高鵬,秦圓雨,薛剛,王永博,顧宇航

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

20世紀(jì)40年代堿集料反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來[1],其對(duì)混凝土的危害成為熱點(diǎn)的研究課題.其中堿硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction,ASR)的破壞尤為常見,也成為各學(xué)者的主要研究對(duì)象.對(duì)施工材料進(jìn)行快速準(zhǔn)確的ASR反應(yīng)檢測(cè),是預(yù)防發(fā)生ASR破壞的主要手段之一.

目前對(duì)于ASR檢測(cè)的試驗(yàn)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(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)幾年至十年,此外,LCB的試件體積大,需較大的試驗(yàn)場(chǎng)所,存放條件苛刻,這2種試驗(yàn)方法均不適合在實(shí)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(duì)試驗(yàn)者的操作要求較高,需要相當(dāng)熟練的技術(shù);AMBT試驗(yàn)周期短、試件制作簡(jiǎn)單,在工程界被廣泛應(yīng)用.

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

1 AMBT判定準(zhǔn)則

對(duì)于AMBT的短齡期判定準(zhǔn)則,國(guó)外的規(guī)范有,美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)和國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)(RILEM)制定的ASTM C1260[8]和RILEM AAR-2[9]規(guī)范;國(guó)內(nèi)制定了《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082—2009》[7]、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程SL 352—2020》[6]、《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]等一系列規(guī)范,國(guó)內(nèi)外均規(guī)定試件14 d平均膨脹率小于0.1%時(shí),骨料為非活性骨料,大于0.2%時(shí)為活性骨料,在0.1%～0.2%之間需進(jìn)行進(jìn)一步長(zhǎng)齡期的觀測(cè)和進(jìn)行其他試驗(yàn)驗(yàn)證.

盡管AMBT為高溫高堿的試驗(yàn)環(huán)境,能夠在短齡期內(nèi)(14 d)有效判定大多數(shù)骨料的堿活性.但短齡期堿活性檢測(cè)樣本,能否在長(zhǎng)齡期的惡劣環(huán)境中,依舊體現(xiàn)其判定結(jié)果的有效性,其評(píng)價(jià)方法在惡劣環(huán)境中是否適用,這些問題仍需進(jìn)一步研究.

本文采用15種骨料,利用AMBT及延長(zhǎng)浸泡齡期法,分別進(jìn)行ASR短期和長(zhǎng)期檢測(cè),對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外各種AMBT的規(guī)程與判定準(zhǔn)則,探究其堿活性檢測(cè)的適用性,并針對(duì)不同工作環(huán)境的混凝土ASR檢測(cè)方法,提出實(shí)質(zhì)性的建議.

2 試驗(yàn)方法及原材料

依據(jù)《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]中3.38節(jié)試進(jìn)行快速砂漿棒法試驗(yàn),觀測(cè)28 d短齡期膨脹率;此外,為探究骨料真實(shí)堿活性,將觀測(cè)齡期延長(zhǎng)至一年,觀測(cè)砂漿棒長(zhǎng)齡期膨脹率.延長(zhǎng)齡期階段,保持養(yǎng)護(hù)盒內(nèi)NaOH溶液濃度為1 mol/L,溫度恒定為80 ℃.其中水泥選用內(nèi)蒙古蒙西水泥公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,不同骨料和產(chǎn)地見表1,粗骨料破碎成細(xì)骨料,均按照級(jí)配表2所示進(jìn)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(hào)及產(chǎn)地

表2 試件骨料級(jí)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(yàn)結(jié)果及堿活性判定

對(duì)多種骨料進(jìn)行28 d的膨脹率觀測(cè)后,其結(jié)果見圖1.由圖1可知,15種骨料的膨脹率均隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng).在14 d時(shí),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(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,按照前文所述的判定準(zhǔn)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(zhǎng)觀測(cè),A,B,E,F,I,J,K,M,N,O組骨料可判定為非活性骨料.

