淺析混凝土骨料堿活性試驗及評定方法

易俊新,劉志鵬,鄭 紅

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

1 前言

骨料堿活性反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要因素之一,一般分為堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)。我國自建國以來,對水電工程骨料的堿活性評價是判定骨料質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)?；炷林泄橇先羰欠腔钚缘?一般不會發(fā)生堿—骨料反應(yīng)；若骨料是活性骨料或含部分活性骨料,則有可能發(fā)生堿—骨料反應(yīng)而導(dǎo)致混凝土不均勻膨脹、開裂。因此,工程選擇骨料時必須對其是否含有堿活性成分進(jìn)行鑒定,進(jìn)行骨料堿活性試驗檢測,盡可能在工程中優(yōu)先選用非活性骨料,如確實無法避免,則須采取抑制堿—骨料反應(yīng)的預(yù)防措施。

2 我國骨料堿活性試驗及評定方法簡述

目前我國水電水利工程檢測堿—骨料反應(yīng)的規(guī)范主要有《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T5151)和《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352)。列入規(guī)范中的試驗方法有巖相法、化學(xué)法、砂漿長度法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法(巖石柱法)、混凝土棱柱體法。其中巖相法、化學(xué)法、砂漿長度法、砂漿棒快速法、快速壓蒸法、混凝土棱柱體法為堿-硅酸反應(yīng)的檢測方法；巖相法、巖石柱法、混凝土棱柱體法為堿-碳酸鹽反應(yīng)的檢測方法。

另外,中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會1995年頒發(fā)的《砂、石堿活性快速試驗方法》(CECS48∶93)(簡稱快速壓蒸法),作為快速檢測方法也在水電行業(yè)中采用,該方法也為堿-硅酸反應(yīng)的檢測方法。

(1)巖相法。巖相法通常是指通過肉眼觀察和借助光學(xué)顯微鏡鑒定骨料的巖石種類、礦物組成及各組分含量,并據(jù)此判斷骨料的堿活性。巖相法作為骨料堿活性鑒定的首選方法,其缺點是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系。

(2)化學(xué)法?；瘜W(xué)法主要原理是取一定數(shù)量規(guī)定粒度范圍的骨料和一定濃度的NaOH溶液反應(yīng),在規(guī)定條件下,測定骨料溶出的SiO2濃度Sc及溶液堿度降低值Rc,并據(jù)此判斷骨料的堿活性。化學(xué)法不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導(dǎo)致的慢膨脹骨料,存在非SiO2物質(zhì)如碳酸鹽、石膏、粘土等的干擾,這些干擾常常造成根本性的錯誤。因此,新修訂中的《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T5151-2014),已不推薦使用化學(xué)法。

(3)砂漿長度法。砂漿長度法是通過測定水泥砂漿試件的長度變化,以鑒定水泥中的堿與活性骨料的反應(yīng)所引起的膨脹是否具有潛在危害的方法。適用于堿骨料反應(yīng)較快的堿-硅酸鹽反應(yīng)和堿-硅酸反應(yīng)的巖石和礦物。評定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)試件半年膨脹率超過0.10%,或三個月膨脹率超過0.05%時(只有在缺少半年膨脹率資料時才有效),即評為具有潛在危害性的活性骨料。反之,如低于上述數(shù)值,則評為非活性骨料。

(4)砂漿棒快速法。砂漿棒快速法是通過測定浸在80℃高溫堿溶液下水泥砂漿試件的長度變化,在16天內(nèi)檢測出骨料是否具有潛在危害的方法。適用于檢驗反應(yīng)緩慢或只在后期才產(chǎn)生膨脹的骨料。評定標(biāo)準(zhǔn)：①砂漿試件14d的膨脹率小于0.1%,則骨料為非活性骨料；②砂漿試件14d的膨脹率大于0.2%,則骨料為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料；③砂漿試件14d的膨脹率在0.1%至0.2%之間的,對這種骨料應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場記錄、巖相分析、或開展其他的輔助試驗、試件觀測的時間延至28d后的測試結(jié)果等來進(jìn)行綜合評定。

(5)碳酸鹽圓柱體法(巖石柱法)。碳酸鹽圓柱體法是在規(guī)定條件下測定碳酸鹽骨料試件在堿溶液中產(chǎn)生的長度變化,以鑒定骨料是否具有潛在的堿—碳酸鹽反應(yīng)。碳酸鹽圓柱體法適用于堿—碳酸鹽反應(yīng)的碳酸鹽巖石和礦物。評定標(biāo)準(zhǔn)：浸泡84d試件膨脹率在0.10%以上時,該巖樣應(yīng)評為具有潛在堿活性危害,不宜作為混凝土骨料。

(6)混凝土棱柱體法。混凝土棱柱體法是通過測定混凝土試件在升溫及潮濕條件養(yǎng)護(hù)下的長度變化,評定水泥中的堿與骨料反應(yīng)所引起的膨脹是否具有潛在危害的方法。適用于堿-硅酸反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)。由于可以使用粗骨料,因而更接近混凝土實際,但試驗齡期太長,需根據(jù)1年的膨脹率才能進(jìn)行評定。評定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)試件一年的膨脹率等于或大于0.04%時,則判定為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料；膨脹率小于0.04%則判定為非活性骨料。

