朱安磊，李固華，潘紹偉，李遠(yuǎn)富，桂景旺，何曉春

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.中鐵五局（集團(tuán)）有限公司，貴州貴陽 550003）

一種用于評定礦物摻和料抑制ASR有效性的試驗(yàn)方法

朱安磊1，李固華1，潘紹偉1，李遠(yuǎn)富1，桂景旺2，何曉春2

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.中鐵五局（集團(tuán)）有限公司，貴州貴陽 550003）

提出了一種用于評定礦物摻合料抑制ASR有效性的試驗(yàn)方法，該方法基于快速砂漿法，改進(jìn)了試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)條件，對板巖骨料和1%玻璃模擬活性骨料進(jìn)行了抑制試驗(yàn)研究，并與快速砂漿棒法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:該方法能夠反映出粉煤灰對ASR的抑制規(guī)律，2種方法最終判定結(jié)果相關(guān)性良好，可作為一種評定礦物摻合料抑制ASR有效性的試驗(yàn)方法。

ASR;抑制;試驗(yàn)方法;改進(jìn)法

堿-骨料反應(yīng)（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）是指混凝土中的堿和骨料中的活性成分發(fā)生反應(yīng)，引起混凝土的膨脹和開裂，這種破壞一旦發(fā)生便難以阻止，更不易修補(bǔ)及更換，被稱為混凝土的“癌癥”。按反應(yīng)類型的不同又可分為堿-硅酸反應(yīng)（Alkali-Silica Reaction，ASR）和堿-碳酸反應(yīng)（Alkali-Carbonate Reaction，ACR）［1-2］。

在混凝土中摻入一定量礦物摻合料是抑制ASR最經(jīng)濟(jì)安全的工程措施之一，用于評定礦物摻合料抑制ASR有效性的試驗(yàn)方法基本上都是以骨料堿活性檢測方法作為基礎(chǔ)，適當(dāng)進(jìn)行一些改進(jìn)。早期評定礦物摻合料抑制ASR有效性的ASTM C441方法［3］以硬質(zhì)玻璃作為標(biāo)準(zhǔn)骨料來評定抑制的有效性，由于該方法采用的骨料與天然骨料存在較大差異，而受到一些研究人員的質(zhì)疑［4-7］?？焖偕皾{棒法［8-11］是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，按照試件尺寸及配合比的不同又可分為25 mm×25 mm×280 mm 砂漿棒試件［12］和40 mm ×40 mm ×160 mm小混凝土柱［13］兩種，兩者養(yǎng)護(hù)條件均為80℃的1mol/NaOH溶液?；炷晾庵w法［14］起初用于檢測骨料的堿活性，該方法既可檢測骨料的ASR活性，又可用于檢測骨料的ACR活性，該方法也可用于評價(jià)礦物摻合料的抑制能力，但由于該方法評定抑制有效性時(shí)試驗(yàn)周期長達(dá)2年，一些研究人員將其養(yǎng)護(hù)溫度從38℃提高到60℃進(jìn)行了加速，將試驗(yàn)周期壓縮至6個(gè)月［15-16］。唐明述院士最早采用壓蒸法來判定骨料的堿活性以及用來評價(jià)礦物摻合料的抑制能力［17］，法國在此基礎(chǔ)上采用150℃的模擬堿溶液中壓蒸48 h以此評價(jià)礦物摻合料的抑制能力［18］，模擬溶液的濃度依據(jù)水灰比和試件中的有效堿含量來確定。除此之外，一些研究人員對ASTM C289［19］（化學(xué)法）進(jìn)行了一些改進(jìn)來評定礦物摻合料抑制ASR能力［20-21］。縱觀這些方法基本上都采用高堿溶液作為試件的養(yǎng)護(hù)溶液，隨著齡期的增加溶液中的堿存在向試件內(nèi)部不斷滲透的趨勢，這種高堿濃度的養(yǎng)護(hù)條件無疑增加了試件中的堿含量，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長增加的堿含量越多，與實(shí)際現(xiàn)場存在較大的差距，并且室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果相對波動性大。

一些研究人員［22］曾指出目前的這種高溫高堿的加速試驗(yàn)方法只能在一定條件下評定礦物摻合料抑制ASR有效性的優(yōu)劣，或是在最為嚴(yán)酷的條件下抑制ASR所需礦物摻合料的最小摻量，因此探尋一條快速、簡便、安全、有效的試驗(yàn)方法是各國研究人員共同關(guān)注的一個(gè)方向。

