浅析混凝土骨料碱活性试验及评定方法

易俊新,刘志鹏,郑 红

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051)

1 前言

骨料碱活性反应是影响混凝土耐久性的重要因素之一,一般分为碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。我国自建国以来,对水电工程骨料的碱活性评价是判定骨料质量优劣的一个重要指标。混凝土中骨料若是非活性的,一般不会发生碱—骨料反应；若骨料是活性骨料或含部分活性骨料,则有可能发生碱—骨料反应而导致混凝土不均匀膨胀、开裂。因此,工程选择骨料时必须对其是否含有碱活性成分进行鉴定,进行骨料碱活性试验检测,尽可能在工程中优先选用非活性骨料,如确实无法避免,则须采取抑制碱—骨料反应的预防措施。

2 我国骨料碱活性试验及评定方法简述

目前我国水电水利工程检测碱—骨料反应的规范主要有《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T5151)和《水工混凝土试验规程》(SL352)。列入规范中的试验方法有岩相法、化学法、砂浆长度法、砂浆棒快速法、碳酸盐圆柱体法(岩石柱法)、混凝土棱柱体法。其中岩相法、化学法、砂浆长度法、砂浆棒快速法、快速压蒸法、混凝土棱柱体法为碱-硅酸反应的检测方法；岩相法、岩石柱法、混凝土棱柱体法为碱-碳酸盐反应的检测方法。

另外,中国工程建设标准化协会1995年颁发的《砂、石碱活性快速试验方法》(CECS48∶93)(简称快速压蒸法),作为快速检测方法也在水电行业中采用,该方法也为碱-硅酸反应的检测方法。

(1)岩相法。岩相法通常是指通过肉眼观察和借助光学显微镜鉴定骨料的岩石种类、矿物组成及各组分含量,并据此判断骨料的碱活性。岩相法作为骨料碱活性鉴定的首选方法,其缺点是得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系。

(2)化学法。化学法主要原理是取一定数量规定粒度范围的骨料和一定浓度的NaOH溶液反应,在规定条件下,测定骨料溶出的SiO2浓度Sc及溶液碱度降低值Rc,并据此判断骨料的碱活性。化学法不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的慢膨胀骨料,存在非SiO2物质如碳酸盐、石膏、粘土等的干扰,这些干扰常常造成根本性的错误。因此,新修订中的《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T5151-2014),已不推荐使用化学法。

(3)砂浆长度法。砂浆长度法是通过测定水泥砂浆试件的长度变化,以鉴定水泥中的碱与活性骨料的反应所引起的膨胀是否具有潜在危害的方法。适用于碱骨料反应较快的碱-硅酸盐反应和碱-硅酸反应的岩石和矿物。评定标准：当试件半年膨胀率超过0.10%,或三个月膨胀率超过0.05%时(只有在缺少半年膨胀率资料时才有效),即评为具有潜在危害性的活性骨料。反之,如低于上述数值,则评为非活性骨料。

(4)砂浆棒快速法。砂浆棒快速法是通过测定浸在80℃高温碱溶液下水泥砂浆试件的长度变化,在16天内检测出骨料是否具有潜在危害的方法。适用于检验反应缓慢或只在后期才产生膨胀的骨料。评定标准：①砂浆试件14d的膨胀率小于0.1%,则骨料为非活性骨料；②砂浆试件14d的膨胀率大于0.2%,则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料；③砂浆试件14d的膨胀率在0.1%至0.2%之间的,对这种骨料应结合现场记录、岩相分析、或开展其他的辅助试验、试件观测的时间延至28d后的测试结果等来进行综合评定。

(5)碳酸盐圆柱体法(岩石柱法)。碳酸盐圆柱体法是在规定条件下测定碳酸盐骨料试件在碱溶液中产生的长度变化,以鉴定骨料是否具有潜在的碱—碳酸盐反应。碳酸盐圆柱体法适用于碱—碳酸盐反应的碳酸盐岩石和矿物。评定标准：浸泡84d试件膨胀率在0.10%以上时,该岩样应评为具有潜在碱活性危害,不宜作为混凝土骨料。

(6)混凝土棱柱体法。混凝土棱柱体法是通过测定混凝土试件在升温及潮湿条件养护下的长度变化,评定水泥中的碱与骨料反应所引起的膨胀是否具有潜在危害的方法。适用于碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。由于可以使用粗骨料,因而更接近混凝土实际,但试验龄期太长,需根据1年的膨胀率才能进行评定。评定标准：当试件一年的膨胀率等于或大于0.04%时,则判定为具有潜在危害性反应的活性骨料；膨胀率小于0.04%则判定为非活性骨料。

