快速砂浆棒法检测集料碱活性的岩石和地域局限性及改进措施
    

摘要:综述了快速砂浆棒法的发展和在部分国家或地区的应用。文献结果表明快速砂浆棒法检测集料碱活性具有明显的岩石和地域局限性,对某些种类的变质岩和火成岩可能夸大其危害性,同时可能低估某些碳酸盐、花岗岩、片麻岩和硅质砂岩集料的碱活性。和混凝土棱柱体法膨胀结果相比,快速砂浆棒法膨胀结果不能反映集料在混凝土中的膨胀水平,不宜用于集料活性程度的判定。试验结果表明,采用能够保持岩石原有结构构造特征颗粒尺寸的中国快速砂浆棒法可以比现有快速砂浆棒法更好地预测集料在混凝土中的膨胀水平,特别是对快速砂浆棒法易于误判的集料类型。

关键词:碱-集料反应;碱-硅酸反应;快速砂浆棒法;混凝土棱柱体法

1 前言

  在工程建设之初正确鉴定集料的碱活性是采取合理措施预防混凝土碱集料反应(AAR)破坏的关键。评价特定混凝土集料的碱活性最可靠的办法是考察使用该集料的现有混凝土工程。然而,由于碱集料反应通常在工程服役多年以后发生,通过考察混凝土工程评价集料碱活性仅能获得过去工程中常用集料的信息。对于水工建筑,如大坝,由于混凝土方量大,常就地开采使用集料,很难发现和确定原来使用的料场。另一方面,因使用特定集料的早期工程数量有限,很难确定不同因素(水泥碱含量、水泥用量、养护方法、湿度、冻融、干湿循环、海水、化冰盐等)对AAR的影响。工程建设和调查时期集料源也会发生变化。这些因素限制了通过考察实际工程评价集料碱活性的适用性。对近年来才发现和确证AAR事例、工程规模和建设速度高速发展的我国,通过考察实际工程评价集料碱活性的实用性更为有限。实际工程建设中通常只能通过实验室方法确定集料碱活性。

  现有检验集料碱活性的实验室方法有岩相法、化学法、各种砂浆棒法和混凝土棱柱体法等[1]。岩相鉴定结果对其后选择合适的检测方法有重要指导作用,一直作为集料碱活性鉴定的首选方法。但岩相法对操作者的技术和经验要求较高且得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系,判定结果通常只能作为参考而不能作为拒绝集料的依据。化学法由于误差很大,重复性差,仅能适用于某些特定类型的集料,而且和其它快速法相比并无明显优越性,加拿大标准协会(CSA-Canadian Standard Association)和国际材料与建筑构造研究试验所联合会(RILEM- Reunion Internationale de laboratories d’Essais et de Recherches sur les Materiaux et les Constructions, Paris)已取消了化学法。和化学法相比,各种砂浆棒法和混凝土棱柱体法以测量试体膨胀为依据,结果直观,是实验室使用最广泛的集料碱活性检测方法。其中国外大量研究结果表明混凝土棱柱体法(CPT- Concrete Prism Test),即ASTM C1293, CSA A23.2-14A和RILEM AAR03,和现场混凝土结果最为吻合,被认为是最可靠的集料碱活性检测方法。但由于CPT耗时长(需要1年)不能满足大多数情况下的工程需要,常作为检验快速法的基准和用于集料碱活性的最终判定。

  各种测量砂浆膨胀为基础的快速方法中以快速砂浆棒法(AMBT-Accelerated Mortar Bar Test)在国际上的应用最为广泛。我国水工和交通部门近年来也开始使用该方法[2,3]。我国由于历史原因长期形成的“行业”隔离,缺少负责或协调研究和制定标准的统一组织和机构,早期采用的碱活性检测方法,如砂浆长度法和化学法(ASTM C227和ASTM C289),大多原样引用国外方法,总体上缺少对所引用方法的系统研究和评价。而且,对国内外研究和工程实践中的成果和经验,在我国标准中不能及时采纳和更新,某些国外普遍认为存在严重缺陷的方法仍在我国使用,如砂浆长度法和化学法,这种多种行业标准或方法共存和更新滞后,常常在工程中引起矛盾结果让使用者无所适从。本文以混凝土棱柱体法结果为依据,讨论快速砂浆棒法在世界范围内的应用情况,并针对AMBT局限性提出了改进措施,以期对我国工程实践中正确认识方法的局限性、选择和使用各种集料碱活性检测方法有所裨益。