(7)快速壓蒸法。快速壓蒸法是測定骨料與摻外加堿使總堿量達(dá)1.5%的硅酸鹽水泥混合試件,浸泡在堿溶液中,在高溫(150℃)高壓(5個大氣壓)下壓蒸360min±5min的長度變化,評定水泥中的堿與骨料反應(yīng)所引起的膨脹是否具有潛在危害的方法。評定標(biāo)準(zhǔn)：在水泥和骨料三種配比試驗結(jié)果中,用最大膨脹值評定骨料的堿活性。膨脹值大于或等于0.1%為活性骨料,小于0.1%為非活性骨料。

3 國外骨料堿活性試驗及評定方法簡述

國際上早期遭受堿骨料反應(yīng)嚴(yán)重的國家也都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范檢測和預(yù)防堿骨料反應(yīng)的發(fā)生,如美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)、加拿大的CSA標(biāo)準(zhǔn)等。目前最活躍的是RILEM(國際材料與建筑構(gòu)造研究試驗所聯(lián)合會)標(biāo)準(zhǔn)的制定,它集中了全世界各國的專家,吸收了近年來各國的最新成果加以驗證與修訂。RILEM標(biāo)準(zhǔn)中對骨料堿活性的檢測方法有：①巖相法(AAR-1)；②快速砂漿棒法(AAR-2)；③混凝土棱柱體法(AAR-3)；④快速混凝土柱法(AAR-4)；⑤碳酸鹽骨料快速初選法(AAR-5)。

對化學(xué)法和砂漿長度法,該標(biāo)準(zhǔn)中不再使用,該標(biāo)準(zhǔn)提出鑒定骨料堿活性的流程詳見圖1。

圖1

4 骨料堿活性評定方法探討

我國水電工程中骨料堿活性檢測有上述多種方法,但依據(jù)各自的評定標(biāo)準(zhǔn)所得的評定結(jié)果不一致時,以哪種檢測方法作為最終判定的依據(jù),2010年以前沒有相關(guān)規(guī)范進(jìn)行明確,可能存在著錯判、誤判、漏判現(xiàn)象。

由于“混凝土棱柱體試驗法”的試驗齡期長,試驗條件與實際情況更接近,可以認(rèn)為“混凝土棱柱體試驗法”是骨料是否具有堿活性的最終判據(jù)。

2010年10月1日起實施的《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》(DL/T5241-2010)規(guī)定：“按DL/T5151中規(guī)定的評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行骨料的堿活性評定。當(dāng)采用‘巖相法’或‘砂漿棒快速法’進(jìn)行堿活性檢驗時,若評定結(jié)果為骨料具有堿活性,則應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行‘混凝土棱柱體試驗方法’檢驗,并以‘混凝土棱柱體試驗法’評定結(jié)果為準(zhǔn)”。2012年6月1日起實施的國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50733-2011),對骨料堿活性檢測結(jié)果的評價也規(guī)定：“巖相法、快速砂漿棒法和巖石柱法的檢驗結(jié)果與混凝土棱柱體法的檢驗結(jié)果相互矛盾時,應(yīng)以混凝土棱柱體法的檢驗結(jié)果為準(zhǔn)?！?/p>

對老撾某水電站砂巖骨料開展開展了巖相法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法的堿活性試驗檢測表明：采用巖相法鑒定,巖石定名為細(xì)晶長石石英砂巖,組成硅質(zhì)巖屑的隱晶質(zhì)玉髓及微晶石英為堿活性礦物,屬于堿活性巖石,但有害物質(zhì)但含量是否超標(biāo),是否會產(chǎn)生潛在堿活性危害,應(yīng)根據(jù)其他測試方法進(jìn)一步綜合判定。

隨后采用砂漿棒快速法進(jìn)行檢測,編號為1和2的兩組砂巖骨料樣品,14天齡期試件膨脹率分別為0.141%、0.181%,28天齡期試件膨脹率分別為0.245%、0.288%,均大于0.2%,采用該方法評定為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料(堿—硅酸反應(yīng)),見表1。

表1 骨料堿活性砂漿棒快速法檢測結(jié)果

為最終驗證該料場砂巖骨料是否具有堿活性,采用混凝土棱柱體法進(jìn)行試驗,經(jīng)混凝土棱柱體法檢測,52周齡期試件膨脹率分別為0.028%、0.033%,小于0.04%,判定為非活性骨料。試驗成果見表2。

表2 混凝土棱柱體試驗法檢測結(jié)果

通過采用多種方法骨料堿活性試驗方法循序漸進(jìn),該料場骨料最終綜合評定為非活性骨料(堿—硅酸反應(yīng))。

5 結(jié)論

(1)水電工程中骨料堿活性檢測的方法眾多,2010年以前沒有相關(guān)規(guī)范明確以何種方法作為最終的判定結(jié)果,當(dāng)采用不同方法檢測結(jié)果存在差異時,可能存在著錯判、誤判、漏判現(xiàn)象。

(2)由于“混凝土棱柱體試驗法”的試驗齡期長,試驗條件與實際情況更接近,因此以“混凝土棱柱體試驗法”試驗結(jié)果作為骨料是否具有堿活性的最終判據(jù)是合適的。2010年以后實施的《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》和《預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》均將“混凝土棱柱體試驗法”試驗結(jié)果作為骨料是否具有堿活性的最終判據(jù)。