4 長(zhǎng)齡期試驗(yàn)結(jié)果及AMBT準(zhǔn)確性分析

將15組試件延長(zhǎng)觀測(cè)至一年后,其膨脹率數(shù)據(jù)見圖2,在進(jìn)行一年的觀測(cè)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(zhǎng)速率均變慢.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照3～14 d,21～56 d,63～189 d,203～357 d 4個(gè)時(shí)間段劃分,取每個(gè)時(shí)間段內(nèi)膨脹率的平均值,如圖3,可知G,H試件在每個(gè)階段膨脹率均為最大,將其余13組骨料按其每個(gè)階段膨脹率大小按照1～13進(jìn)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(shí)期膨脹率平均值

圖4 4個(gè)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(xiàn),得到如下結(jié)論.對(duì)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(shì),E組骨料后期堿活性較為穩(wěn)定,K,N,O 3組骨料的后期堿活性出現(xiàn)較大的上升趨勢(shì),I,J組骨料的堿活性雖然分別第三和第二階段出現(xiàn)了堿活性的降低,但在第四階段堿活性出現(xiàn)了小幅度上升.由此可說明AMBT對(duì)于A,B,F,M,E組骨料后期的堿活性判定較為準(zhǔn)確,對(duì)K,N,O,I,J組骨料后期的堿活性的判定并不準(zhǔn)確.

對(duì)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(zhǎng)后出現(xiàn)了大幅度的下降,D組骨料在經(jīng)歷第三、四階段堿活性的增長(zhǎng)后,在第四階段出現(xiàn)下降,L組骨料后期堿活性不斷降低.

通過試驗(yàn)結(jié)果,分析AMBT判定準(zhǔn)則對(duì)骨料后期膨脹率的判定準(zhǔn)確性,可得,當(dāng)骨料的膨脹率在14 d小于0.1%時(shí),對(duì)其后期的堿活性判定的準(zhǔn)確率為50%,當(dāng)骨料的膨脹率在14 d大于0.2%時(shí),對(duì)其后期的堿活性判定的準(zhǔn)確率為100%.綜合分析后可得到,當(dāng)骨料14 d的膨脹率大于0.2%時(shí),判定準(zhǔn)則可以快速準(zhǔn)確的判定骨料后期的堿活性,但當(dāng)膨脹率小于0.1%,判定準(zhǔn)則對(duì)于后期堿活性判定的準(zhǔn)確性便存在誤判的可能.

5 AMBT判定準(zhǔn)則改進(jìn)建議

AMBT延長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)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(shí)際工程中存在嚴(yán)重的ASR隱患.FOURNIER等[13]對(duì)53種骨料進(jìn)行AMBT試驗(yàn),結(jié)果表明:其判定準(zhǔn)確性有79%.在誤判組中,有3種骨料的堿活性被夸大.結(jié)合研究結(jié)果可以得出,AMBT對(duì)骨料堿活性的判定存在誤判的幾率.為了研究影響其準(zhǔn)確性的因素,各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn).

郝挺宇等[14]通過對(duì)北京周邊地區(qū)的骨料進(jìn)行進(jìn)堿活性檢測(cè),發(fā)現(xiàn)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(zhì)的百分比存在最劣比;盧都友等[15]對(duì)各國(guó)地區(qū)關(guān)于骨料堿活性檢測(cè)的試驗(yàn)分析得出,AMBT判定結(jié)果的準(zhǔn)確性與骨料的種類有較強(qiáng)的關(guān)系,雖可以較好的篩選出大部分骨料的堿活性,但仍有相當(dāng)一部分骨料在滿足AMBT非堿活性的判定結(jié)果的情況下,在其他堿活性試驗(yàn)(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(zhǔn),對(duì)比研究10種骨料AMBT試驗(yàn)結(jié)果,得到當(dāng)砂漿棒骨料粒徑使用1.18～0.15 mm的過細(xì)集料時(shí),判定結(jié)果偏嚴(yán)且與CPT結(jié)果相差較大,當(dāng)使用9.5～4.75 mm粗集料時(shí),結(jié)果偏低,當(dāng)使用4.75～2.36 mm中度集料時(shí),結(jié)果較為準(zhǔn)確且與CPT結(jié)果相關(guān)性較好;LEE等[17]通過對(duì)22中不同的骨料同時(shí)進(jìn)行AMBT和CPT試驗(yàn),對(duì)比膨脹率數(shù)據(jù),得出AMBT的判定限值較為嚴(yán)格,建議將限值由0.1%和0.2%提高到0.2%和0.4%.

