快速砂漿棒法對檢測骨料堿活性的適用性評價*

高鵬,秦圓雨,薛剛,王永博,顧宇航

(內蒙古科技大學 土木工程學院,內蒙古 包頭 014010)

20世紀40年代堿集料反應被發現以來[1],其對混凝土的危害成為熱點的研究課題.其中堿硅酸反應(Alkali-Silica Reaction,ASR)的破壞尤為常見,也成為各學者的主要研究對象.對施工材料進行快速準確的ASR反應檢測,是預防發生ASR破壞的主要手段之一.

目前對于ASR檢測的試驗方法有混凝土棱柱體法[2-4](Concrete Prism Tests,CPT)、快速砂漿棒法[5-9](Accelerated Mortar-Bar Test,AMBT)、大體積混凝土試塊法[10](Large Concrete Blocks,LCB)、巖相法[7, 11,12](Petrographic Examination,PE)等.其中CPT和LCB的試驗周期長達幾年至十年,此外,LCB的試件體積大,需較大的試驗場所,存放條件苛刻,這2種試驗方法均不適合在實際工程中使用;PE雖可直接觀察到集料中的活性組分,但其對試驗者的操作要求較高,需要相當熟練的技術;AMBT試驗周期短、試件制作簡單,在工程界被廣泛應用.

然而,我國青海、西藏及內蒙古中西部地區,鹽湖分布星羅棋布,鹽漬土及地下鹵水環境中的堿金屬離子含量極高,極易誘發該地區混凝土工程的堿硅酸反應.因此,即便使用堿活性不高的骨料,在如此惡劣的環境中,在后期依舊存在發生ASR的隱患.

1 AMBT判定準則

對于AMBT的短齡期判定準則,國外的規范有,美國材料實驗協會(ASTM)和國際材料與結構研究實驗聯合會(RILEM)制定的ASTM C1260[8]和RILEM AAR-2[9]規范;國內制定了《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準GB/T 50082—2009》[7]、《水工混凝土試驗規程SL 352—2020》[6]、《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]等一系列規范,國內外均規定試件14 d平均膨脹率小于0.1%時,骨料為非活性骨料,大于0.2%時為活性骨料,在0.1%～0.2%之間需進行進一步長齡期的觀測和進行其他試驗驗證.

盡管AMBT為高溫高堿的試驗環境,能夠在短齡期內(14 d)有效判定大多數骨料的堿活性.但短齡期堿活性檢測樣本,能否在長齡期的惡劣環境中,依舊體現其判定結果的有效性,其評價方法在惡劣環境中是否適用,這些問題仍需進一步研究.

本文采用15種骨料,利用AMBT及延長浸泡齡期法,分別進行ASR短期和長期檢測,對比研究國內外各種AMBT的規程與判定準則,探究其堿活性檢測的適用性,并針對不同工作環境的混凝土ASR檢測方法,提出實質性的建議.

2 試驗方法及原材料

依據《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]中3.38節試進行快速砂漿棒法試驗,觀測28 d短齡期膨脹率;此外,為探究骨料真實堿活性,將觀測齡期延長至一年,觀測砂漿棒長齡期膨脹率.延長齡期階段,保持養護盒內NaOH溶液濃度為1 mol/L,溫度恒定為80 ℃.其中水泥選用內蒙古蒙西水泥公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,不同骨料和產地見表1,粗骨料破碎成細骨料,均按照級配表2所示進行篩分,溶液選用分析純NaOH顆粒配置的1 mol/L的NaOH溶液.

表1 骨料編號及產地

表2 試件骨料級配及配合比

表3 共15種骨料短齡期堿活性判定

3 短齡期試驗結果及堿活性判定

對多種骨料進行28 d的膨脹率觀測后,其結果見圖1.由圖1可知,15種骨料的膨脹率均隨著時間的增長而增長.在14 d時,A,B,E,F,I,J,K,M,N,O組骨料的膨脹率小于0.1%,C,D,L組骨料的膨脹率在0.1%～0.2%之間,G,H組骨料的膨脹率超過了0.2%.

圖1 砂漿棒28 d膨脹率

結合試驗結果,按照前文所述的判定準則,G、H組骨料可以判定為活性骨料;C,D,L組骨料無法判定其堿活性,需要延長觀測,A,B,E,F,I,J,K,M,N,O組骨料可判定為非活性骨料.

4 長齡期試驗結果及AMBT準確性分析

將15組試件延長觀測至一年后,其膨脹率數據見圖2,在進行一年的觀測后,15組試件的最終膨脹率均超過了0.2%,15組骨料后期膨脹率增長速率均變慢.將實驗結果按照3～14 d,21～56 d,63～189 d,203～357 d 4個時間段劃分,取每個時間段內膨脹率的平均值,如圖3,可知G,H試件在每個階段膨脹率均為最大,將其余13組骨料按其每個階段膨脹率大小按照1～13進行排序,如圖4.

圖2 砂漿棒357 d膨脹率

圖3 各組砂漿棒不同時期膨脹率平均值

圖4 4個階段13組骨料膨脹率排序

通過排序變化,分析其不同階段的堿活性表現,得到如下結論.對于因14 d膨脹率小于0.1%而直接被判定非活性骨料的A,B等10組骨料.A,B,F,M 4組骨料的后期堿活性呈不斷降低的趨勢,E組骨料后期堿活性較為穩定,K,N,O 3組骨料的后期堿活性出現較大的上升趨勢,I,J組骨料的堿活性雖然分別第三和第二階段出現了堿活性的降低,但在第四階段堿活性出現了小幅度上升.由此可說明AMBT對于A,B,F,M,E組骨料后期的堿活性判定較為準確,對K,N,O,I,J組骨料后期的堿活性的判定并不準確.