(7)快速压蒸法。快速压蒸法是测定骨料与掺外加碱使总碱量达1.5%的硅酸盐水泥混合试件,浸泡在碱溶液中,在高温(150℃)高压(5个大气压)下压蒸360min±5min的长度变化,评定水泥中的碱与骨料反应所引起的膨胀是否具有潜在危害的方法。评定标准：在水泥和骨料三种配比试验结果中,用最大膨胀值评定骨料的碱活性。膨胀值大于或等于0.1%为活性骨料,小于0.1%为非活性骨料。

3 国外骨料碱活性试验及评定方法简述

国际上早期遭受碱骨料反应严重的国家也都制定了相应的标准和规范检测和预防碱骨料反应的发生,如美国的ASTM标准、加拿大的CSA标准等。目前最活跃的是RILEM(国际材料与建筑构造研究试验所联合会)标准的制定,它集中了全世界各国的专家,吸收了近年来各国的最新成果加以验证与修订。RILEM标准中对骨料碱活性的检测方法有：①岩相法(AAR-1)；②快速砂浆棒法(AAR-2)；③混凝土棱柱体法(AAR-3)；④快速混凝土柱法(AAR-4)；⑤碳酸盐骨料快速初选法(AAR-5)。

对化学法和砂浆长度法,该标准中不再使用,该标准提出鉴定骨料碱活性的流程详见图1。

图1

4 骨料碱活性评定方法探讨

我国水电工程中骨料碱活性检测有上述多种方法,但依据各自的评定标准所得的评定结果不一致时,以哪种检测方法作为最终判定的依据,2010年以前没有相关规范进行明确,可能存在着错判、误判、漏判现象。

由于“混凝土棱柱体试验法”的试验龄期长,试验条件与实际情况更接近,可以认为“混凝土棱柱体试验法”是骨料是否具有碱活性的最终判据。

2010年10月1日起实施的《水工混凝土耐久性技术规范》(DL/T5241-2010)规定：“按DL/T5151中规定的评定标准进行骨料的碱活性评定。当采用‘岩相法’或‘砂浆棒快速法’进行碱活性检验时,若评定结果为骨料具有碱活性,则应继续进行‘混凝土棱柱体试验方法’检验,并以‘混凝土棱柱体试验法’评定结果为准”。2012年6月1日起实施的国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》(GB/T50733-2011),对骨料碱活性检测结果的评价也规定：“岩相法、快速砂浆棒法和岩石柱法的检验结果与混凝土棱柱体法的检验结果相互矛盾时,应以混凝土棱柱体法的检验结果为准。”

对老挝某水电站砂岩骨料开展开展了岩相法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法的碱活性试验检测表明：采用岩相法鉴定,岩石定名为细晶长石石英砂岩,组成硅质岩屑的隐晶质玉髓及微晶石英为碱活性矿物,属于碱活性岩石,但有害物质但含量是否超标,是否会产生潜在碱活性危害,应根据其他测试方法进一步综合判定。

随后采用砂浆棒快速法进行检测,编号为1和2的两组砂岩骨料样品,14天龄期试件膨胀率分别为0.141%、0.181%,28天龄期试件膨胀率分别为0.245%、0.288%,均大于0.2%,采用该方法评定为具有潜在危害性反应的活性骨料(碱—硅酸反应),见表1。

表1 骨料碱活性砂浆棒快速法检测结果

为最终验证该料场砂岩骨料是否具有碱活性,采用混凝土棱柱体法进行试验,经混凝土棱柱体法检测,52周龄期试件膨胀率分别为0.028%、0.033%,小于0.04%,判定为非活性骨料。试验成果见表2。

表2 混凝土棱柱体试验法检测结果

通过采用多种方法骨料碱活性试验方法循序渐进,该料场骨料最终综合评定为非活性骨料(碱—硅酸反应)。

5 结论

(1)水电工程中骨料碱活性检测的方法众多,2010年以前没有相关规范明确以何种方法作为最终的判定结果,当采用不同方法检测结果存在差异时,可能存在着错判、误判、漏判现象。

(2)由于“混凝土棱柱体试验法”的试验龄期长,试验条件与实际情况更接近,因此以“混凝土棱柱体试验法”试验结果作为骨料是否具有碱活性的最终判据是合适的。2010年以后实施的《水工混凝土耐久性技术规范》和《预防混凝土碱骨料反应技术规范》均将“混凝土棱柱体试验法”试验结果作为骨料是否具有碱活性的最终判据。