鲁达
(一)粗骨料等级对混凝土性能的影响
石材级配是指各等级颗粒大小颗粒的分配比例。
级配对于混凝土的和易性、强度、抗渗性、抗冻性以及经济性等都有一定的影响,因此水工混凝土的石子最佳级配是通过不同粒径、不同比例组合,采用振实密度法找出最大振实密度,使其组合的粗骨料孔隙最小。使用级配良好的粗骨料，可以配出水泥用量较低、各种性能较好的混凝土。粗骨料的粒径越大,需要湿润的比表面积越小。因此,大体积混凝土应尽量采用较大粒径的石子,这样可降低砂率、混凝土用水量与水泥用量,提高混凝土强度,减少混凝土温升及干缩裂缝。
(二)粗骨料饱和面干吸水率及表观密度对混凝土性能的影响
石料的表观密度取决于石质、矿物成分,风化程度及空隙率。一般来说,密度小的骨料结构疏松、多孔,空隙率和吸水率大,配制的混凝土强度较低,特别是粗骨料外部孔隙对吸水率影响更大，对混凝土抗渗性、抗冻性、化学稳定性和抗磨性等都将产生一定的不利影响。
(三)粗骨料含泥量及泥块含量对混凝土性能的影响
《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685- 2012)对含泥量的定 义是,卵石、碎石中粒径小于75 um的颗粒含量。《水工混凝土试验规程》(SL352- 2006 )对含泥量的定义是石料中小于0. 08 mm的黏土、淤泥及细屑的总含量。《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(附条文说明)》(JGJ 52- 2006 )对含泥量的定义是，粒径小于0.08 mm的细物粒含量。其比表面积大吸水性大体积不稳定,吸水湿润时影胀，干燥时收缩;黏土含量多对混凝土强度.干缩、徐变、抗渗、抗冻融及抗磨损等均产生不良影响。含泥状态不同，影响也有差异,其类型有以下三种:
(1)包裹型含泥一石子所含泥粒一般成浆状黏结或包裹于石子表面，直接影响石子与水泥石的黏结,从而降低混凝土的强度等性能。
(2)松散型含泥一石子中均匀分布的泥粒,在配制低胶材混凝土或砂子细度偏粗时,可以起到改善混凝土拌和物的和易性与提高混凝土密实性的作用,但含泥量达到5%时,混凝土强度有所降低,特别是R2300以上混凝土，当含泥量超过7%时，强度可降低.30%以上。
(3)团块型含泥石子中含有团块状泥土时，对混凝土各种性能都不利，特别对混凝土抗拉强度影响更大,如泥块含量在1%~2%时,混凝土抗拉强度降低10%~25%,同时团块型含泥量越多,对混凝土干缩影响也越大，因此SL677-2014和DL/T5144--2015都规定骨料中不允许泥块存在。GB/T 14685- -2011规定:C60混凝土泥块为0%，C30 ~C60抗冻及抗渗等要求泥块含量<0. 5% ,低于C30要求泥块含量<0.7%。此规定并不适合于水工混凝土。
含泥量对混凝土抗冻性的影响非常明显，当含泥量为1%时,抗冻性降低不明显、但含泥量为3% ~7%时,混凝土抗冻性显著降低，含泥量3%时混凝土抗冻性降低36.20%含泥量7%时混凝土抗冻性降低47.8%。因此,有抗冻要求的混凝土，应严格控制石料中的含泥量。
(四)粗骨料坚固性对混凝土性能的影响
坚固性是石子颗粒在各种物理侵蚀作用下(如冻融、干湿、冷热、温差变化及结晶膨胀等)抵抗崩解破裂的能力,是决定骨料耐久性和体积稳定性的重要参数。为了保证混凝土具有必要的耐久性,对于石子本身的坚固性应有一定的要求 ,有抗冻要求的混凝土坚固性损失率≤5% ,无抗冻要求的混凝土坚固性损失率≤12%。
(五)粗骨料针片状颗粒对混凝土性能的影响
