一種用于評定礦物摻和料抑制ASR有效性的試驗方法

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）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）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有效性的試驗方法，該方法基于快速砂漿法，改進了試驗的養(yǎng)護條件，對板巖骨料和1%玻璃模擬活性骨料進行了抑制試驗研究，并與快速砂漿棒法試驗結(jié)果進行了對比分析。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有效性的試驗方法。

ASR;抑制;試驗方法;改進法

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)進行一些改進。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］。快速砂漿棒法［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礦物摻合料的抑制能力，但由于該方法評定抑制有效性時試驗周期長達(dá)2年，一些研究人員將其養(yǎng)護溫度從38℃提高到60℃進行了加速，將試驗周期壓縮至6個月［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）進行了一些改進來評定礦物摻合料抑制ASR能力［20-21］?？v觀這些方法基本上都采用高堿溶液作為試件的養(yǎng)護溶液，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)護條件無疑增加了試件中的堿含量，且養(yǎng)護時間越長增加的堿含量越多，與實際現(xiàn)場存在較大的差距，并且室內(nèi)的試驗結(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、有效的試驗方法是各國研究人員共同關(guān)注的一個方向。

筆者在快速砂漿棒法的基礎(chǔ)上提出了一種用于評價礦物摻合料抑制ASR有效性的試驗方法（以下簡稱改進法），該方法采用一種固定的堿含量，在80℃的濕氣中養(yǎng)護，杜絕了外部堿向試件內(nèi)部的遷移，同時又保證試件養(yǎng)護的溫度與濕度，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%玻璃模擬骨料進行粉煤灰抑制試驗，并與快速砂漿棒法的試驗結(jié)果進行了驗證及對比分析。

1 試驗用原材料及儀器設(shè)備簡介

1.1 試驗用原材料

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 試驗用儀器設(shè)備

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

圖2 改進法養(yǎng)護及測長試驗設(shè)備Fig.2 Storage and equipment of modified method

2 改進法試驗方法介紹

2.1 試件制作

骨料破碎、級配、試驗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，水泥堿含量調(diào)整至0.8%，當(dāng)評定抑制有效性時，水泥堿含量調(diào)整至1.5%。

2.2 試件預(yù)養(yǎng)護

試件成型24 h后拆模按序放入養(yǎng)護桶內(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)護筒放入80℃水浴養(yǎng)護箱內(nèi)。

2.3 測量試件基準(zhǔn)長度

待試件養(yǎng)護24 h后，將試件從養(yǎng)護箱內(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)護箱內(nèi)，放置（較低溫度養(yǎng)護）24 h。從養(yǎng)護箱內(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)護箱養(yǎng)護，每次測量完畢后應(yīng)將試件調(diào)整方向后放入養(yǎng)護桶內(nèi)。待試件養(yǎng)護至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 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(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 不同堿含量對改進法試驗結(jié)果的影響

從圖3（a）、（b）中可以看出，改進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，對試驗結(jié)果進行擬合見圖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，板巖骨料ASR膨脹率非常小，而此時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: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)的進行，改進法試件在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越晚，例如在圖5（b）中，當(dāng)摻量為15%、20%時膨脹率的增長在3天后即開始加快，當(dāng)摻量為25%、30%時膨脹率的增長在7天后開始加快，而當(dāng)摻量為35%時膨脹率的增長在14天后開始加快。對于測量精度或測量控制來講，改進法28天時數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相對的誤差減少。

3）與快速砂漿棒法試驗結(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，改進法的試件膨脹率均小于快速砂漿棒法的試件膨脹率;同時還可以看出改進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)護條件下，隨著反應(yīng)的進行，試件外部的堿不可避免的向試件內(nèi)部滲透，改進法不存在堿的入侵問題，而且改進法的試件養(yǎng)護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天試驗膨脹率Fig.10 84 d test results of the two kinds of aggregate in different alkali content

4 改進法試驗方法的可行性分析

4.1 改進法養(yǎng)護條件的驗證

從以上試驗的對比分析可以看出改進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法試驗方法的養(yǎng)護濕度達(dá)不到ASR發(fā)生的條件還是由于改進法試件內(nèi)的堿隨著ASR的進行已經(jīng)被消耗至一定濃度以下而達(dá)不到ASR發(fā)生的條件呢?筆者對此進行了以下試驗，解決這個疑問同時也驗證一下改進法的養(yǎng)護條件。

在堿含量對ASR膨脹率影響的8組試驗中，這幾組試件的膨脹率從28～84天的養(yǎng)護期間內(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℃的水中進行預(yù)養(yǎng)護，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，另外兩根放入80℃的1 mol/L的堿溶液中進行養(yǎng)護，等待養(yǎng)護齡期分別達(dá)到3，7，14，28天后測量試件長度，并計算出試件的膨脹率。

從圖11中可以看出，放入80℃水中的4組試件繼續(xù)養(yǎng)護28天后試件的膨脹率基本為0，而放入80℃堿溶液養(yǎng)護的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)護濕度達(dá)不到ASR繼續(xù)發(fā)生所需要的濕度條件，同時也可以看出快速砂漿棒法養(yǎng)護溶液中的堿對ASR的膨脹率的貢獻。

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

4.2 改進法試驗結(jié)果的判定

從以上的對比分析中可以看出，改進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對比結(jié)果，建議28天膨脹率為0.05%時抑制率達(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 改進法的特點

改進法與其他方法相比優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

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

2）試件成型時用水量易于控制，采用堿溶液養(yǎng)護的試件，由于存在外來堿的入侵，試件的密實程度影響堿的擴散速度，而且每次試驗往往經(jīng)多次試拌才能確定最終用水量。改進法不存在外來堿的入侵問題，因此試驗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，使用改進法也應(yīng)注意由于每次測量時試件在外部暴露時間比較長，在此過程中水分易于揮發(fā)，這時應(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行ASR試驗，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）試驗證明改進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有效性的一種試驗方法。

4）兩種骨料進行的抑制試驗結(jié)果顯示，改進法采用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計劃項目（20106005）

朱安磊（1984-），男，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性。E-mail:zalcn@sohu.com。