2 快速砂浆棒法(AMBT)的提出及发展

  AMBT是基于传统ASTM C227,又称南非法(NBRI法)[4]。ASTM C227方法的主要问题是试验周期长,时间上不能满足大多数情况下的工程需要;集料适应性差,仅适用于一些高活性、快膨胀的岩石和矿物,如组成在流纹岩到安山岩之间的蛋白石质材料和风化变质玻璃体的微晶质材料,对慢膨胀的集料如片麻岩、片(页)岩、杂(硬)砂岩、灰岩、泥质板岩和偏火山岩等则广泛存在漏判错判实例。为克服ASTM C227的局限性,各国研究者围绕快速、可靠、方便、可重复性好等目标对ASTM C227方法进行研究改进,以高温高碱条件下的AAR为基础发展了许多快速方法,AMBT是影响较大的快速方法。

  AMBT采用的水泥、集料级配、灰砂比、试体尺寸和ASTM C227试样制备程序完全相同,只是采用了完全不同的养护制度。即采用五级配集料,配比如表1所示。水泥为高碱波特兰水泥(>0.6%Na2Oeq.),灰砂比(C/S)为1:2.25。流动度为105mm~120mm。试体尺寸25mm×25mm×285mm。 用试体在80℃的1M NaOH溶液中14d 的膨胀值作为评定集料潜在活性的依据。



  该方法首次被Oberhoster 和 Davies 提出后,加拿大[5]率先进行了系统研究,美国[6]澳大利亚[7]等国也进行了大量实验验证和研究工作。加拿大是遭受AAR破坏最严重的国家之一,主要原因是早期集料碱活性检测方法不可靠,导致大量活性集料在各种工程中大量使用,特别是水电工程和交通设施。为建立可靠的集料碱活性检测方法,加拿大标准协会组织成立了碱集料反应分会协调碱集料反应研究工作。从上世纪80年代中期至90年代中期的十年间,政府先后拨款1000多万加元用于AAR检测方法的研究和标准制订。AMBT是当时筛选的主要快速方法。加拿大先后组织多个实验室联合验证,研究结果与工程记录的对比表明,方法对硅质集料尤其是慢膨胀的硅质集料与工程使用记录具有很好的一致性,当时被认为是最精确可靠的,可以代替存在严重缺陷的ASTM C227,于1994年同时被订为美国材料测试协会和加拿大标准协会标准,标准号分别为ASTM C1260[8]和CSA A23.2-25A[9]。
由于各国或地区鉴定集料碱活性方法很多且不尽相同,总部设在法国巴黎的RILEM 1988年成立了一个专门研究AAR和制定相应标准的技术委员会,RILEM Technical Committee 106, 现名为“RILEM Technical Committee TC ARP, Alkali reactivity & Prevention, Assessment, Specification & Diagnosis”,致力于研究和建立国际普遍认可的快速、可靠的集料碱活性检测和预防评估方法。该委员会由英国科学家P.J. Nixon和I.Sims领导,有众多国家的专家参加,目前会员近60名,我们也是成员之一。该委员会通过国际实验室多年共同反复验证现已形成一整套方法。其中AMBT也是推荐方法之一(RILEM AAR-2), 用于集料ASR活性的快速筛选,但同时允许采用不同的试体尺寸[10]。近年来我国电力和交通部门也将快速砂浆棒法列为标准[2,3]。

  根据各自的实践不同地区规定的AMBT判据有些差异。在研究和制定过程中,标准的判据确定始终是一个有争议的问题。HOOTON发现几乎所有引起安省现场混凝土ASR破坏的活性集料14天膨胀值大于0.1%, 但也发现安省西南砾石中的燧石颗粒14天膨胀0.17-0.18%,却具有良好现场记录[11]。硅质灰岩在该方法中的膨胀行为和判据也很复杂,一方面,有些硅质灰岩AMBT膨胀大于0.1%但混凝土棱柱体膨胀小于0.04%,另一方面,许多产于圣劳伦斯低地的硅质灰岩AMBT膨胀小于0.15%但CPT膨胀大于0.04%[12]。 Grattan-Bellew[13]建议不同类型的集料采用不同的判据,如硅质灰岩0.1%,灰岩和泥质灰岩0.2%,其它集料0.15%。