当石子的针片状含量超过一定数量时,使骨料的空除率增加，不仅对混凝土拌合物的和易性有较大影响,而且会不同程度地影响混凝土的强度等性能，特别是对高强混凝土强度影响更大。针片状含量过大对混凝土的抗拉、抗折强度影响显著。因此,规范规定针片状颗粒含量一般不得大于15% ,但碎石中的针片状经试验论证，可以放宽到25%。GB/T 14685 -2011规定针片状含量,C60混凝土应小于5%，低于C30混凝土应小于25% ,c30 ~ C60及有抗冻、抗渗或其他要求的混凝土应小于15%。
(六)粗骨料强度和压碎指标对混凝土性能的影响
粗骨料在混凝土中起着骨架作用,骨料的强度和压碎指标直接影响混凝土的强度和变形性能,而且对高强混凝土影响更显著,故用来加工碎石的岩石湿抗压强度,低于C30混凝:土应大于1.5倍设计强度,高于C30混凝土应大于2. 0倍设计强度;或者火成岩强度不宜低于80 MPa,变质岩不宜低于60 MPa,水成岩不宜低于30 MPa。
碎石或卵石的压碎指标,是指粒径为10~20mm的颗粒，在标准荷载作用下压碎颗粒含量的百分率。该部分细粒属于软弱顺粒,如风化的卵石、砂岩及泥岩等;碎石的软弱颗粒主要有棱角针片状、破碎的细粒。软弱颗粒含量过高会降低混凝土强度,特别对于C40以上混凝土影响更大。
(七)骨料碱活性对混凝土性能的影响
碱-骨料反应(AAR)类型可分为碱硅酸盐反应(ASR)和碱碳酸盐反应(ACR),AAR是造成混凝土结构破坏失效的重要原因之-一，随着我国重点工程持续大规模建设,预防AAR破坏，延长工程的寿命已成为大家普遍关注的大事，需迫切解决的问题。而预防的关键是如何正确判断骨料的碱活性,如何采用有效技术措施防止混凝土工程遭受AAR破坏。下面主要简述AAR特征、AAR检测方法及抑制AAR的技术措施。
1.AAR化学反应破坏的特征
(1)混凝士工程发生碱-骨料反应破坏必须具有三个条件:一是配制混凝土时由水.泥、骨料、外加剂和拌和用水带进混凝土中--定数量的碱,或者混凝土处于碱渗人的环境中;二是--定数量的碱活性骨料存在;三是潮湿环境，可以供应反应物吸水膨胀时所需的水分。
(2)受碱-骨料反应影响的混凝土需要数年或一二十年的时间才会出现开裂破坏。(3)碱-骨料反应破坏最重要的现场特征之一是混凝土表面开裂,裂纹呈网状(龟背纹),起因是混凝土表面下的反应骨料颗粒周围的凝胶或骨料内部产物的吸水膨胀。当其他骨料颗粒发生反应时,产生更多的裂纹，最终这些裂纹相互连接，形成网状。若在预应力作用的区域,裂纹将主要沿预应力方向发展,形成平行于钢筋的裂纹;若在非预应力作用的区域,混凝土表现出网状开裂。
(4)碱-骨料反应破坏是由膨胀引起的，可使结构工程发生整体变形移位、弯曲、扭翘等现象。
(5)碱-硅酸反应生成的碱-硅酸凝胶有时会从裂缝中流到混凝土的表面,新鲜的凝胶呈透明或呈浅黄色，外观类似于树脂。脱水后,凝胶变成白色,凝胶流经裂缝、孔隙的过程中吸收钙、铝、硫等化合物也可变为茶褐色以至黑色，流出的凝胶多有较湿润的光泽,长时间干燥后会变为无定形粉状物，借助放大镜,可与颗粒状的结晶盐析物区别开来。(6)ASR的膨胀是由生成的碱-硅酸凝胶吸水引起的,因此ASR凝胶的存在是混凝土发生了碱-硅酸反应的直接证明。通过检查混凝土芯样的原始表面、切割面、光片和薄片,可在空洞裂纹集料-浆体界面区等处找到凝胶。因凝胶流动性较大,有时可在远离反应骨料的地方找到凝胶。
(7)有些骨料在与碱发生反应后,会在骨料的周边形成一个深色的薄层,称为反应环,有时活性骨料会有一部分被反应掉。