對于14 d膨脹率在0.1%～0.2%無法判定堿活性的額C,D,L組骨料,C組骨料在第三階段堿活性增長后出現了大幅度的下降,D組骨料在經歷第三、四階段堿活性的增長后,在第四階段出現下降,L組骨料后期堿活性不斷降低.

通過試驗結果,分析AMBT判定準則對骨料后期膨脹率的判定準確性,可得,當骨料的膨脹率在14 d小于0.1%時,對其后期的堿活性判定的準確率為50%,當骨料的膨脹率在14 d大于0.2%時,對其后期的堿活性判定的準確率為100%.綜合分析后可得到,當骨料14 d的膨脹率大于0.2%時,判定準則可以快速準確的判定骨料后期的堿活性,但當膨脹率小于0.1%,判定準則對于后期堿活性判定的準確性便存在誤判的可能.

5 AMBT判定準則改進建議

AMBT延長試驗結果表明,K,N,O組被誤判為非活性的骨料,因其后期堿活性急劇上升,在實際工程中存在嚴重的ASR隱患.FOURNIER等[13]對53種骨料進行AMBT試驗,結果表明:其判定準確性有79%.在誤判組中,有3種骨料的堿活性被夸大.結合研究結果可以得出,AMBT對骨料堿活性的判定存在誤判的幾率.為了研究影響其準確性的因素,各國學者進行了大量試驗.

郝挺宇等[14]通過對北京周邊地區的骨料進行進堿活性檢測,發現部分在巖相分析中具有堿活性成分的骨料,其膨脹率卻較小,無法通過AMBT判定其堿活性,并得出不同種類的骨料中堿活性物質的百分比存在最劣比;盧都友等[15]對各國地區關于骨料堿活性檢測的試驗分析得出,AMBT判定結果的準確性與骨料的種類有較強的關系,雖可以較好的篩選出大部分骨料的堿活性,但仍有相當一部分骨料在滿足AMBT非堿活性的判定結果的情況下,在其他堿活性試驗(例如混凝土棱柱體法CPT)中被判定為活性骨料;段峰濤等[16]以CPT法為基準,對比研究10種骨料AMBT試驗結果,得到當砂漿棒骨料粒徑使用1.18～0.15 mm的過細集料時,判定結果偏嚴且與CPT結果相差較大,當使用9.5～4.75 mm粗集料時,結果偏低,當使用4.75～2.36 mm中度集料時,結果較為準確且與CPT結果相關性較好;LEE等[17]通過對22中不同的骨料同時進行AMBT和CPT試驗,對比膨脹率數據,得出AMBT的判定限值較為嚴格,建議將限值由0.1%和0.2%提高到0.2%和0.4%.

基于各學者的研究結果可以得到,有些骨料的堿活性被AMBT判定結果夸大,而有些骨料的堿活性則被低估.被夸大的判定結果是可以應用在實際工程中,不會產生負面影響.而被低估的骨料是不能應用在實際工程中的,會存在極大的隱患,尤其是重大混凝土工程.

影響AMBT判定結果準確性的因素主要有骨料的種類、骨料的級配、判定齡期、膨脹率限值的設定等.為提高骨料堿活性判定結果的準確性,建議進行大范圍不同種類骨料的堿活性檢測試驗,篩選出適合AMBT判定的骨料種類,而對于中、后期堿活性活躍的骨料,AMBT的判定準則并不適合.

此外,研究結果表明,AMBT使用14 d作為判定時間,是影響準確性的另一因素.將判定不準確的砂漿棒的后期膨脹率達到0.1%和0.2%的時間點列出,見表4.可以看出,對于后期堿活性增長幅度較大的K,N,O組骨料,其膨脹率達到0.1%和0.2%的時間節點較為靠后,對于只是中期堿活性出現一定波動的I,J組骨料,其膨脹率達到0.1%和0.2%的時間較為靠前.

表4 誤判砂漿棒膨脹率達到0.1%和0.2%時間節點

基于以上分析,建議,宜將14 d判定齡期延長至28 d,即將14 d膨脹率小于0.1%中的測量時間延長為28 d,對于28 d膨脹率在0.1%和0.2%之間的骨料,延長觀測并結合其他試驗(巖相法)判定其堿活性,對于14 d和28 d膨脹率超過0.2%的骨料,可將其判定為活性骨料.

表4研究結果表明,延長觀測時間至28 d,可以減少對K,N,O這類中、后期表現出高堿活性的骨料的誤判.此外,對于I,J這類中期堿活性較高的骨料,更有助于在延長齡期內進入ASR的活躍期,有利于其堿活性的判定.

6 結論

本文通過對15組骨料進行AMBT試驗,依據AMBT判定準則,給出15組骨料的堿活性判定結果,而后,將試驗周期延長至1 a,分析砂漿棒膨脹率數據,對其判定準則的適用性進行了評價.

1)AMBT判定準則對于14 d膨脹率大于0.2%骨料的堿活性判定是準確并適用的,但14 d膨脹率小于0.1%的骨料堿活性判定準則,AMBT存在對中、后期堿活性高骨料誤判的可能性.建議將膨脹率小于0.1%的骨料堿活性的判定時間,延長至28 d;

2)AMBT中,砂漿棒28 d膨脹率在0.1%和0.2%時,建議延長觀測并結合其他試驗判定其堿活性(巖相法);

3)AMBT中,砂漿棒14 d和28 d膨脹率超過0.2%的骨料,均可將其判定為活性骨料.

4)在鹽湖或鹽漬土地區中,混凝土工程的地下結構,其骨料堿活性不建議單獨使用AMBT進行判定.應結合多種試驗方法,綜合判定骨料堿活性,以防止中、后期堿活性較高的骨料在高堿潮濕環境中,出現堿骨料反應危害.