混凝土骨料碱活性试验方法研究与成果应用

姚利君

（上海市建筑科学研究院，上海 200032）

0 前言

由碱骨料反应造成的混凝土膨胀、开裂、甚至破坏已经引起了各国的普遍重视，碱骨料破坏具有使混凝土结构逐步开裂，不可修复终止的特点。为了保证混凝土工程耐久性，预防碱骨料破坏，在施工前对骨料进行碱活性评定至关重要。因此，碱骨料测试评定方法成为混凝土碱骨料反应研究领域的重要方面，目前各国碱活性的检验方法主要有3类：一是岩相法，通过岩相鉴定骨料中是否含有活性矿物组分，并确定活性矿物种类——硅酸类或碳酸盐类，以定性分析为主；二是化学法，测定骨料在碱液中的二氧化硅的溶出量以及反应消耗掉的碱量；三是测长法，测定骨料与碱反应后发生的膨胀率大小。这些方法对鉴定骨料碱活性、保证混凝土工程耐久性起到了积极的作用，但也存在错判、漏判的情况。为此，不少学者从不同角度对碱骨料活性的试验方法进行了评述，刘珩等[1]对RILEM标准、ASTM标准和CSA标准中集料碱活性检测方法进行了比较。王爱勤等[2]对3种料场的骨料进行了碱活性试验方法的比较，结果表明不同方法的结果并不一致，ASTM C227方法仅反映了骨料的短期行为，对慢膨胀活性骨料，应延长反应时间或提高反应速度，则可与压蒸法得出一致结论。卢都友等[3]评述了多种ASTM试验方法的特点，并提出快速测长法是主流趋势。刘数华和饶美娟[4]介绍了国内常用的几种实验方法，指导工程实践。

上海城市建设规模较大，由于碱骨料反应破坏的不可修复性，为避免混凝土工程质量隐患，上海市建委要求对进沪骨料的碱活性进行评定。2000年以来，核电建设进入高潮，核电要求对骨料的碱活性进行专项鉴定。自2006年京沪高铁开工建设以来，铁路的投资规模十分巨大，高铁工程对骨料碱活性作出了严格且切合实际的规定。笔者在大量的碱活性试验评定过程中发现某些方法太过严格，对工程选择骨料造成极大困扰；而某些方法的可操作性、可靠性存在问题。为此展开了碱骨料反应试验方法研究，并进行实际应用。

1 使用较广泛的碱骨料检验标准

碱骨料反应分为碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应2类，2类活性矿物的碱活性反应机理完全不同，适用的测试方法亦不同。

ASTM C295骨料碱活性岩相检验方法适用于碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应活性矿物。该方法是把骨料磨制成光薄片，在显微镜下鉴定矿物组成、岩石结构等，并测定活性矿物组分的量及分布；对于岩相鉴定为不含活性矿物的岩石，可评定为非活性骨料；对于岩相鉴定为含活性矿物的岩石，需要进一步用其它方法试验判定。这是以定性为主且被国际公认的方法，各国都把它列为标准。

ASTM C289骨料潜在碱活性标准试验方法（化学法），适用于碱-硅酸盐反应活性骨料。该方法主要测定磨细骨料在碱溶液中的二氧化硅溶出量以及消耗掉的碱量；但该方法特别容易受到碳酸盐等非硅质组分的干扰，而工程用骨料极大部分含有碳酸盐组分。加拿大、澳大利亚等国已取消这种方法，我国国家标准，建工、公路等行业现行标准也已取消这种方法。

ASTM C227骨料潜在碱活性标准试验方法（砂浆棒法），适用于碱-硅酸盐反应活性骨料。该方法将骨料制成砂浆棒，测定在40℃条件下的膨胀率，需要3～12个月时间。该方法周期长，适用于高活性、快膨胀骨料。我国现行国家标准及行业标准都有采用这种方法。

ASTM C1260骨料潜在碱活性标准试验方法（快速砂浆棒法），适用于碱-硅酸盐反应活性骨料。该方法是在ASTM C227的基础上将养护温度提高到80℃，并将砂浆棒试体浸泡在1mol/L的NaOH溶液中。该方法被许多国家采用，我国国家标准及行业标准都有采用，但由于该方法太严格，国家标准在判定上作了修改。

ASTM C586碳酸盐骨料潜在碱活性标准试验方法（岩石柱法），适用于碱-碳酸盐反应活性骨料。该方法钻取互相垂直的圆柱体岩石试件[直径不小于7.5 mm，高（35±5）mm]3个，浸泡在1mol/L的NaOH溶液中，定期测定试件的膨胀率，试验周期为84 d。现行国家标准及行业标准都有采用这种方法，但由于该方法试件尺寸小，加工难度大，测量重复性差，国家标准将这种方法进行了改进。

ASTM C1293骨料潜在碱活性标准试验方法（混凝土棱柱体测长法），适用于碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应活性骨料。该方法实质与ASTM C227类似，不同之处在于试件尺寸、集料尺寸及配比和水灰比。试验周期需1年。现行国家标准GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》采用此方法。

