快速砂浆棒法对检测骨料碱活性的适用性评价*

高鹏,秦圆雨,薛刚,王永博,顾宇航

(内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头 014010)

20世纪40年代碱集料反应被发现以来[1],其对混凝土的危害成为热点的研究课题.其中碱硅酸反应(Alkali-Silica Reaction,ASR)的破坏尤为常见,也成为各学者的主要研究对象.对施工材料进行快速准确的ASR反应检测,是预防发生ASR破坏的主要手段之一.

目前对于ASR检测的试验方法有混凝土棱柱体法[2-4](Concrete Prism Tests,CPT)、快速砂浆棒法[5-9](Accelerated Mortar-Bar Test,AMBT)、大体积混凝土试块法[10](Large Concrete Blocks,LCB)、岩相法[7, 11,12](Petrographic Examination,PE)等.其中CPT和LCB的试验周期长达几年至十年,此外,LCB的试件体积大,需较大的试验场所,存放条件苛刻,这2种试验方法均不适合在实际工程中使用;PE虽可直接观察到集料中的活性组分,但其对试验者的操作要求较高,需要相当熟练的技术;AMBT试验周期短、试件制作简单,在工程界被广泛应用.

然而,我国青海、西藏及内蒙古中西部地区,盐湖分布星罗棋布,盐渍土及地下卤水环境中的碱金属离子含量极高,极易诱发该地区混凝土工程的碱硅酸反应.因此,即便使用碱活性不高的骨料,在如此恶劣的环境中,在后期依旧存在发生ASR的隐患.

1 AMBT判定准则

对于AMBT的短龄期判定准则,国外的规范有,美国材料实验协会(ASTM)和国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)制定的ASTM C1260[8]和RILEM AAR-2[9]规范;国内制定了《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准GB/T 50082—2009》[7]、《水工混凝土试验规程SL 352—2020》[6]、《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]等一系列规范,国内外均规定试件14 d平均膨胀率小于0.1%时,骨料为非活性骨料,大于0.2%时为活性骨料,在0.1%～0.2%之间需进行进一步长龄期的观测和进行其他试验验证.

尽管AMBT为高温高碱的试验环境,能够在短龄期内(14 d)有效判定大多数骨料的碱活性.但短龄期碱活性检测样本,能否在长龄期的恶劣环境中,依旧体现其判定结果的有效性,其评价方法在恶劣环境中是否适用,这些问题仍需进一步研究.

本文采用15种骨料,利用AMBT及延长浸泡龄期法,分别进行ASR短期和长期检测,对比研究国内外各种AMBT的规程与判定准则,探究其碱活性检测的适用性,并针对不同工作环境的混凝土ASR检测方法,提出实质性的建议.

2 试验方法及原材料

依据《建筑用卵石、碎石GB/T 14685—2011》[5]中3.38节试进行快速砂浆棒法试验,观测28 d短龄期膨胀率;此外,为探究骨料真实碱活性,将观测龄期延长至一年,观测砂浆棒长龄期膨胀率.延长龄期阶段,保持养护盒内NaOH溶液浓度为1 mol/L,温度恒定为80 ℃.其中水泥选用内蒙古蒙西水泥公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,不同骨料和产地见表1,粗骨料破碎成细骨料,均按照级配表2所示进行筛分,溶液选用分析纯NaOH颗粒配置的1 mol/L的NaOH溶液.

表1 骨料编号及产地

表2 试件骨料级配及配合比

表3 共15种骨料短龄期碱活性判定

3 短龄期试验结果及碱活性判定

对多种骨料进行28 d的膨胀率观测后,其结果见图1.由图1可知,15种骨料的膨胀率均随着时间的增长而增长.在14 d时,A,B,E,F,I,J,K,M,N,O组骨料的膨胀率小于0.1%,C,D,L组骨料的膨胀率在0.1%～0.2%之间,G,H组骨料的膨胀率超过了0.2%.

图1 砂浆棒28 d膨胀率

结合试验结果,按照前文所述的判定准则,G、H组骨料可以判定为活性骨料;C,D,L组骨料无法判定其碱活性,需要延长观测,A,B,E,F,I,J,K,M,N,O组骨料可判定为非活性骨料.

4 长龄期试验结果及AMBT准确性分析

将15组试件延长观测至一年后,其膨胀率数据见图2,在进行一年的观测后,15组试件的最终膨胀率均超过了0.2%,15组骨料后期膨胀率增长速率均变慢.将实验结果按照3～14 d,21～56 d,63～189 d,203～357 d 4个时间段划分,取每个时间段内膨胀率的平均值,如图3,可知G,H试件在每个阶段膨胀率均为最大,将其余13组骨料按其每个阶段膨胀率大小按照1～13进行排序,如图4.

图2 砂浆棒357 d膨胀率

图3 各组砂浆棒不同时期膨胀率平均值

图4 4个阶段13组骨料膨胀率排序

通过排序变化,分析其不同阶段的碱活性表现,得到如下结论.对于因14 d膨胀率小于0.1%而直接被判定非活性骨料的A,B等10组骨料.A,B,F,M 4组骨料的后期碱活性呈不断降低的趋势,E组骨料后期碱活性较为稳定,K,N,O 3组骨料的后期碱活性出现较大的上升趋势,I,J组骨料的碱活性虽然分别第三和第二阶段出现了碱活性的降低,但在第四阶段碱活性出现了小幅度上升.由此可说明AMBT对于A,B,F,M,E组骨料后期的碱活性判定较为准确,对K,N,O,I,J组骨料后期的碱活性的判定并不准确.