基于各學(xué)者的研究結(jié)果可以得到,有些骨料的堿活性被AMBT判定結(jié)果夸大,而有些骨料的堿活性則被低估.被夸大的判定結(jié)果是可以應(yīng)用在實(shí)際工程中,不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響.而被低估的骨料是不能應(yīng)用在實(shí)際工程中的,會(huì)存在極大的隱患,尤其是重大混凝土工程.

影響AMBT判定結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要有骨料的種類、骨料的級(jí)配、判定齡期、膨脹率限值的設(shè)定等.為提高骨料堿活性判定結(jié)果的準(zhǔn)確性,建議進(jìn)行大范圍不同種類骨料的堿活性檢測(cè)試驗(yàn),篩選出適合AMBT判定的骨料種類,而對(duì)于中、后期堿活性活躍的骨料,AMBT的判定準(zhǔn)則并不適合.

此外,研究結(jié)果表明,AMBT使用14 d作為判定時(shí)間,是影響準(zhǔn)確性的另一因素.將判定不準(zhǔn)確的砂漿棒的后期膨脹率達(dá)到0.1%和0.2%的時(shí)間點(diǎn)列出,見表4.可以看出,對(duì)于后期堿活性增長(zhǎng)幅度較大的K,N,O組骨料,其膨脹率達(dá)到0.1%和0.2%的時(shí)間節(jié)點(diǎn)較為靠后,對(duì)于只是中期堿活性出現(xiàn)一定波動(dòng)的I,J組骨料,其膨脹率達(dá)到0.1%和0.2%的時(shí)間較為靠前.

表4 誤判砂漿棒膨脹率達(dá)到0.1%和0.2%時(shí)間節(jié)點(diǎn)

基于以上分析,建議,宜將14 d判定齡期延長(zhǎng)至28 d,即將14 d膨脹率小于0.1%中的測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)為28 d,對(duì)于28 d膨脹率在0.1%和0.2%之間的骨料,延長(zhǎng)觀測(cè)并結(jié)合其他試驗(yàn)(巖相法)判定其堿活性,對(duì)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(jié)果表明,延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間至28 d,可以減少對(duì)K,N,O這類中、后期表現(xiàn)出高堿活性的骨料的誤判.此外,對(duì)于I,J這類中期堿活性較高的骨料,更有助于在延長(zhǎng)齡期內(nèi)進(jìn)入ASR的活躍期,有利于其堿活性的判定.

6 結(jié)論

本文通過對(duì)15組骨料進(jìn)行AMBT試驗(yàn),依據(jù)AMBT判定準(zhǔn)則,給出15組骨料的堿活性判定結(jié)果,而后,將試驗(yàn)周期延長(zhǎng)至1 a,分析砂漿棒膨脹率數(shù)據(jù),對(duì)其判定準(zhǔn)則的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià).

1)AMBT判定準(zhǔn)則對(duì)于14 d膨脹率大于0.2%骨料的堿活性判定是準(zhǔn)確并適用的,但14 d膨脹率小于0.1%的骨料堿活性判定準(zhǔn)則,AMBT存在對(duì)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(shí)間,延長(zhǎng)至28 d;

2)AMBT中,砂漿棒28 d膨脹率在0.1%和0.2%時(shí),建議延長(zhǎng)觀測(cè)并結(jié)合其他試驗(yàn)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(qū)中,混凝土工程的地下結(jié)構(gòu),其骨料堿活性不建議單獨(dú)使用AMBT進(jìn)行判定.應(yīng)結(jié)合多種試驗(yàn)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(huán)境中,出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)危害.