集料碱活性快速砂浆棒法自动测试仪的应用研究

罗 维

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

碱集料反应是指砂、石集料与水泥中的碱性物质发生化学反应，导致混凝土结构开裂、破坏。碱集料反应按照集料矿物成分可分为碱—硅酸反应(Alkali-Silicate Reaction，简称ASR)和碱—碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR)两大类[1-3]。在已发生碱集料反应破坏的混凝土工程中，由碱—硅酸反应导致混凝土破坏的工程案例占绝大多数[4-7]。分析碱—硅酸反应破坏的案例可以发现，碱—硅酸反应具有反应过程慢、不易被发现、分部范围广且难以修复等特点，碱—硅酸反应破坏已经成为全球性灾害问题。随着我国基础建设规模日益扩大，天然砂等资源大量消耗，硅质类机制砂被广泛应用于混凝土工程中，这极大地增加了碱—硅酸反应发生的概率。防治碱—硅酸反应破坏成为了各国学者[8-11]的主要研究方向，评定集料是否具有潜在碱活性是防治碱—硅酸反应破坏至关重要的环节。

碱—硅酸反应的检测方法有岩相法、砂浆棒法、快速砂浆棒法、混凝土棱柱法等[4]。在碱—硅酸反应的检测过程中，岩相法是必选的方法，它为后续的检测方法提供了指导依据。首先用岩相法确定集料是否含易发生碱—硅酸反应的矿物，如微晶石英、火山玻璃、燧石、蛋白石等，再利用碱—硅酸反应的检测方法确定集料是否具有碱活性。快速砂浆棒法具有试验周期短、结果可靠等特点被广泛应用于混凝土工程中，但其测量均为人工测量，没有自动测量的设备，且存在两方面问题：

1)集数据时需将试件从溶液中取出擦干表面短时间内进行测量(15 s±5 s)，难以实现对温度的精准控制；

2)数据测量靠人工完成，效率较低，设备自动化程度较低。

高峰等[12]学者针对碱—碳酸盐反应中岩石柱法存在的问题，研发了岩石柱法自动测试仪，本文在此基础上研发了快速砂浆棒法碱活性自动测试仪。该装置集成了数据采集系统和温控系统，实现数据在养护条件下直接采集的效果，使数据的结果更加合理、准确，且提高了工作效率。

1 样品准备

样品中含有微晶石英、火山玻璃、燧石、蛋白石等活性二氧化硅矿物是产生ASR反应的必要条件，为此本项目采用岩相法对10集料进行岩性分析，其岩性及主要矿物如表1所示。

表1 样品偏光鉴定结果

2 试验方法及数据采集

2.1 试验方法

本文按照TB/T 3275—2011中砂浆棒制样的要求，将粗骨料试样全部破碎至5 mm以下；对细骨料，将大于5 mm的部分碎至5 mm以下，再与小于5 mm的部分混合。破碎集料各粒级的质量如表2所示。

表2 碱集料反应用破碎集料各粒级的质量

水泥采用碱含量大于0.8%的42.5级硅酸盐水泥。水泥重量为400 g、骨料重量900 g、需水量188 mL，将每种试样分别制备成3个规格为25 mm×25 mm×280 mm的砂浆试件。试件成型后，在标准养护室放置(24±2)h后脱模，测量其基准长度，之后将试件放置在80 ℃，1 mol/L的氢氧化钠溶液中进行养护，在(20±2)℃的环境温度下，测得试件在3 d，7 d，10 d，14 d的长度。

2.2 数据采集

在试验过程中，利用人工测量和自动测量两种方式来采集数据，人工测量主要是通过比长仪来测量读数，比长仪由百分表和支架构成，如图1所示；自动测量由研发的自动测试仪自主采集数据，测试仪主要由内部的位移采集装置、温度控制系统及外部的液体收集箱组成，如图2所示。

3 试验方案及结果分析

3.1 试验方案

为了验证自动测试仪的可行性，本文对试件数据进行横向对比和纵向对比。在横向对比过程中，选取了表1中S1及S2两种集料进行快速砂浆棒法检测，通过人工测量和自动测量得到砂浆棒试件的数据，分析其同组间三个试件的试验结果。在纵向对比过程中，选取了表1中S1～S10集料进行快速砂浆棒法检测，通过人工测量和自动测量得到每种集料砂浆棒试件的数据，分析10种不同集料的试验结果。

3.2 试验结果及分析

进行横向比较时，其试验结如图3～图6所示，纵向对比的试验结果如图7,图8所示。

由图3得出，同一组试件，人工测量的结果显示其膨胀量随着时间的变化而表现出的规律相对杂乱，三个试件的测量数据波动较为明显，结果吻合度低。由图4得出，采用自动测量时，同组集料的3个试件在试验周期内，其膨胀规律是大致相同的，三条曲线的变化趋势也是基本吻合。对比图5，图6可以发现，对于泥质板岩而言，也呈现类似的数据规律。由此可知，在同组试样的对比结果中，人工测量的结果可靠性低、离散性大、稳定性低，而自动测量的结果明显可靠性高、离散性小，稳定性高。

由图7可知，对于这10种样品，当采用人工测量时，其膨胀量随着时间的变化而呈现出不规则的上升规律，且膨胀量随龄期的变化上下波动较为明显，其测试结果显然与理论值有较大差距。其中，集料S3和S6的膨胀量出现了负增长，分析得出是由试件曝露在空气中时间过长和人为误差导致。由图8可以看出，当对10种样品采用自动测量时，其膨胀量随时间的增加而先增加后趋于稳定，各组试件的膨胀量可以呈现出规则的上升规律，这样的测量结果显然与理论值更为接近。

4 结论

由上述分析可知：采用传统的人工测量存在数据离散性大、稳定性低等问题。本文提出的自动测试装置能够有效地解决数据离散性大、稳定性低的问题，是一种可行有效的测试方法。