对于14 d膨胀率在0.1%～0.2%无法判定碱活性的额C,D,L组骨料,C组骨料在第三阶段碱活性增长后出现了大幅度的下降,D组骨料在经历第三、四阶段碱活性的增长后,在第四阶段出现下降,L组骨料后期碱活性不断降低.

通过试验结果,分析AMBT判定准则对骨料后期膨胀率的判定准确性,可得,当骨料的膨胀率在14 d小于0.1%时,对其后期的碱活性判定的准确率为50%,当骨料的膨胀率在14 d大于0.2%时,对其后期的碱活性判定的准确率为100%.综合分析后可得到,当骨料14 d的膨胀率大于0.2%时,判定准则可以快速准确的判定骨料后期的碱活性,但当膨胀率小于0.1%,判定准则对于后期碱活性判定的准确性便存在误判的可能.

5 AMBT判定准则改进建议

AMBT延长试验结果表明,K,N,O组被误判为非活性的骨料,因其后期碱活性急剧上升,在实际工程中存在严重的ASR隐患.FOURNIER等[13]对53种骨料进行AMBT试验,结果表明:其判定准确性有79%.在误判组中,有3种骨料的碱活性被夸大.结合研究结果可以得出,AMBT对骨料碱活性的判定存在误判的几率.为了研究影响其准确性的因素,各国学者进行了大量试验.

郝挺宇等[14]通过对北京周边地区的骨料进行进碱活性检测,发现部分在岩相分析中具有碱活性成分的骨料,其膨胀率却较小,无法通过AMBT判定其碱活性,并得出不同种类的骨料中碱活性物质的百分比存在最劣比;卢都友等[15]对各国地区关于骨料碱活性检测的试验分析得出,AMBT判定结果的准确性与骨料的种类有较强的关系,虽可以较好的筛选出大部分骨料的碱活性,但仍有相当一部分骨料在满足AMBT非碱活性的判定结果的情况下,在其他碱活性试验(例如混凝土棱柱体法CPT)中被判定为活性骨料;段峰涛等[16]以CPT法为基准,对比研究10种骨料AMBT试验结果,得到当砂浆棒骨料粒径使用1.18～0.15 mm的过细集料时,判定结果偏严且与CPT结果相差较大,当使用9.5～4.75 mm粗集料时,结果偏低,当使用4.75～2.36 mm中度集料时,结果较为准确且与CPT结果相关性较好;LEE等[17]通过对22中不同的骨料同时进行AMBT和CPT试验,对比膨胀率数据,得出AMBT的判定限值较为严格,建议将限值由0.1%和0.2%提高到0.2%和0.4%.

基于各学者的研究结果可以得到,有些骨料的碱活性被AMBT判定结果夸大,而有些骨料的碱活性则被低估.被夸大的判定结果是可以应用在实际工程中,不会产生负面影响.而被低估的骨料是不能应用在实际工程中的,会存在极大的隐患,尤其是重大混凝土工程.

影响AMBT判定结果准确性的因素主要有骨料的种类、骨料的级配、判定龄期、膨胀率限值的设定等.为提高骨料碱活性判定结果的准确性,建议进行大范围不同种类骨料的碱活性检测试验,筛选出适合AMBT判定的骨料种类,而对于中、后期碱活性活跃的骨料,AMBT的判定准则并不适合.

此外,研究结果表明,AMBT使用14 d作为判定时间,是影响准确性的另一因素.将判定不准确的砂浆棒的后期膨胀率达到0.1%和0.2%的时间点列出,见表4.可以看出,对于后期碱活性增长幅度较大的K,N,O组骨料,其膨胀率达到0.1%和0.2%的时间节点较为靠后,对于只是中期碱活性出现一定波动的I,J组骨料,其膨胀率达到0.1%和0.2%的时间较为靠前.

表4 误判砂浆棒膨胀率达到0.1%和0.2%时间节点

基于以上分析,建议,宜将14 d判定龄期延长至28 d,即将14 d膨胀率小于0.1%中的测量时间延长为28 d,对于28 d膨胀率在0.1%和0.2%之间的骨料,延长观测并结合其他试验(岩相法)判定其碱活性,对于14 d和28 d膨胀率超过0.2%的骨料,可将其判定为活性骨料.

表4研究结果表明,延长观测时间至28 d,可以减少对K,N,O这类中、后期表现出高碱活性的骨料的误判.此外,对于I,J这类中期碱活性较高的骨料,更有助于在延长龄期内进入ASR的活跃期,有利于其碱活性的判定.

6 结论

本文通过对15组骨料进行AMBT试验,依据AMBT判定准则,给出15组骨料的碱活性判定结果,而后,将试验周期延长至1 a,分析砂浆棒膨胀率数据,对其判定准则的适用性进行了评价.

1)AMBT判定准则对于14 d膨胀率大于0.2%骨料的碱活性判定是准确并适用的,但14 d膨胀率小于0.1%的骨料碱活性判定准则,AMBT存在对中、后期碱活性高骨料误判的可能性.建议将膨胀率小于0.1%的骨料碱活性的判定时间,延长至28 d;

2)AMBT中,砂浆棒28 d膨胀率在0.1%和0.2%时,建议延长观测并结合其他试验判定其碱活性(岩相法);

3)AMBT中,砂浆棒14 d和28 d膨胀率超过0.2%的骨料,均可将其判定为活性骨料.

4)在盐湖或盐渍土地区中,混凝土工程的地下结构,其骨料碱活性不建议单独使用AMBT进行判定.应结合多种试验方法,综合判定骨料碱活性,以防止中、后期碱活性较高的骨料在高碱潮湿环境中,出现碱骨料反应危害.