筆者在快速砂漿棒法的基礎(chǔ)上提出了一種用于評價(jià)礦物摻合料抑制ASR有效性的試驗(yàn)方法（以下簡稱改進(jìn)法），該方法采用一種固定的堿含量，在80℃的濕氣中養(yǎng)護(hù)，杜絕了外部堿向試件內(nèi)部的遷移，同時(shí)又保證試件養(yǎng)護(hù)的溫度與濕度，與現(xiàn)行的各方法相比更接近于工程具體條件。采用不同摻量的粉煤灰，不同的堿含量，以板巖骨料和1%玻璃模擬骨料進(jìn)行粉煤灰抑制試驗(yàn)，并與快速砂漿棒法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證及對比分析。

1 試驗(yàn)用原材料及儀器設(shè)備簡介

1.1 試驗(yàn)用原材料

1）骨料:板巖骨料，具有典型的ASR活性，砂漿棒法試驗(yàn)14天膨脹量0.29%，活性成分主要為微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英，含量約為3% ～15%，巖相分析圖片見圖1。摻入1%硬質(zhì)玻璃的ISO標(biāo)準(zhǔn)石英砂模擬活性骨料，以下簡稱1%玻璃模擬骨料。

圖1 板巖骨料的巖相分析圖片F(xiàn)ig.1 Petrographic examination of slate aggregate

2）水泥:海螺牌 P.O42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用水泥、粉煤灰化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cement and fly ash /%

3）粉煤灰:國電貴州凱里電廠生產(chǎn)的華明牌Ⅰ級粉煤灰，化學(xué)成分見表1。

4）NaOH:分析純。

1.2 試驗(yàn)用儀器設(shè)備

骨料破碎及試件成型所用試驗(yàn)器材均同快速砂漿棒法［12］所用試驗(yàn)儀器設(shè)備，試件養(yǎng)護(hù)設(shè)備為80℃水浴養(yǎng)護(hù)箱，試件養(yǎng)護(hù)筒及支架，聚乙烯塑料薄膜，毛巾，配重用混凝土試塊，整套養(yǎng)護(hù)設(shè)備見圖2。

圖2 改進(jìn)法養(yǎng)護(hù)及測長試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Storage and equipment of modified method

2 改進(jìn)法試驗(yàn)方法介紹

2.1 試件制作

骨料破碎、級配、試驗(yàn)配合比以及試件制作過程均與快速砂漿棒法［12］相同。當(dāng)測量堿活性時(shí)，水泥堿含量調(diào)整至0.8%，當(dāng)評定抑制有效性時(shí)，水泥堿含量調(diào)整至1.5%。

2.2 試件預(yù)養(yǎng)護(hù)

試件成型24 h后拆模按序放入養(yǎng)護(hù)桶內(nèi)，試件下部應(yīng)放有一定量的水，并保證不與試件接觸，將試件放入養(yǎng)護(hù)筒內(nèi)后，用聚乙烯塑料薄膜及濕布蓋住筒口，加蓋后將養(yǎng)護(hù)筒放入80℃水浴養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)。

2.3 測量試件基準(zhǔn)長度

待試件養(yǎng)護(hù)24 h后，將試件從養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)取出放在托盤上，并立即用濕毛巾覆蓋，將托盤放入（20±1）℃、相對濕度大于95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，放置（較低溫度養(yǎng)護(hù)）24 h。從養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)取出試件，測量其長度，該長度作為試件的基準(zhǔn)長度，測量前用干凈的濕毛巾將試件表面及測頭擦干凈以免影響測量的準(zhǔn)確性。

2.4 試件的養(yǎng)護(hù)及測長

測量完試件基長后，按照上述2.2的操作方法將試件放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，每次測量完畢后應(yīng)將試件調(diào)整方向后放入養(yǎng)護(hù)桶內(nèi)。待試件養(yǎng)護(hù)至3，7，14，21，28 d后按照上述2.3的操作方法測量試件的長度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果（圖3～圖9）

圖3 不同堿含量下骨科的ASR膨脹率Fig.3 ASR expansion raion of aggreates in different alkali content

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 不同堿含量對改進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果的影響

