一种用于评定矿物掺和料抑制ASR有效性的试验方法

朱安磊，李固华，潘绍伟，李远富，桂景旺，何晓春

（1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031;2.中铁五局（集团）有限公司，贵州贵阳 550003）

一种用于评定矿物掺和料抑制ASR有效性的试验方法

朱安磊1，李固华1，潘绍伟1，李远富1，桂景旺2，何晓春2

（1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031;2.中铁五局（集团）有限公司，贵州贵阳 550003）

提出了一种用于评定矿物掺合料抑制ASR有效性的试验方法，该方法基于快速砂浆法，改进了试验的养护条件，对板岩骨料和1%玻璃模拟活性骨料进行了抑制试验研究，并与快速砂浆棒法试验结果进行了对比分析。结果表明:该方法能够反映出粉煤灰对ASR的抑制规律，2种方法最终判定结果相关性良好，可作为一种评定矿物掺合料抑制ASR有效性的试验方法。

ASR;抑制;试验方法;改进法

碱-骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）是指混凝土中的碱和骨料中的活性成分发生反应，引起混凝土的膨胀和开裂，这种破坏一旦发生便难以阻止，更不易修补及更换，被称为混凝土的“癌症”。按反应类型的不同又可分为碱-硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，ASR）和碱-碳酸反应（Alkali-Carbonate Reaction，ACR）［1-2］。

在混凝土中掺入一定量矿物掺合料是抑制ASR最经济安全的工程措施之一，用于评定矿物掺合料抑制ASR有效性的试验方法基本上都是以骨料碱活性检测方法作为基础，适当进行一些改进。早期评定矿物掺合料抑制ASR有效性的ASTM C441方法［3］以硬质玻璃作为标准骨料来评定抑制的有效性，由于该方法采用的骨料与天然骨料存在较大差异，而受到一些研究人员的质疑［4-7］。快速砂浆棒法［8-11］是目前应用最为广泛的方法，按照试件尺寸及配合比的不同又可分为25 mm×25 mm×280 mm 砂浆棒试件［12］和40 mm ×40 mm ×160 mm小混凝土柱［13］两种，两者养护条件均为80℃的1mol/NaOH溶液。混凝土棱柱体法［14］起初用于检测骨料的碱活性，该方法既可检测骨料的ASR活性，又可用于检测骨料的ACR活性，该方法也可用于评价矿物掺合料的抑制能力，但由于该方法评定抑制有效性时试验周期长达2年，一些研究人员将其养护温度从38℃提高到60℃进行了加速，将试验周期压缩至6个月［15-16］。唐明述院士最早采用压蒸法来判定骨料的碱活性以及用来评价矿物掺合料的抑制能力［17］，法国在此基础上采用150℃的模拟碱溶液中压蒸48 h以此评价矿物掺合料的抑制能力［18］，模拟溶液的浓度依据水灰比和试件中的有效碱含量来确定。除此之外，一些研究人员对ASTM C289［19］（化学法）进行了一些改进来评定矿物掺合料抑制ASR能力［20-21］。纵观这些方法基本上都采用高碱溶液作为试件的养护溶液，随着龄期的增加溶液中的碱存在向试件内部不断渗透的趋势，这种高碱浓度的养护条件无疑增加了试件中的碱含量，且养护时间越长增加的碱含量越多，与实际现场存在较大的差距，并且室内的试验结果相对波动性大。

一些研究人员［22］曾指出目前的这种高温高碱的加速试验方法只能在一定条件下评定矿物掺合料抑制ASR有效性的优劣，或是在最为严酷的条件下抑制ASR所需矿物掺合料的最小掺量，因此探寻一条快速、简便、安全、有效的试验方法是各国研究人员共同关注的一个方向。

笔者在快速砂浆棒法的基础上提出了一种用于评价矿物掺合料抑制ASR有效性的试验方法（以下简称改进法），该方法采用一种固定的碱含量，在80℃的湿气中养护，杜绝了外部碱向试件内部的迁移，同时又保证试件养护的温度与湿度，与现行的各方法相比更接近于工程具体条件。采用不同掺量的粉煤灰，不同的碱含量，以板岩骨料和1%玻璃模拟骨料进行粉煤灰抑制试验，并与快速砂浆棒法的试验结果进行了验证及对比分析。

1 试验用原材料及仪器设备简介

1.1 试验用原材料

1）骨料:板岩骨料，具有典型的ASR活性，砂浆棒法试验14天膨胀量0.29%，活性成分主要为微晶质至隐晶质石英，含量约为3% ～15%，岩相分析图片见图1。掺入1%硬质玻璃的ISO标准石英砂模拟活性骨料，以下简称1%玻璃模拟骨料。