  目前,ASTM C1260和RILEM AAR-2规定14天膨胀率<0.1%为非活性,膨胀率>0.20% 为活性,膨胀率在0.1%~0.20%为潜在活性。CSA A23.2-25A则根据集料岩石类型确定判据。灰岩集料14天膨胀小于0.1%为非活性,其它集料则以14天膨胀0.15%作为活性与否的判据。同时规定该方法可以接受膨胀率小于0.1%的集料,但不能作为拒绝集料的根据,即仅能用于快速筛选集料。该方法结果可疑时,应用混凝土棱柱体法进一步鉴定。

  对研究和使用过程中发现的AMBT误判的集料,标准中也以注释形式指出,如某些14天膨胀小于0.1%的灰岩、花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩及某些层位的POTSDAM砂岩,却引起了现场混凝土破坏。

  值得强调的是,各国在采用AMBT之前,大都进行了大量的验证甚至组织多个实验室联合验证。特别是加拿大还多次召开研讨会组织国内外专家对各种检测方法进行培训和指导,并及时反馈研究和实践结果,确保方法程序的正确和结果精确、稳定。AMBT中从集料样品制备、试体成型到高温、高碱养护测量,环节众多,国外的经验表明这些环节均会不同程度地影响膨胀结果。为减少系统误差和突发因素(如断电、溶液蒸发等)对试验结果的影响及进行不同实验室结果的有效对比,除严格规定各环节的操作规程外,如采用相同规格的养护容器、保证溶液和试体比例,严格控制养护温度等,还规定必须使用标准集料进行平行试验。这种做法也被RILEM采用。目前国际上采用的标准集料是产自加拿大的SPRATT高活性硅质灰岩。国外的这些经验和做法值得我国在研究、制定和应用集料碱活性检测方法时借鉴。

3 快速砂浆棒法在各地的实践

3.1 北美地区(加拿大和美国)

  总的来说,AMBT和ASTM C227相比,在北美具有良好的使用记录和集料适应性。除少数集料,如POTSDAM 砂岩和某些硅质灰岩外,可以正确预测绝大多数集料在混凝土中的膨胀性,但在实践中也逐渐暴露一些问题。DeMerchant等[14]采用岩相法、AMBT和CPT测试的新不伦斯瑞克省23个集料矿源结果表明,以CPT 1年膨胀0.04%为依据,有50%的集料被AMBT误判,其中46%的非活性集料被判为活性集料,漏判了4%集料的碱活性(图1),漏判集料的岩石类型为泥质灰岩、片麻岩和花岗岩。表明对该地区的集料AMBT结果和CPT结果相关性很差,对相当一部分集料偏严格。CPT被认为是判断该地区集料活性的最可靠方法。AMBT的高膨胀可能与该地区的地质特点和集料类型有关。新不伦斯瑞克省位于东北-西南延伸的阿帕拉契亚地层,主要的岩石类型为变质的沉积岩、少数花岗侵出岩及反映岩床岩石类型的天然砾石,其中主要的活性岩石为杂砂岩、片岩和细粒火山岩。AMBT中呈高膨胀的非活性岩石(根据CPT结果)主要是变质的沉积岩。




  加拿大能源与矿物技术中心(CANMET)自1991年以来联合多家工业企业对来自加拿大、美国、挪威、澳大利亚、韩国等多国集料采用混凝土棱柱体法、快速砂浆棒法和室外暴露试验等多种方法进行了碱集料反应试验方法对比研究。部分集料CPT和AMBT实验结果如图2[15]。表明对大多数集料(42/53),AMBT能够判断出是否具有碱活性,但同时误判相当多集料的碱活性(11/53)。其中夸大了三种集料的在混凝土中的膨胀性,有8种活性集料在AMBT中14天膨胀值小于加拿大标准限值0.15%。漏判的8种集料中有灰岩、白云岩和硅质砂岩。




  Marie[16]采用AMBT和CPT对102种不同来源的集料进行了研究,这些集料包括组成上从高纯灰岩和白云岩到含有燧石、页岩、石英颗粒等杂质的各种碳酸盐集料、多种沉积岩和火成岩集料。研究结果(图3)同样显示,集料在图3中A、B、C、D 四个区域均有分布切分布弥散。其中,对17种火成岩和变质岩、14种沉积岩AMBT和CPT一致性较好,组要分布在图中B、C两区。但对相当一部分碳酸盐集料AMBT不能正确评价其在混凝土中的膨胀性(图4),不少集料AMBT14天膨胀0.06%-0.10%,但CPT 1年膨胀大于或远大于0.04%。值得注意的是,即使在AMBT和CPT中结果一致的集料,在两种方法中的膨胀值差别也很大,不同类型的岩石在AMBT和CPT中的膨胀有显著差异,相关性很差。







