碱-骨料反应试验方法

2007-06-18 11:27

摘　要：结合多年的工程实践，对测定骨料碱活性的试验方法如岩相法、化学法、砂浆长度法、快速法和砼棱柱体法进行了评述。认为：对骨料的碱活性决不能仅依靠一种方法来作出判断，必须用几种试验方法进行综合评价。

关键词：碱-骨料反应； 活性骨料； 膨胀率； 水泥含碱量； 砼总碱量

1　碱-骨料反应的试验方法

　　碱-骨料反应(AAR)是造成砼建筑物腐蚀破坏的主要原因。岩石骨料的碱活性是砼发生碱-骨料反应的必要条件。检测骨料碱活性的方法有：岩相法、化学法和砂浆长度法，随后又制订了快速法和砼棱柱体法等标准方法。

1.1　岩相法

　　岩相法见美国ASTM标准C295砼骨料岩相检测指南，与此一致的我国有《水工砼试验规程》(SD105-82)第3.0.27条。

　　岩相法的基本理论是基于光性矿物学。具体操作是把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定矿物成分及其含量，以及矿物结晶程度和结构。如显微镜分辨有一定困难时，还可借助于扫描电镜，X-衍射分析、差热分析、红外光谱分析等手段，对矿物作出判断。如鉴定不含有碱活性的岩石或矿物，可判为非活性；如鉴定含有碱活性的矿物成分，则必须用其他试验方法来进一步论证。

　　岩相法是最基本的方法，能够判断骨料中是否含有碱活性的岩石矿物。但这个方法只能定性而不能定量地评估含碱活性的骨料在砼中引起破坏的程度。

1.2　化学法

　　化学法见美国ASTM标准C2骨料潜在活性试验(化学法)，与此一致的我国有《水工砼试验规程》第3.0.2。

　　化学法仅仅是反映骨料与碱发生化学反应的能力。由于其反应时间短(24h)，这种方法对评价高活性的骨料是合适的。但应注意某些矿物如碳酸盐等的干扰，使试验结果产生较大的偏差，特别是对缓慢反应的岩石或者活性微弱的骨料，往往会作出非碱活性的错误结论。

1.3　砂浆长度法

　　砂浆长度法见美国ASTM标准C227“水泥-骨料混合物潜在碱活性试验方法”(砂浆棒法)，与此一致的我国有《水工砼试验规程》第3.0.29条，“骨料碱活性检验(砂浆长度法)”。砂浆长度法一直是作为碱活性鉴定的经典方法，1951年由美国提出并制定了试验标准，并列入许多国家的标准中。此方法使用的水泥，含碱量应大于0.8%，骨料的级配见表1。水泥与骨料的质量比为1∶2.25。

表1　砂浆长度法骨料级配表

Table 1　Aggregate gradation used in the mortar length test method

筛孔尺寸

　　砂浆长度法作为一个传统的方法，已使用了40余年。这种方法对活性较高、反应较快的骨料的检验是适用的，可以判定骨料的碱活性。但对于反应较慢的活性骨料或活性较低的骨料，这种方法往往不能在指定时间内作出准确的判断，因而对这种方法国际上一些专家提出了质疑，特别是英国和日本由于使用该方法所造成的误判，给工程带来了巨大的损失。现在有的国家甚至在本国标准中取消化学法和砂浆长度法。砂浆长度法是膨胀反应的直接观测，有其可取之处，作为碱-骨料反应的试验方法来说，该方法仍是有用的。问题在于反应时间限定在半年期内，往往误导，有必要延长观测时间，作为参考值。

1.4　快速法

　　我国南京化工学院唐明述教授等人在1983年提出了小砂浆棒快速法，法国将此方法改进后列入了该国的国家标准NF P18-588。日本等国也在使用。另一种方法是以南非建筑研究所(NBRI)R.E.Oberholster和G.Davies在1986年首先提出的砂浆棒快速法，美国ASTM在1994年已将其列为正式标准，日本、加拿大等也将其列入了该国的标准，印度、澳大利亚等一些国家也在使用。下面分别介绍这两种方法。

1.4.1　小砂浆棒快速法

　　小棒快速法见中国工程建设标准化协会推荐的《砂、石碱活性快速试验方法》(CECS48∶93)。试样粒径为0.63～0.16 mm，与通过外加碱，碱含量达到1.5%的硅酸盐水泥混合，水泥与骨料的质量比为10∶1 ；5∶1； 2∶1。水灰比为0.3。试件尺寸为40 mm×10 mm×10 mm。试件成型一天后脱模，并测量基准长度，然后在100℃下蒸养4 h，再浸泡在150℃，10%KOH溶液中压蒸6 h，测量其最终长度。试验结果评定在3个配比中，用膨胀值最大的一组来评定骨料的活性，如膨胀率大于或等于0.1%，则为活性骨料，小于0.1%，则为非活性骨料，试验一次的周期为3 d。

