堿-集料反應(yīng)的試驗(yàn)方法研究

馬 杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

根據(jù)國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,計(jì)劃到2020年中國(guó)將修成客運(yùn)專(zhuān)線1萬(wàn)多公里,形成“四橫四縱”客運(yùn)專(zhuān)線骨架?？瓦\(yùn)專(zhuān)線工程具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、質(zhì)量要求嚴(yán)等特點(diǎn),尤其是100年的使用壽命這一要求,對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性提出了更高的要求[1]。經(jīng)過(guò)多年研究,人們發(fā)現(xiàn)堿-集料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction簡(jiǎn)稱AAR)是影響結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的重要因素之一[2]。其中砂、碎石等天然建筑材料是混凝土工程中必不可少的集料組分,是否具有堿活性是鐵路工程勘察及試驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。介紹了堿-集料反應(yīng)的類(lèi)型和機(jī)理,根據(jù)國(guó)際上堿-集料反應(yīng)的研究動(dòng)態(tài),對(duì)堿-集料反應(yīng)中集料活性的不同測(cè)試方法和不同國(guó)家的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比和探討。

1 堿-集料反應(yīng)的類(lèi)型和機(jī)理[2～4]

堿-集料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction簡(jiǎn)稱AAR)是混凝土組成中的水泥外加劑、摻合料或拌和水中的可溶堿(鉀、鈉)溶于混凝土孔溶液中,與集料中的堿活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成物吸水膨脹,使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土工程開(kāi)裂或變形等損害。堿-集料反應(yīng)的破壞發(fā)生于混凝土的內(nèi)部且難以阻止和修復(fù),故稱為混凝土的癌癥。

堿-集料反應(yīng)按其反應(yīng)機(jī)理和集料中含有的反應(yīng)性成分,可分為以下三種。

(1)堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction,簡(jiǎn)稱ASR):該反應(yīng)由美國(guó)的斯坦頓在19世紀(jì)40年代提出,是迄今對(duì)工程破壞最多、分布最廣、研究最多的一種堿-集料反應(yīng)。它是水泥混凝土微孔隙中的堿溶液與集料中的活性SiO2反應(yīng),生成的堿性硅酸鹽凝膠吸水膨脹,產(chǎn)生的膨脹壓力導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

(2)堿-硅酸鹽反應(yīng)(Alkali-Silicate Reaction,簡(jiǎn)稱ASR):該反應(yīng)于1965年由美國(guó)的蓋羅特、斯文森等人提出,堿與某些層狀的硅酸鹽集料反應(yīng),膨脹的集料是硬砂巖、千紋巖和黏土巖等。使硅酸鹽的層狀距離增大,致使混凝土開(kāi)裂。這種反應(yīng)的膨脹速度非常緩慢。

(3)堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction,簡(jiǎn)稱ACR):該反應(yīng)是指水泥中的堿與泥質(zhì)白云石巖、石炭巖等碳酸鹽巖集料反應(yīng),產(chǎn)生“脫白云石化”,使得這些碳酸鹽巖中含有的干燥黏土暴露,這種干燥的黏土顆粒吸水膨脹,引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

2 堿-集料反應(yīng)的研究動(dòng)態(tài)[2,5,6]

自從Stanton在1940年發(fā)現(xiàn)由于堿-集料反應(yīng)引起混凝土膨脹破壞以來(lái),AAR引起的橋梁、大壩、工業(yè)建筑等混凝土工程結(jié)構(gòu)破壞已在50多個(gè)國(guó)家發(fā)現(xiàn)[5]。這種破壞的范圍幾乎遍及世界各地,而修補(bǔ)和重建耗資巨大,因此引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注。

(1)美國(guó):美國(guó)是AAR的發(fā)源地,美國(guó)遭受AAR破壞的混凝土結(jié)構(gòu)類(lèi)型多種多樣,包括大壩、橋梁、機(jī)場(chǎng)、道路以及各種海工構(gòu)筑物,其中在交通設(shè)施和機(jī)場(chǎng)路面尤為嚴(yán)重,為僅次于鋼筋銹蝕的第二大混凝土病害。20世紀(jì)80～90年代通過(guò)高速公路戰(zhàn)略規(guī)劃項(xiàng)目,開(kāi)展了ASR膨脹機(jī)理、快速檢測(cè)方法和預(yù)防措施研究,1990年通過(guò)AASHTO(American Association of State Highway Officials-Lead States Team)計(jì)劃開(kāi)展集料堿活性檢測(cè)方法的試驗(yàn)室聯(lián)合驗(yàn)證和推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化。2000年啟動(dòng)研究制定鋰鹽防治ASR標(biāo)準(zhǔn)。2005年進(jìn)行預(yù)防和減輕ASR專(zhuān)項(xiàng)研究計(jì)劃,圍繞破壞產(chǎn)物和機(jī)理,制定規(guī)范和培訓(xùn)相關(guān)人員。