從圖3（a）、（b）中可以看出，改進(jìn)法下兩種骨料的膨脹率隨著堿含量的增加都有增大的規(guī)律，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合見圖10，可以看出兩種骨料的ASR膨脹率與堿含量基本呈線性規(guī)律，擬合直線的斜率相差較大反映出兩種骨料對堿的敏感程度不同，當(dāng)堿含量小于0.8%時(shí)，板巖骨料ASR膨脹率非常小，而此時(shí)1%玻璃模擬骨料卻有比較大的膨脹率。筆者認(rèn)為其主要原因有2個(gè):①1%玻璃模擬骨料和板巖骨料在活性礦物的分布情況完全不同，模擬骨料的活性成分在試件中的分布相對天然骨料比較集中，與堿發(fā)生反應(yīng)生成的凝膠產(chǎn)物比較集中，在膠凝產(chǎn)物總量相等的條件下更容易造成比較宏觀的膨脹;②模擬骨料的活性成分量小于天然骨料，這樣在相同堿含量的情況下，模擬骨料的活性成分與堿含量的比值小于天然骨料，即使在堿含量相對較低的情況下也易誘發(fā)ASR的發(fā)生。

2）兩種試驗(yàn)方法下試件膨脹趨勢特性

從圖4（a）與圖4（b）的對比和圖5（a）與圖5（b）的對比中，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，改進(jìn)法試件在28天后的膨脹率均逐漸趨于緩和，即膨脹率的增長率逐漸趨于零。而在快速砂漿棒法中，摻入粉煤灰以后早期膨脹率的增加不明顯，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加試件的膨脹率有一定的加快趨勢，且粉煤灰摻量越大，膨脹率開始加快的起點(diǎn)越晚，例如在圖5（b）中，當(dāng)摻量為15%、20%時(shí)膨脹率的增長在3天后即開始加快，當(dāng)摻量為25%、30%時(shí)膨脹率的增長在7天后開始加快，而當(dāng)摻量為35%時(shí)膨脹率的增長在14天后開始加快。對于測量精度或測量控制來講，改進(jìn)法28天時(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相對的誤差減少。

3）與快速砂漿棒法試驗(yàn)結(jié)果的比較

從圖6與圖8可以看出，2種方法下兩種骨料的膨脹率不同，改進(jìn)法的試件膨脹率均小于快速砂漿棒法的試件膨脹率;同時(shí)還可以看出改進(jìn)法的抑制率略大于快速砂漿棒法見圖7和圖9。其主要原因在于，在快速砂漿棒法的養(yǎng)護(hù)條件下，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，試件外部的堿不可避免的向試件內(nèi)部滲透，改進(jìn)法不存在堿的入侵問題，而且改進(jìn)法的試件養(yǎng)護(hù)濕度小于快速砂漿棒法。

圖10是不同堿含量下骨料的膨脹率。

圖10 不同堿含量下兩種骨料的84天試驗(yàn)膨脹率Fig.10 84 d test results of the two kinds of aggregate in different alkali content

4 改進(jìn)法試驗(yàn)方法的可行性分析

4.1 改進(jìn)法養(yǎng)護(hù)條件的驗(yàn)證

從以上試驗(yàn)的對比分析可以看出改進(jìn)法能反映出礦物摻合料對ASR的抑制規(guī)律，該方法在一定養(yǎng)護(hù)齡期后，所有試件的膨脹率的增長基本都趨于零，而在快速砂漿棒中即使試件養(yǎng)護(hù)了很長齡期，部分試件的膨脹率依然有增加的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于改進(jìn)法試驗(yàn)方法的養(yǎng)護(hù)濕度達(dá)不到ASR發(fā)生的條件還是由于改進(jìn)法試件內(nèi)的堿隨著ASR的進(jìn)行已經(jīng)被消耗至一定濃度以下而達(dá)不到ASR發(fā)生的條件呢?筆者對此進(jìn)行了以下試驗(yàn)，解決這個(gè)疑問同時(shí)也驗(yàn)證一下改進(jìn)法的養(yǎng)護(hù)條件。

在堿含量對ASR膨脹率影響的8組試驗(yàn)中，這幾組試件的膨脹率從28～84天的養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)基本沒有增加的趨勢，84天以后選取幾組比較典型的試件放入80℃的水中進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)，1天后測量試件的基準(zhǔn)長度，然后將每組3根試件分成兩組，其中一根放入80℃的水中養(yǎng)護(hù)，另外兩根放入80℃的1 mol/L的堿溶液中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，等待養(yǎng)護(hù)齡期分別達(dá)到3，7，14，28天后測量試件長度，并計(jì)算出試件的膨脹率。

從圖11中可以看出，放入80℃水中的4組試件繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28天后試件的膨脹率基本為0，而放入80℃堿溶液養(yǎng)護(hù)的4組試件都有比較宏觀的膨脹，28天膨脹率均超過了0.2%，因此可以斷定改進(jìn)法中一定齡期后試件的膨脹率收斂的主要原因是由于試件內(nèi)堿含量的降低，而并非試件的養(yǎng)護(hù)濕度達(dá)不到ASR繼續(xù)發(fā)生所需要的濕度條件，同時(shí)也可以看出快速砂漿棒法養(yǎng)護(hù)溶液中的堿對ASR的膨脹率的貢獻(xiàn)。