(8)一般认为,ASR膨胀开裂是由存在于骨料-浆体界面和骨料内部的碱-硅酸凝胶吸水膨胀引起的，ACR膨胀开装裂是由反应应生成的方解石和水镁石,在骨料内部受限空间结晶生长形成的结晶压力引起的。也就是说，骨料是膨胀源，这样骨料周围浆体中的切向应力，且在浆体使得骨料内部局部区域承受拉伸应力,而浆体和骨料径向均受压应力。结果,在混凝土中形成与膨胀骨料相连的网状裂纹,反应骨料有时也会开裂，其裂纹会延伸到周围的浆体或砂浆中去,甚至只能延伸到达另一颗粒骨料,裂纹纹有时也会从未发生反应的骨料边缘通过。
(9）ASR产生过度膨胀而引起的混凝土内部裂缝分别是由其中的粗细骨料中的反应性硅与碱反应引起的。这种裂缝经常被凝股填充或部分填充，在混凝土中心处形成网状裂缝，许多裂缝互相交叉连接在一起。 在个别情况下,有的反应性颗粒部分被溶解。
(10)内部裂缝的分布对施加或诱发的压应力是敏感的,在应力作用下，裂缝倾向于平行于压应力方向排成一行。混凝土受ASR影响时,一般混凝土内部膨胀,暴露在外表面的混凝土不膨胀,因此表面受张应力,形成表面微裂缝并于暴露表面成直角,这种相互连接的内部裂缝与表面微裂缝,同暴露面紧密地连在一起,这表明混凝土内部已出现了膨胀。
2.骨料碱活性检验
我国混凝土工程使用骨料种类很多,其中有许多为硅质骨料或含硅质矿物的其他骨料,另外为碳酸盐骨料。建立一种科学、快速和简单的碱活性检测方法,这对我国混凝土工程防止碱骨料反应破坏具有十分重要的意义。
骨料碱活性检验方法根据美国ASTMG-1260-94规定,结合我国碱活性试验研究结果,建筑行业制定CECS48--93规程,水利水电行业制定了《水工混凝土试验规程》(SL352- -2006) ,根据规程规定,现将要点简介于下。
1)骨料碱活性岩相检验方法
本试验方法用于通过肉眼和显微镜观察,鉴定各种砂、石料的种类和矿物成分,从而检验各种骨料中是否含有活性矿物,例如,酸性-中性火山玻璃，隐晶-微晶石英鳞石.英方石英应变石英玉髓、蛋白质细粒泥质灰质白云岩或白云质灰岩、硅质灰岩或硅质白云岩喷出岩及火山碎眉岩屑等,若有类似矿物存在应采用化学法、砂浆棒快速法鉴定。
2)骨料碱活性化学检验法
本试验用于在规定条件下,测定碱溶液和骨料反应溶出的二氧化硅浓度及碱度降低值,借以判断骨料在使用高碱水泥的混凝土中是否产生危害性反应。若有,应采用砂浆棒定悬检验其14 d膨胀率。化学法不适用于含碳酸盐的骨料，不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的众多缓慢膨胀骨料。
骨料活性的评定:当试验结果出现Rc(碱度降低值，mmol/L) >70而Sc(滤液中二氧化硅浓度)>Rc或Rc<70而Sc>35+Rc/2中的任何一种，该试样就被评为具有潜在有害反应,但不能做最后结论,还需要进行其他方法(如砂浆棒长度法)的检测。如果不出.现上述情况，则评定为非活性骨料。
3)骨料碱活性砂浆长度法检验
本试验用于测定水泥砂浆试件的长度变化，以鉴定水泥中碱与活性骨料间反应所引起的膨胀是否具有潜在危害。本试验方法适用于碱骨料反应较快的碱-硅酸盐反应和碱-硅酸反应,不适用于碱-碳酸盐反应。
结果评定应符合下述要求:
对于砂、石料， 当砂浆半年膨胀率超过0.1% ,或3个月膨胀率超过0.05%时(只有缺少半年膨胀率资料时才有效) ,即评为具有危害性的活性骨料。反之如低于上述数值,则评为非活性骨料。
4)碳酸盐骨料的碱活性检验
本试验用于在规定条件下,测量碳酸盐骨料试件在碱溶液中产生的长度变化，以鉴定其作为混凝土骨料是否具有碱活性。本试验适用于碳酸盐岩石的研究与料场初选。