2 碱骨料反应试验方法研究

2.1 ASTM C1260碱骨料反应标准试验方法（快速砂浆棒法）

ASTM C1260骨料潜在碱活性标准试验方法（快速砂浆棒法）是被我国许多标准采纳的快速试验方法，其标准如下：

14 d膨胀率若小于0.10%，大概率可以判定为无潜在碱-硅酸盐反应危害；14 d膨胀率若大于0.20%，可判定为有潜在碱骨料反应危害；14 d膨胀率若在0.10%～0.20%，判定为疑似碱骨料反应，可延长80℃、1 mol/L的NaOH溶液中养护期至28 d，当28 d膨胀率大于0.20%时，判定为有潜在碱-硅酸盐反应危害。

对该方法进行可靠性研究时，选取不同岩相（流纹岩、安山岩、石英砂岩、凝灰岩、板岩、花岗岩等）骨料样品，分别按ASTM C1260和国内公认较为严格的CECS 48：93《砂、石碱活性快速试验方法》进行对比测试，结果见表1。

表1 碱-硅酸盐反应对比试验结果

由表1可以看出：按CECS 48：93判定为活性骨料的，按ASTM C1260也判定为活性骨料；按CECS 48：93判定为非活性骨料的，按ASTM C1260部分判定为活性骨料，部分判定为非活性骨料。同时发现，当14 d膨胀率在0.10%～0.20%时，延长养护至28 d的膨胀率全部大于0.20%，即可疑骨料全部判定为活性骨料。由此可见，ASTM C1260方法太过严格，可能造成对非活性骨料的错判，从而对建设工程选择骨料造成极大困扰。国家标准采纳了这个研究结果，在采用ASTMC1260时，对其判据作出了部分修改，改为“当14 d膨胀率在0.10%～0.20%时，不能最终判定有潜在碱-硅酸盐反应危害，可以按砂浆棒法再进行试验来判定”。

2.2 ASTM C586碳酸盐骨料潜在碱活性标准试验方法（岩石柱法）

以ASTM C586碳酸盐骨料潜在碱活性标准试验方法（岩石柱法）为基础，GB/T 14684—2001《建筑用卵石、碎石》规定碱-碳酸盐反应试验采用圆柱体[Ф（9±1）mm、长（35±5）mm]试件。但在试验中发现圆柱体试件测长时，由于试件尺寸小，膨胀引起的尺寸变化量很小，圆柱体试件测长位置难以固定，将极大影响测量结果的准确性，且钻取相互垂直的3个方向的圆柱体试件难度极大。

为考察2种尺寸试件对试验结果的影响，选取3个不同的含碳酸盐类活性矿物的岩石样品，对同一样品按规定切取棱柱体和圆柱体试件各3个，棱柱体尺寸为9 mm×9 mm×35 mm，圆柱体尺寸为Ф9 mm×35 mm。并按GB/T 14684—2001规定的碱骨料反应试验方法进行养护和各龄期测长，试件各龄期的膨胀率及有关统计见图1～图3。

图1 样品1各龄期的膨胀率

图2 样品2各龄期的膨胀率

图3 样品3各龄期的膨胀率

从图1～图3可以看出，同一岩石样品，其圆柱体、棱柱体试件试验结果差异不大，除个别试件的膨胀率超过0.021%，其它试件的膨胀率均小于0.020%，全部测试结果均符合GB/T 14684—2001中碱骨料反应膨胀率应小于0.10%的规定。相同石料的棱柱体试件的线性膨胀率的测试结果比较稳定，随着龄期的变化并不明显；但相同石料的圆柱体试件测试结果波动较大，无明显规律。相同石料的不同棱柱体试件，其同龄期的线性膨胀率基本一致；而圆柱体试件膨胀率差别较大。此外，圆柱体试件测试结果比棱柱体试件的膨胀率离散性大。从试验过程误差值看，棱柱体试件仅需2次测量其误差即可满足要求，但圆柱体试件在重复测试条件下的数据仍差异较大，图中的数据经多次重复测试得到。综上，2种尺寸的试件一定程度上都可反应岩石碱-碳酸盐活性，均可采用，但棱柱体试验结果的稳定性和操作性要高于圆柱体，据此建议仲裁试验采用棱柱体试件。

为了提高试验方法的可靠性和可操作性，修订后的GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》采纳了这个研究结果，规定可采用圆柱体[Ф（9±1）mm、长（35±5）mm]或棱柱体[边长（9±1）mm、高（35±5）mm]试件，但仲裁试验应采用棱柱体试件。