圖11 繼續(xù)養(yǎng)護(hù)的改進(jìn)法84天試件的膨脹率Fig.11 Result of continued curing test after 84d modified method test

4.2 改進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果的判定

從以上的對比分析中可以看出，改進(jìn)法能明顯辨別出不同摻量的粉煤灰對ASR的抑制效果，由于改進(jìn)法不受外來堿的影響，同一配合比下試件膨脹率小于快速砂漿棒法的試驗(yàn)結(jié)果，同一配合比下ASR的抑制率相差不大，結(jié)合板巖、1%玻璃模擬骨料這兩種骨料的試驗(yàn)對比結(jié)果，建議28天膨脹率為0.05%時(shí)抑制率達(dá)到75%則判定為抑制措施有效，與快速砂漿棒法抑制措施有效判據(jù)相對應(yīng)。表2為兩種試驗(yàn)判定結(jié)果的相關(guān)性，最大誤差為1.3%，能夠滿足工程精度需要。

表2 兩種試驗(yàn)方法判定標(biāo)準(zhǔn)所需粉煤灰摻量的相關(guān)性Tab.2 Relationship between the required quantity of fly ash by the two methods /%

4.3 改進(jìn)法的特點(diǎn)

改進(jìn)法與其他方法相比優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）不受外來堿的干擾，堿環(huán)境條件比較接近于具體工程。試驗(yàn)結(jié)果更具科學(xué)性。

2）試件成型時(shí)用水量易于控制，采用堿溶液養(yǎng)護(hù)的試件，由于存在外來堿的入侵，試件的密實(shí)程度影響堿的擴(kuò)散速度，而且每次試驗(yàn)往往經(jīng)多次試拌才能確定最終用水量。改進(jìn)法不存在外來堿的入侵問題，因此試驗(yàn)可以使用比較固定的用水量標(biāo)準(zhǔn)。

3）恒溫測量，可以保證測量精度。

另外，使用改進(jìn)法也應(yīng)注意由于每次測量時(shí)試件在外部暴露時(shí)間比較長，在此過程中水分易于揮發(fā)，這時(shí)應(yīng)將試件連同托盤放置于恒溫恒濕的恒溫箱內(nèi)，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)論

1）采用該方法對板巖和1%玻璃模擬活性骨料在不同堿含量下進(jìn)行ASR試驗(yàn)，結(jié)果顯示對這兩種骨料ASR膨脹率與堿含量在一定范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系，ASR膨脹率隨著堿含量的增加而增加。

2）一定量玻璃的模擬活性骨料與天然骨料兩者的ASR膨脹特性存在差異，主要表現(xiàn)為隨著堿含量增加ASR膨脹率的增加速度不同，以及兩種骨料在該方法下激發(fā)ASR膨脹所需的最低堿含量不同。

3）試驗(yàn)證明改進(jìn)法能夠反映出粉煤灰對ASR抑制規(guī)律，可以作為研究礦物摻合料抑制ASR有效性的一種試驗(yàn)方法。

4）兩種骨料進(jìn)行的抑制試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)法采用28天膨脹量為0.05%或抑制率達(dá)到75%的判定標(biāo)準(zhǔn)與快速砂漿棒法判定結(jié)論相關(guān)性良好。

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Way to Evaluate the Effectiveness of Mineral Admixtures in Suppressing Alkali-Silica Reaction

ZHU An-lei1，LI Gu-hua1，PAN Shao-wei1，LI Yuan-fu1，GUI Jing-wang2，HE Xiao-chun2
（1 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
2 China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd.，Guiyang 550003，Guizhou，China）

A method to assess the effectiveness of mineral admixtures in suppressing the alkali-silica reaction was presented.Based on accelerated mortar bar test，the method improve the storage condition of this test.Modified test was applied in suppressing the alkali-silica reaction of slate aggregate and 1%pyrex glass aggregate，and the result was compared with that of accelerated mortar bar test.The results confirmed modified method could reflect the rule of fly ash in suppressing the alkali-silica reaction.The final conclusion of the two methods for the two aggregates was similar，which could be used to assess the effectiveness of mineral admixtures in suppressing alkali-silica reaction.

ASR;inhibition;suppressing ASR test;modified method

TU528.1

A

1674-0696（2011）05-0952-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.015

2011-05-18;

2011-06-07

貴州省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（20106005）

朱安磊（1984-），男，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)安全與耐久性。E-mail:zalcn@sohu.com。