结果评定,试件经84 d浸泡后膨胀率在0.1%以上时,该岩石评为具有潜在碱活性危害,不宜作混凝土骨料,必要时应以混凝土试验结果做出最后评定。测长龄期如果没有专门要求,至少应给出1周、4周、8周、12周的资料。
5)骨料碱活性砂浆棒快速法检验
本试验用于测定骨料在砂浆中的潜在有害的碱-硅酸反应,适合于检验反应缓慢或其在后期才产生膨胀的骨料，如微晶石英、变形石英及玉髓等。
结果评定,砂浆试件14d的膨胀率小于0.1%,则骨料为非活性骨料;砂浆试件14d的膨胀率大于0.2%时,则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料;砂浆试件14d的膨胀率在0.1%~0.2%时,对于这种骨料应结合现场记录、岩相分析,开展其他的辅助试验,试件观测时间延至28 d后的测试结果等来进行综合评定。
6)骨料碱活性混凝土棱柱体试验方法
本试验用于评定混凝土试件在温度38°C及潮湿条件养护下,水泥中的碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。
主要条件规定:硅酸盐水泥;水泥含碱量为±0.1)% (以Na2O +0. 658K2O计);通过外加10% NaOH溶液使试验水泥含碱量达到1. 25% ;水泥用量为(420 +10)kg/m';水灰比为0.42~0.45;石与砂的质量比为6:4。
试验结果判定，当平均膨胀率小于0.02%时，同一组试件中单个试件的膨胀率的差值(最高值与最低值之差)不应超过0.08% ;当平均膨胀率大于0.02%时,同一组试件中单个试件的膨胀率的差值(最高值与最低值之差)不应超过平均值的40% ;当试件一年的膨胀率不小于0. 04%时，则判定为具有潜在危害性反应的活性骨料:膨胀率小于0.04时,判定为非活性骨料。
7)抑制骨料碱活性效能试验
本试验以高活性的石英玻璃砂与高碱水泥制成的砂浆试件(标准试件),与掺有抑制材料的砂浆试件(对比试件)进行同一龄期膨胀率比较，以衡量抑制材料的抑制效能。当骨料通过试验被评为有害活性骨料,而低碱水泥又难以取得时，也可用这种方法选择合适的水泥品种、掺合料、外加剂品种及掺量。
主要规定:标准试件用高碱硅酸盐水泥,碱含量为为1.0%(以Na2O 计)或通过外加10% NaOH溶液使水泥含碱量达到1.0% ;判别外加剂的抑制作用,对比试件所用水泥与标准试件所用水泥相同，如判别掺合料效能时用25%或30%掺合料代替标准试件所用水泥。
3.碱-骨料反应判定方法研究简介
(1)对硅质骨料碱活性检测方法主要参数的研究结果表明，反应温度对砂浆膨胀率有较大影响，以80℃为试验温度，可以使测试结果更迅速,同时又与国际(如美国的AST-MC - 1260)现有标准一致。
(2)对于碱活性不同的骨料,存在不同的最适宜的灰砂比，如花岗岩和河卵石,对于有疑问的试验结果,可采用c/S=1/1进行对比，对于高活性的燧石和沸石化珍珠岩,可采用C/S=2/1进行对比试验,以膨胀率最大值进行骨料碱活性判断。
(3)浸泡碱溶液的浓度和种类与砂浆膨胀率存在相关性，规程用1 mol/L NaOH是适宜的。在试验龄期内,低碱水泥在碱溶液中不膨胀,而高碱水泥有较明显膨胀。外加碱后,低碱水泥能更有效地促进反应和膨胀。工程若采用低碱水泥，应以低碱水泥作为标准水泥进行评定。
(4)试件尺寸对试样膨胀的基本规律影响很少,但对试样膨胀值有影响，如2 cm x2cmx8cm试样膨胀率比4cmx4cmX16cm试样高,但后者膨胀率试验数据准确性更高,故砂浆试件尺寸应采用4 cmx4 cmx16 cm为准。