图1 板岩骨料的岩相分析图片Fig.1 Petrographic examination of slate aggregate

2）水泥:海螺牌 P.O42.5普通硅酸盐水泥，化学成分见表1。

表1 试验用水泥、粉煤灰化学成分Tab.1 Chemical compositions of cement and fly ash /%

3）粉煤灰:国电贵州凯里电厂生产的华明牌Ⅰ级粉煤灰，化学成分见表1。

4）NaOH:分析纯。

1.2 试验用仪器设备

骨料破碎及试件成型所用试验器材均同快速砂浆棒法［12］所用试验仪器设备，试件养护设备为80℃水浴养护箱，试件养护筒及支架，聚乙烯塑料薄膜，毛巾，配重用混凝土试块，整套养护设备见图2。

图2 改进法养护及测长试验设备Fig.2 Storage and equipment of modified method

2 改进法试验方法介绍

2.1 试件制作

骨料破碎、级配、试验配合比以及试件制作过程均与快速砂浆棒法［12］相同。当测量碱活性时，水泥碱含量调整至0.8%，当评定抑制有效性时，水泥碱含量调整至1.5%。

2.2 试件预养护

试件成型24 h后拆模按序放入养护桶内，试件下部应放有一定量的水，并保证不与试件接触，将试件放入养护筒内后，用聚乙烯塑料薄膜及湿布盖住筒口，加盖后将养护筒放入80℃水浴养护箱内。

2.3 测量试件基准长度

待试件养护24 h后，将试件从养护箱内取出放在托盘上，并立即用湿毛巾覆盖，将托盘放入（20±1）℃、相对湿度大于95%的恒温恒湿养护箱内，放置（较低温度养护）24 h。从养护箱内取出试件，测量其长度，该长度作为试件的基准长度，测量前用干净的湿毛巾将试件表面及测头擦干净以免影响测量的准确性。

2.4 试件的养护及测长

测量完试件基长后，按照上述2.2的操作方法将试件放入养护箱养护，每次测量完毕后应将试件调整方向后放入养护桶内。待试件养护至3，7，14，21，28 d后按照上述2.3的操作方法测量试件的长度。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果（图3～图9）

图3 不同碱含量下骨科的ASR膨胀率Fig.3 ASR expansion raion of aggreates in different alkali content

3.2 结果分析

3.2.1 不同碱含量对改进法试验结果的影响

从图3（a）、（b）中可以看出，改进法下两种骨料的膨胀率随着碱含量的增加都有增大的规律，对试验结果进行拟合见图10，可以看出两种骨料的ASR膨胀率与碱含量基本呈线性规律，拟合直线的斜率相差较大反映出两种骨料对碱的敏感程度不同，当碱含量小于0.8%时，板岩骨料ASR膨胀率非常小，而此时1%玻璃模拟骨料却有比较大的膨胀率。笔者认为其主要原因有2个:①1%玻璃模拟骨料和板岩骨料在活性矿物的分布情况完全不同，模拟骨料的活性成分在试件中的分布相对天然骨料比较集中，与碱发生反应生成的凝胶产物比较集中，在胶凝产物总量相等的条件下更容易造成比较宏观的膨胀;②模拟骨料的活性成分量小于天然骨料，这样在相同碱含量的情况下，模拟骨料的活性成分与碱含量的比值小于天然骨料，即使在碱含量相对较低的情况下也易诱发ASR的发生。

2）两种试验方法下试件膨胀趋势特性

从图4（a）与图4（b）的对比和图5（a）与图5（b）的对比中，发现随着反应的进行，改进法试件在28天后的膨胀率均逐渐趋于缓和，即膨胀率的增长率逐渐趋于零。而在快速砂浆棒法中，掺入粉煤灰以后早期膨胀率的增加不明显，随着养护龄期的增加试件的膨胀率有一定的加快趋势，且粉煤灰掺量越大，膨胀率开始加快的起点越晚，例如在图5（b）中，当掺量为15%、20%时膨胀率的增长在3天后即开始加快，当掺量为25%、30%时膨胀率的增长在7天后开始加快，而当掺量为35%时膨胀率的增长在14天后开始加快。对于测量精度或测量控制来讲，改进法28天时数据稳定，相对的误差减少。

3）与快速砂浆棒法试验结果的比较

从图6与图8可以看出，2种方法下两种骨料的膨胀率不同，改进法的试件膨胀率均小于快速砂浆棒法的试件膨胀率;同时还可以看出改进法的抑制率略大于快速砂浆棒法见图7和图9。其主要原因在于，在快速砂浆棒法的养护条件下，随着反应的进行，试件外部的碱不可避免的向试件内部渗透，改进法不存在碱的入侵问题，而且改进法的试件养护湿度小于快速砂浆棒法。

图10是不同碱含量下骨料的膨胀率。

图10 不同碱含量下两种骨料的84天试验膨胀率Fig.10 84 d test results of the two kinds of aggregate in different alkali content

4 改进法试验方法的可行性分析

4.1 改进法养护条件的验证

从以上试验的对比分析可以看出改进法能反映出矿物掺合料对ASR的抑制规律，该方法在一定养护龄期后，所有试件的膨胀率的增长基本都趋于零，而在快速砂浆棒中即使试件养护了很长龄期，部分试件的膨胀率依然有增加的趋势。产生这种现象的原因是由于改进法试验方法的养护湿度达不到ASR发生的条件还是由于改进法试件内的碱随着ASR的进行已经被消耗至一定浓度以下而达不到ASR发生的条件呢?笔者对此进行了以下试验，解决这个疑问同时也验证一下改进法的养护条件。