(2)日本:日本近年來(lái)的工作主要是對(duì)遭受因AAR反應(yīng)而破壞結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù),日本土木工程學(xué)會(huì)于2005年8月成立工作組研究集料中堿溶出及海水、化冰鹽等外部堿源對(duì)AAR的影響。

(3)挪威:挪威的堿-集料反應(yīng)研究始于20世紀(jì)90年代。挪威地質(zhì)勘探部聯(lián)合幾所大學(xué)對(duì)全國(guó)集料的巖石類(lèi)型及其堿活性進(jìn)行了系統(tǒng)普查和研究,建立了全國(guó)活性集料分布圖。挪威混凝土協(xié)會(huì)于1996年制定了挪威預(yù)防堿-集料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范NB21,并于2004年修訂完成新版的NB21,成為挪威混凝土新標(biāo)準(zhǔn)指定參考文件。挪威學(xué)者建立堿-集料反應(yīng)論壇網(wǎng)站,促進(jìn)全國(guó)堿-集料反應(yīng)的研究與經(jīng)驗(yàn)交流。

(4)加拿大:1953年在加拿大的Swenson發(fā)現(xiàn)了第一例堿-集料反應(yīng)造成混凝土破環(huán)的事例。20世紀(jì)70年代后發(fā)現(xiàn)的破壞事例越來(lái)越多,該國(guó)對(duì)水泥含堿量采取嚴(yán)格的控制措施,加拿大鐵路局規(guī)定,無(wú)論是否使用活性集料,鐵路混凝土一律使用含堿量低于0.6%的水泥。

(5)巴西:巴西與AAR研究較多的美國(guó)和歐洲科學(xué)家進(jìn)行合作。在制定標(biāo)準(zhǔn)方面,主要是基于RILEM(國(guó)際材料與建筑構(gòu)造研究試驗(yàn)所聯(lián)合會(huì))和加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CSA或ASTM,并參照本國(guó)的研究經(jīng)驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改。對(duì)快速砂漿棒法,采用30 d膨脹0.19%來(lái)判定集料在混凝土中的膨脹行為,根據(jù)工程決策需要,研究了80℃養(yǎng)護(hù)條件下的快速混凝土棱柱體試驗(yàn)方法。

(6)中國(guó)[7]:我國(guó)在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始,陸續(xù)在北京、山東、內(nèi)蒙古、河南等地的立交橋或機(jī)場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)有AAR破壞的實(shí)例?，F(xiàn)已確證長(zhǎng)江流域、北京地區(qū)、遼寧錦西地區(qū)、新建塔城地區(qū)、南京雨花臺(tái)砂礫巖中均有高堿活性礦物。我國(guó)在20世紀(jì)90年代新修訂了《混凝土用砂石國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了測(cè)定砂石集料堿活性的檢驗(yàn)方法,提出了《混凝土堿含量界限值標(biāo)準(zhǔn)》。一些城市也制定了相應(yīng)的預(yù)防政策,天津市在1997年出臺(tái)了《預(yù)防混凝土堿-集料反應(yīng)技術(shù)管理規(guī)定》。

近年來(lái),南京化工大學(xué)和中國(guó)建材研究院等單位對(duì)判定集料活性的試驗(yàn)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,提出了新的硅質(zhì)集料堿活性快速試驗(yàn)方法、碳酸鹽集料堿活性檢測(cè)方法、堿-集料反應(yīng)工程破壞檢測(cè)方法。建立了沿長(zhǎng)江和華東地區(qū)、京津塘地區(qū)堿活性集料分布圖和分類(lèi)圖,明確了我國(guó)集料堿活性的分布情況,有助于重點(diǎn)工程混凝土用集料的優(yōu)選和預(yù)防堿-集料反應(yīng)。根據(jù)各國(guó)學(xué)者40余年的研究歸納[8～9],常見(jiàn)的堿活性巖石如表1所示。

