反应后的膨胀率虽有一定的差异，但不同水胶比试样膨胀率的演变规律却相似。因此，为突出碱硅酸反应与水泥基材料力学性能劣化间的关联，将灰砂比和水灰比分别设定为1∶3和1∶2