在碱含量对ASR膨胀率影响的8组试验中，这几组试件的膨胀率从28～84天的养护期间内基本没有增加的趋势，84天以后选取几组比较典型的试件放入80℃的水中进行预养护，1天后测量试件的基准长度，然后将每组3根试件分成两组，其中一根放入80℃的水中养护，另外两根放入80℃的1 mol/L的碱溶液中进行养护，等待养护龄期分别达到3，7，14，28天后测量试件长度，并计算出试件的膨胀率。

从图11中可以看出，放入80℃水中的4组试件继续养护28天后试件的膨胀率基本为0，而放入80℃碱溶液养护的4组试件都有比较宏观的膨胀，28天膨胀率均超过了0.2%，因此可以断定改进法中一定龄期后试件的膨胀率收敛的主要原因是由于试件内碱含量的降低，而并非试件的养护湿度达不到ASR继续发生所需要的湿度条件，同时也可以看出快速砂浆棒法养护溶液中的碱对ASR的膨胀率的贡献。

图11 继续养护的改进法84天试件的膨胀率Fig.11 Result of continued curing test after 84d modified method test

4.2 改进法试验结果的判定

从以上的对比分析中可以看出，改进法能明显辨别出不同掺量的粉煤灰对ASR的抑制效果，由于改进法不受外来碱的影响，同一配合比下试件膨胀率小于快速砂浆棒法的试验结果，同一配合比下ASR的抑制率相差不大，结合板岩、1%玻璃模拟骨料这两种骨料的试验对比结果，建议28天膨胀率为0.05%时抑制率达到75%则判定为抑制措施有效，与快速砂浆棒法抑制措施有效判据相对应。表2为两种试验判定结果的相关性，最大误差为1.3%，能够满足工程精度需要。

表2 两种试验方法判定标准所需粉煤灰掺量的相关性Tab.2 Relationship between the required quantity of fly ash by the two methods /%

4.3 改进法的特点

改进法与其他方法相比优点主要表现在以下几个方面:

1）不受外来碱的干扰，碱环境条件比较接近于具体工程。试验结果更具科学性。

2）试件成型时用水量易于控制，采用碱溶液养护的试件，由于存在外来碱的入侵，试件的密实程度影响碱的扩散速度，而且每次试验往往经多次试拌才能确定最终用水量。改进法不存在外来碱的入侵问题，因此试验可以使用比较固定的用水量标准。

3）恒温测量，可以保证测量精度。

另外，使用改进法也应注意由于每次测量时试件在外部暴露时间比较长，在此过程中水分易于挥发，这时应将试件连同托盘放置于恒温恒湿的恒温箱内，以免影响试验结果。

5 结论

1）采用该方法对板岩和1%玻璃模拟活性骨料在不同碱含量下进行ASR试验，结果显示对这两种骨料ASR膨胀率与碱含量在一定范围内基本呈线性关系，ASR膨胀率随着碱含量的增加而增加。

2）一定量玻璃的模拟活性骨料与天然骨料两者的ASR膨胀特性存在差异，主要表现为随着碱含量增加ASR膨胀率的增加速度不同，以及两种骨料在该方法下激发ASR膨胀所需的最低碱含量不同。

3）试验证明改进法能够反映出粉煤灰对ASR抑制规律，可以作为研究矿物掺合料抑制ASR有效性的一种试验方法。

4）两种骨料进行的抑制试验结果显示，改进法采用28天膨胀量为0.05%或抑制率达到75%的判定标准与快速砂浆棒法判定结论相关性良好。

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Way to Evaluate the Effectiveness of Mineral Admixtures in Suppressing Alkali-Silica Reaction

ZHU An-lei1，LI Gu-hua1，PAN Shao-wei1，LI Yuan-fu1，GUI Jing-wang2，HE Xiao-chun2
（1 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;
2 China Railway No.5 Engineering Group Co.，Ltd.，Guiyang 550003，Guizhou，China）

A method to assess the effectiveness of mineral admixtures in suppressing the alkali-silica reaction was presented.Based on accelerated mortar bar test，the method improve the storage condition of this test.Modified test was applied in suppressing the alkali-silica reaction of slate aggregate and 1%pyrex glass aggregate，and the result was compared with that of accelerated mortar bar test.The results confirmed modified method could reflect the rule of fly ash in suppressing the alkali-silica reaction.The final conclusion of the two methods for the two aggregates was similar，which could be used to assess the effectiveness of mineral admixtures in suppressing alkali-silica reaction.

ASR;inhibition;suppressing ASR test;modified method

TU528.1

A

1674-0696（2011）05-0952-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.015

2011-05-18;

2011-06-07

贵州省重大科技专项计划项目（20106005）

朱安磊（1984-），男，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为混凝土结构安全与耐久性。E-mail:zalcn@sohu.com。