(5)除活性组分类型外,骨料的物理构造特征对ASR过程和行为有较大影响，而且尺.寸不同,物理构造的影响程度各有差异。不同组配的沸石化珍珠岩和硅质砾岩表现出的;不同“最不利现象”，主要与两者的物理构造不同有关。
(6)试件膨胀受多种因素影响,不能仅依活性组分的化学活性判定骨料的碱活性点充分考虑骨料尺寸、骨料的构造等物理因素对膨胀的影响。采用单级配骨料可以在一出程度上弱化骨料构造对反应过程的影响，可以比五级配更好表征骨料的化学反应活性。(7)测长法鉴定骨料碱活性应充分与岩相法结合,综合考虑骨料中的化学因素和物理构造对膨胀的影响,以利于正确判定骨料碱活性。
4.抑制碱活性骨料的技术措施
抑制碱活性骨料破坏的技术措施,经国内外各方试验研究结果证明,有碱活性骨料为在时,应采取以下措施:
(1)应采用低碱水泥。水泥含碱量应≤1.0%,f-CaO含量≤1.0% ,MgO含量。5.0%(最好控制在2.5%以下),SO3含量≤3.5%,水泥品种为硅酸盐水泥,宜采用回旋窑生产的水泥,其稳定性、安定性及熟料煅烧的均质性均较优。
(2)掺用低碱粉煤灰。ASTMC618限定的用于抑制ASR的粉煤灰含碱量必须小于1.5%。
粉煤灰的细度及颗粒分布与抑制ASR有关，比表而积愈大效果愈好。
新模灰抑制ASR的机制:粉煤灰对碱-硅反应的作用是化学和表面物理化学作用。在话当的条件下，化学作用可以使碱-硅反应得到有效抑制，而表面物理化学作用只能使破一硅反应得到延缓。上述两种反应与体系中的Ca(OH)2含量有着密切关系,只有当Ca(OH):含量低到- -定程度时,粉煤灰才能抑制碱-硅反应膨胀。
通过试验研究证明掺用25%~35%的1、II级粉煤灰,有显著抑制碱活性骨料膨胀破坏的作用，但由于粉煤灰的化学成分形态级配及细度有较大差异,使用时必须用工程原材料进行试验论证。
(3)掺用酸性矿渣较优，矿渣掺量以40% ~ 50%为宜。其作用近似于粉煤灰,但研究资料较少。
(4)掺用低碱外加剂。 由于化学外加剂中 含碱基本上为可溶盐,如Na2SO4 、NaNO2这些中性的盐加入到混凝土后,会与水泥的水化产物如Ca(0H)2等发生反应,阴离子被部分结合到水泥水化产物中，新产生部分0H-,并与留在孔隙溶液中Na*和K'保持电荷平衡。因此，外加含碱盐能显著增加孔隙溶液的0H浓度，加速ASR的进行,并进而增加混凝土的膨胀。目前,我国的早强剂、防冻剂和减水剂等外加剂及其复合外加剂均在不同程度上含有可溶性的钾、钠盐,如Na2SO,和K2CO3等,此类外加剂不宜使用。JISA 6204-87规定，无论混凝土是否含有活性骨料,化学外加剂带入混凝土的碱不得超过0.3 kg/m3。
(5)国内外研究证明,有活性骨料的混凝土,混凝土的总碱量不得超过3.0kg/m3。
(6)有的试验研究证明，采用硫铝酸盐水泥在试验期内能有效地抑制高活性石英玻璃的碱-硅酸反应及高活性白云质灰岩的碱-碳酸盐反应膨胀。
(7)有资料认为，在碱-碳酸盐反应中去白云化反应的程度和速率取决于溶液的pH值,溶液的pH值越高,反应程度越大,反应速度越快。当溶液的pH值小于12.0时，去白云化反应进行得非常缓慢,且易于达到平衡状态,此时基本上不产生碱-白云石反应膨胀。因此，采用硫酸铝水泥能阻止白云化反应的进行，从而有效抑制碱-白云石反应的膨胀。
(8)掺加锂盐后，试件的膨胀值大幅度降低,锂盐对ASR有明显的抑制作用。
综上所述,由于各工程使用的各项原材料各有差异，地质条件、气温、环境所处的综合因素均有所不同,对于碱活性骨料的抑制材料都应使用工程材料通过对比试验论证,达到预期目标才能使用。