  美国德克萨斯大学国际集料研究中心(International center for Aggregate Research-ICAR)对部分美国和加拿大集料碱活性的研究同样表明(图5)[17],有相当比例的集料在AMBT和CPT中结果不一致,并有AMBT漏判的情形。AMBT作为筛选集料的快速方法,按标准规定,AMBT膨胀小于0.1%但CPT膨胀大于0.04%的这些漏判集料可能被直接使用于工程。目前正在研究AMBT漏判的集料的岩石类型和矿物组成,试图建立集料矿物组成和在AMBT 和CPT中膨胀行为的关系。




  总之,在北美地区,发现了越来越多AMBT不能正确评估的集料类型,特别是极可能漏检某些类型岩石的碱活性。有些部门开始根据AMBT在当地的实践,采用不同于现有标准规定的判据,对有些集料采用21天甚至28天的膨胀数据作为判断依据,并建议在使用AMBT 和CPT的同时一定要进行岩相检验,并要清楚AMBT可能漏检的岩石类型。

3.2 欧洲RILEM的实验结果

  RILEM混凝土碱集料反应技术委员会在集中世界各国该领域的专家,研究和建立国际广泛认可的碱集料反应系列标准时,也采用快速砂浆棒法(RILEM AAR02)和CPT对欧洲多个国家选送的数十种集料进行了测试[18]。结果表明,以14天膨胀0.1%为限,AMBT可以筛选出大部分的活性集料,同时夸大部分非活性集料的膨胀性。但和CPT膨胀结果的对比显示(图6),集料在不同区域均有分布,表明集料在两种方法中的膨胀结果同样没有明显相关性。





3.3 亚洲地区

  AMBT在亚洲不少国家或地区采用,但应用远不及北美广泛。近来的少数报道也表明,AMBT仍存在上述问题。 LEE[19]对台湾地区22种不同地质来源集料的研究显示(图7),某些变质岩,如石英岩、片岩,在AMBT中膨胀很大,和CPT相比,现行AMBT判据偏严,建议灰色区限值由现在的0.1%-0.2%提高至0.2%-0.4%,即小于0.2%为非活性,大于0.4%为活性。




  日本Hironobu等[20]采用AMBT和化学法及日本砂浆棒法(类似ASTM C227,40×40×160mm试体)的对比研究表明AMBT膨胀与岩石类型密切相关,且受试体尺寸和水泥碱含量影响。AMBT结果对某些日本集料偏严,一些非活性集料在AMBT中被判为有害集料。

  伊朗 Farzad[21]等采用岩相法、AMBT改进的CPT对该国Saymarch大坝拟用的20种天然粗、细集料的研究表明,粗细集料中含有相当比例的活性组分,在CPT中(38℃ 1M NaOH溶液)半年膨胀超过0.04%,但在AMBT中14天膨胀小于0.1%, 延长养护时间至21天,和CPT结果一致性提高。和Marie[16]的结果类似,这些CPT中高膨胀但AMBT中低膨胀的岩石主要是含有燧石或白云石杂质的灰岩。另外有报道AMBT不能正确反映新西兰集料(特别是杂砂岩)的碱活性[22]。

  尽管CPT本身虽然经过多次修订也并非完美,如图8所示仍可能误判或漏判某些集料的碱活性,但可靠性远好于AMBT,而且使用的集料尺寸和配比接近实际混凝土。因此,CPT在国际上被认为是最可靠的碱活性检测方法。加拿大还推荐用CPT结果作为判定集料活性程度和制定预防措施的依据[24],CPT 1年膨胀值超过0.12% 为高活性集料,0.04%-0.12%为中等活性的集料。工程上期望的理想快速方法,不仅应能够判断出集料是否具有碱活性,最好能够预示集料的活性程度,即在混凝土中的膨胀水平。也就是说,快速法中的膨胀值与CPT膨胀值最好有很好的相关性。