　　小棒快速法的特点，一是工作量小，操作简便，试验周期短，能够很快对骨料的活性作出判断，可以广泛用来筛选骨料。二是该方法用碱量(超高碱水泥和浸高碱液中反应)超常规的增大，又采取高温-高压的非常态反应路线，它与实际砼工程的关系尚缺乏论证。如果用快速法评定的骨料是非活性的，那骨料绝对是安全的，不会产生碱-骨料反应。但国内有些研究者认为，小棒快速法虽不会漏判，却有可能错判。另外这种方法只能测定单一岩石，对天然砂砾石料场中的多种活性骨料的混合料，由于试件太小，测定起来就比较困难。

1.4.2　砂浆棒快速法

　　具体方法见美国ASTM标准C1260-94《骨料潜在碱活性试验方法》(砂浆棒法)，骨料的级配含量与水泥骨料之比与C227方法一致，水灰比为0.47，养护24 h后脱模，试件浸水放入密封的塑料筒中，然后放入80℃的恒温水浴箱中。24 h后，在20℃恒温室中测量砂浆棒的基准长度，然后把试件仪浸泡在1N的NaOH溶液中，放入80℃恒温水浴箱中，观测3d，7d和14d的砂浆膨胀率。试验的评定标准为，砂浆棒膨胀率小于0.1%，则骨料是无害的；膨胀率大于0.2%，则具有潜在有害碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，需进行其他辅助试验，也可以把试件延至28 d观测来评估。

　　砂浆棒快速法不仅可以作单一种活性骨料，而且还可以作活性骨料混合料的碱活性评定。

1.5　岩石圆柱体法

　　圆柱体法见美国ASTM标准C586，与此相一致的我国有《水工砼试验规程》第3.0.30条，专门检验碳酸盐岩石骨料的碱活性。这种方法是将碳酸盐骨料制成直径 9 mm×35 mm的圆柱体，在蒸馏水中浸泡后在20℃恒温室测量初始长度，然后浸泡在1N的NaOH溶液中，定期测量试件的膨胀率，若84 d膨胀率大于0.1%，则骨料具有危害活性，不宜作为砼骨料，必要时应从砼试验结果作出最后评定。

1.6　砼棱柱体试验方法

　　砼棱柱体试验有加拿大标准(CSA A23.2-14A)“骨料的潜在膨胀”和美国ASTM标准C1293-95“测定砼中由于碱-硅反应(ASR)引起的长度变化”的标准试验方法。试验用硅酸盐水泥，含碱量为0.9±0.1)%的Na2Oeq，并通过外加碱，使水泥的碱含量达到1.25%。砼中水泥用量为420 kg/m3。水灰比为0.42～0.45。试件尺寸为75 mm×75mm×275 mm～75 mm×75 mm×405 mm。在38℃，相对湿度100%的条件下储存，1 a龄期砼试件的膨胀率如大于0.04%，则骨料具有潜在有害活性。这个方法适用于ASR，也可用于碱-碳酸盐反应(ACR)。 

2　碱活性试验方法的评定

　　(1)岩相法是在所有方法中首先必须进行的。它能判定骨料中是否有活性成分；而且能够正确判断料场中有几种活性骨料及其含量，这些对以后的试验，都是至关重要的。因为砂浆棒法及砼棱柱体法模拟料场的现状，均是以岩相法的结果作为依据的。

　　(2)化学法的试验结果只能对骨料的活性程度作一个补充依据，由于各种因素的干扰和方法的局限性，因此这个方法只能对活性较高的骨料作出正确的判断。从目前看来，这种方法的实用性不是唯一的。

　　(3)对碱活性较大的骨料，砂浆长度法和快速法均有较好的相关性，试验结果也趋于一致，表2是某工程骨料碱活性的试验结果。但对某些活性不大或缓慢反应的骨料两种方法会得出不一致的结果，并导致误判的发生(如英国燧石骨料)，有大量的资料证明两种方法的不一致性。部分研究者认为在这种情况下，应以砂浆长度法的膨胀率作为最终判断的依据。［1］

表2　硅质灰岩几种方法的对比试验结果

Table 2　Comparison of test results obtained by three methods for siliceous limestone

表3　快速法试验结果

Table 3　Test results obtained by the quick mortar bar test methods

作者简介：曹鹏举(1939-)，男，湖南益阳人，长江科学院材料结构研究所高级工程师，主要　　　　　　从事水工建筑材料研究。

作者单位：曹鹏举(长江科学院　材料结构研究所，湖北　武汉　430010)

参考文献：

［1］索隆曼，王一平.硅质骨料碱活性快、慢速法试验讨论［J］.水电工程研究，1997(2).

http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.Articles/cjkxyyb/cjkx2000/0001/000114.htm

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