2.3 碱骨料反应试验方法研究成果应用

碱骨料反应试验方法研究提高了碱活性评定结果的可靠性、准确性，并很好地应用于进沪骨料和大量重大工程用骨料的碱活性试验评定工作中。

2.3.1 进沪骨料碱活性评定

上海建设工程用骨料全部来自周边地区（如湖州、舟山、海宁、海盐等地），大量碱活性试验结果表明：上海建设工程用骨料以安山岩、安山质凝灰岩、流纹岩等火成岩为主，少部分为砂岩、板岩；极大部分骨料含有碱-硅酸盐反应活性矿物，活性矿物组分主要为微晶石英、隐晶质熔岩物质、波状消光石英、燧石等活性矿物，未发现蛋白石等高活性矿物。经快速法碱活性测试，大部分骨料14 d膨胀率大于0.20%，存在潜在碱骨料反应危害；少量骨料14 d膨胀率在0.10%～0.20%，为可疑骨料；14 d膨胀率小于0.10%的非活性骨料占比很小。

由于混凝土骨料用量大、价格低，运输成本占比很高，存在供应半径问题，因此，上海极大部分建设工程只能使用碱活性骨料，对进沪骨料碱活性的准确评定，有利于采取积极的预防措施，从而避免建设工程碱骨料破坏问题的发生。

2.3.2 核电工程用骨料碱活性评定

我国最早的核电技术是从法国引进的，2000年以后从美国引进AP1000第三代核电技术，近年自主研发了“华龙一号”核电技术。核电工程对可能引起混凝土开裂、耐久性不足的方面特别关注，对核岛、常规岛工程用骨料进行货源专项碱活性鉴定，而且需要委托2家及以上权威机构进行独立试验评定。

自2003年起，我们对方家山核电，秦山核电一期扩建、三门核电、海南昌江核电、福清核电、石岛湾核电、漳州核电的砂、石骨料开展了碱活性试验鉴定工作。方家山核电用骨料碱活性试验结果与加拿大实验室的试验结果一致，获得了核电业主和外方的高度认可。

2.3.3 高速铁路工程用骨料碱活性评定

自2006年京沪高速铁路开工建设以来，我国高速铁路建设规模十分巨大，上海铁路局每年用于新建或改扩建高速铁路的投资在数百亿至上千亿元人民币。高速铁路中混凝土工程占比较大，对混凝土的实体质量及耐久性要求极高，并对用于不同工程部位的骨料碱活性做出了严格要求。用于混凝土梁体、轨道板、轨枕、接触网支柱等构件的骨料碱活性膨胀率不能大于0.20%，使用碱活性膨胀率为0.10%～0.20%的骨料时，需控制混凝土的碱含量，使用碱活性膨胀率大于等于0.20%且小于0.30%的骨料时，除控制混凝土的碱含量外，还应采取抑制措施，并需证实抑制的有效性；碱活性膨胀率大于0.30%和具有碱-碳酸盐活性的骨料不得用于铁路混凝土工程。

自2014年起，受上海铁路监督管理局委托，对九景衢铁路、衢宁铁路、连盐铁路、龙烟铁路、杭黄铁路、青连铁路、连镇铁路等工程用混凝土原材料进行监管抽检，并对骨料碱活性进行试验评定。评定结果作为监督监管依据，得到了原铁道部监督机构和现国家铁路监管机构的高度认可。

3 结语

（1）通过对ASTM C1260骨料潜在碱活性标准试验方法（快速砂浆棒法）的研究发现，ASTM C1260判定过于严格，GB/T 14684—2001采纳了这个研究结果，对其判定依据作了部分修改，改为“当14 d膨胀率在0.10%～0.20%时，不能最终判定有潜在碱-硅酸盐反应危害，可以按砂浆棒法再进行试验来判定”。

（2）通过对ASTM C586碳酸盐骨料潜在碱活性标准试验方法（岩石柱法）的研究发现，圆柱体试件试验的可靠性和可操作性不如棱柱体试件，修订后的GB/T14685—2011采纳了这个研究结果，规定可采用圆柱体[Ф（9±1）mm、长（35±5）mm]或棱柱体[边长（9±1）mm、高（35±5）mm]试件，但仲裁检验应采用棱柱体试件。

（3）碱骨料反应试验方法研究提高了碱活性评定结果的可靠性、准确性。研究成果应用于对进沪骨料、核电工程用骨料和高速铁路工程用骨料的碱活性评定工作中，得到了上海市建委、核电业主和国家铁路监督监管部门的高度认可，有利于工程采取积极的预防措施，避免遭受碱骨料破坏损失。

[1] 刘珩，卢都友，许仲梓.集料碱活性检测方法评述[J].混凝土与水泥制品，2003（4）：1-6.

[2] 王爱勤，张承志，王秀军，等.不同评定骨料碱活性方法之间的比较[J].水利学报，1999（4）：60-64.

[3] 卢都友，许仲梓，吕忆农，等.集料ASR碱活性检测方法评述[J].南京化工大学学报，1998，20（2）：86-90.

[4] 刘数华，饶美娟.碱骨料反应判断标准及评价[J].公路，2010（1）：139-142.