  综合世界各国的实践经验,AMBT可以成功筛选出大部分集料的碱活性,但也有很大局限性,有相当一部分通过AMBT的集料在CPT中却表现出膨胀性。按照标准规定,AMBT膨胀小于0.1%的集料可直接使用于工程,这些“异常”集料的直接使用是非常危险的。在AMBT中异常膨胀的集料(和CPT比较)同时包含AMBT偏严和漏判两种情况,偏严的集料主要有变质岩和少数火成岩、变质沉积岩,漏判的集料主要是某些碳酸盐集料、少数花岗岩、花岗闪长岩、片麻岩及某些层位的POTSDAM砂岩。另一方面,各地区的试验结果都显示集料在AMBT和CPT两种方法中的膨胀值没有明显相关性,表明AMBT不能正确预测集料在混凝土中的膨胀水平。

4 AMBT局限性改进措施

  针对AMBT对某些地区和一些岩石类型集料的局限性,我国在“九五”期间结合AMBT和中国压蒸法的试验参数,研究提出了中国快速砂浆棒法(CAMBT),即采用不同于两种方法的40mm×40mm×160mm试体尺寸,集料粒级0.15-0.80mm,水灰比0.32,胶砂比分别为10:1、2:1和1:1,养护条件同AMBT (1M NaOH溶液)。根据对国内部分集料的试验结果,采用与压蒸法和南非快速砂浆棒法相同的0.1%膨胀限值,新方法可能在7d甚至更短的时间内检验出集料的碱硅酸反应活性。
作者采用CAMBT、AMBT对不同国家、不同岩石类型的10种集料的对比研究显示[25],采用单粒级细集料的CAMBT和采用五级配的AMBT相关性较好,这很可能与两种方法中都采用了大量细颗粒集料和相同的养护条件有关。但两者膨胀值与CPT膨胀值的相关性较差。在对比研究集料粒级对ASR膨胀影响的基础上,采用2.5-5.0mm集料粒级的CAMBT可以比现有AMBT更好的反映集料在混凝土中的膨胀行为。图9表明除活性极高的一种集料外(活性组分为反玻化酸性凝灰岩),集料在改进CAMBT和CPT中的膨胀相关性良好。



  进一步采用AMBT和改进CAMBT对40余种世界各地的不同地质类型集料的对比研究表明[26](图10、图11),除少数活性极高的集料外,对AMBT误判的集料和绝大多数活性集料,CAMBT膨胀值和CPT膨胀值有更好的相关性。表明采用2.5-5.0mm粒级的CAMBT不仅能够正确判断集料是否具有碱活性,而且可能较好地反映大多数集料在混凝土中的膨胀水平,即集料的活性程度。AMBT和采用0.15-0.80mm粒级的CAMBT膨胀值与CPT相关性差的原因可能与试体中使用的大量细颗粒有关,对某些集料、特别是AMBT漏判的某些花岗岩、片麻岩和某些硅质灰岩和硅质砂岩,过细的颗粒尺寸不能反映集料的原有岩石结构特征。采用较粗的颗粒尺寸,如2.5-5.0mm,则可以更好地代表集料原有岩石结构特征。根据试体在碱溶液中的质量变化,少数高活性集料在改进CAMBT中的低膨胀可能与高活性组分快速与碱反应生成的低粘度ASR产物向溶液中溶失有关。

  集料的微观结构特征和集料在AMBT、CAMBT等方法中膨胀性能之间的关系正在进一步研究,以期建立集料的微观结构与碱活性快速检测方法适应性关系。



5 结论

  集料碱活性判定结果的可靠性,依赖于对方法的正确理解和选择。所有的实验室检测方法,包括CPT都是加速反应的方法,不能完全反映现场混凝土的实际情况,对集料采用多种方法进行综合判定是最可靠的途径。当不同方法出现相反的结果时,应该重点考虑CPT的结果。

  快速砂浆棒法检测集料碱活性具有明显的岩石和地域局限性,对某些种类的变质岩和火成岩可能夸大其危害性,同时可能低估某些碳酸盐、花岗岩、片麻岩和硅石砂岩集料的碱活性。和混凝土棱柱体法膨胀结果相比,快速砂浆棒法膨胀结果不能反映集料在混凝土中的膨胀水平,不宜用于集料活性程度的判定。初步试验结果表明,采用能够保持岩石原有结构构造特征颗粒尺寸的中国快速砂浆棒法可以比现有快速砂浆棒法更好地预测集料在混凝土中的膨胀水平,特别是对快速砂浆棒法易于误判的集料类型。

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    收录时间:2016年11月10日 07:59:45 来源:中国混凝土网 作者:卢都友,许仲梓,吕忆
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