表1 常見(jiàn)的堿活性巖石

3 堿-集料反應(yīng)的測(cè)試方法

3.1 堿-集料反應(yīng)主要的測(cè)試方法

在工程建設(shè)之初,正確鑒定集料的堿活性是采用合理措施預(yù)防混凝土堿-集料反應(yīng)(AAR)破壞的關(guān)鍵[10]。集料的堿活性檢測(cè)是AAR評(píng)估的重要內(nèi)容,也是防治AAR破壞的重要手段。在實(shí)際工程中,只有對(duì)所有集料的堿活性作出科學(xué)的評(píng)定,才能采取科學(xué)的措施預(yù)防堿-集料反應(yīng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)集料活性的試驗(yàn)方法進(jìn)行了很多研究,主要試驗(yàn)方法的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 鑒定集料活性的試驗(yàn)方法

由于集料的類(lèi)型、性質(zhì)變化各異,集料堿活性的檢測(cè)應(yīng)采用多種方法配合使用、相互校核。巖相法是其他試驗(yàn)方法的前提,快速砂漿棒法和壓蒸法是發(fā)展的方向,而化學(xué)法和砂漿棒法由于其局限性,有逐漸被淘汰的趨勢(shì)[2]。

3.2 各國(guó)集料堿活性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

為了預(yù)防堿-集料反應(yīng)的發(fā)生,各國(guó)都很重視集料活性的鑒定,并各自建立了相應(yīng)的檢測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。主要有美國(guó)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)、加拿大的CSA標(biāo)準(zhǔn)等,國(guó)際材料與建筑構(gòu)造研究試驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)(RILEM)成立一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究AAR和制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)委員會(huì),吸收各國(guó)最新研究成果,形成一整套AAR活性集料的檢測(cè)方法[2]。

我國(guó)最早提出的檢測(cè)集料活性的規(guī)范是《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SD105—82),現(xiàn)在主要應(yīng)用的檢測(cè)規(guī)范是《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ52—2006)、壓蒸法(CECS48:93)。各國(guó)集料堿活性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 常用的集料堿活性檢測(cè)規(guī)范

4 結(jié)束語(yǔ)

集料堿活性測(cè)試結(jié)果的可靠性,取決于對(duì)各種試驗(yàn)方法的理解和正確選擇。巖相法可以直接觀察到集料中的活性成分,其鑒定結(jié)果對(duì)后續(xù)選擇合適的試驗(yàn)方法具有重要的指導(dǎo)意義。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的集料試驗(yàn)方法是以高溫高堿條件發(fā)展的快速方法,不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)混凝土的實(shí)際情況。因此快速法測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要在實(shí)際工程中進(jìn)行大量的驗(yàn)證。

混凝土中AAR的發(fā)生是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的過(guò)程。我國(guó)發(fā)現(xiàn)的活性集料種類(lèi)復(fù)雜,來(lái)源廣泛,分布在不同氣候地區(qū)。如能選擇不同氣候特征地區(qū)建立長(zhǎng)期混凝土室外試驗(yàn)場(chǎng),研究不同配合比的混凝土在不同氣候條件下的AAR的行為,對(duì)我國(guó)確定更合理的混凝土堿-集料試驗(yàn)方法產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2,6]。

[1]劉旭全.客運(yùn)專(zhuān)線大斷面黃土隧道高性能混凝土施工技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(11):87-88.

[2]趙學(xué)榮.堿-集料反應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響的研究[D].天津:天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,2008

[3]劉日波,王 輝.堿-集料反應(yīng)綜述[J].混凝土,2006(10):47-48

[4]唐明述.堿-集料反應(yīng)分類(lèi)[J].中國(guó)工程科學(xué),2000(3)

[5]王玉江.集料堿析出及其對(duì)堿-集料反應(yīng)的影響[D].南京:南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,2006

[6]盧都友.國(guó)際混凝土堿集料反應(yīng)研究動(dòng)態(tài)[J].混凝土,2009(1):57-61

[7]姚燕,王 玲,田 培.高性能混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[8]呂憶農(nóng),盧都友,等.我國(guó)首例海工工程堿集料反應(yīng)[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(1):44-47

[9]楊建森.堿集料反應(yīng)的診斷與防治[J].公路,2002(1):87-90

[10]盧都友,許仲梓,呂憶農(nóng),等.快速砂漿棒法檢測(cè)集料堿活性的巖石和地域局限性及改進(jìn)措施[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2):98-101