混凝土堿-硅酸反應的評價方法

吳 航，楊文炳

(貴州省公路工程集團有限公司，貴陽 550001)

堿骨料反應由于其特殊的反應機制，在砂漿或混凝土中一旦出現，將難以被抑制、補救，其中堿-硅酸反應(Alkali-Silica Reaction，ASR)是堿骨料反應中最為常見的一類。目前國內外有較多規范、標準針對不同場合下的砂漿、混凝土堿骨料反應的評價方法進行了規定。經過多年的發展，混凝土組成、種類、用途日益廣泛，不同混凝土細分行業甚至發展出與普通混凝土差異較大的“專用混凝土”。因此，基于普通混凝土成分、特征建立起來的評價方法面臨著越來越多的挑戰。該文在總結堿骨料評價方法的基礎上，進一步歸納預防和控制混凝土堿-硅酸反應的一些建議。

1 測試手段

骨料的堿活性檢測是防止新建混凝土結構發生ASR破壞的重要手段，目前應用較多的檢測手段有巖相法、快速砂漿棒法、混凝土棱柱體法、蒸壓法。國內各行業關于這些方法的規范、標準主要有《預防混凝土堿骨料反應技術規范》GB/T50733—2011、《建筑用砂》GB14684—2011、《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52—2006、《公路工程集料試驗規程》JTG E42—2005、《水工混凝土試驗規程》SL352—2006、《水工混凝土砂石骨料試驗規程》DL/T5151—2014和《鐵路混凝土用骨料堿活性試驗方法-快速砂漿棒法》TB/T2922.5—2002，以下對各類方法基本操作進行介紹。

1.1 巖相法

美國標準ASTM C295對巖相法做出了規定，歐洲RILEM AAR-1、英國BS 812:Part 104和我國GB/T 14685同樣采納了該方法。巖相法基于光性礦物學理論，把骨料磨制成薄片，在偏光顯微鏡下鑒定巖相種類、礦物組成及其含量和礦物結晶程度等來判斷骨料堿活性的大小，根據骨料中活性組分的類型將ASR分為早(快)膨脹型ASR和慢膨脹型ASR。同時該方法還可借助掃描電鏡、X射線衍射分析、差熱分析和紅外光譜分析等手段進行綜合評判。巖相法操作簡單，試驗速度快，適用范圍廣，可直接觀察到骨料中的活性組分，但是對操作員熟練度要求高，無法得到活性組分與膨脹率的定量關系。作為骨料堿活性鑒定的首選方法，其鑒定結果對進一步選擇適合的測試方法具有重要的指導作用。

1.2 化學法

化學法(ASTM C289)的測試思路為:對骨料粒徑進行類別劃分，測試不同粒徑的骨料與1 mol/L的NaOH溶液在(80±1)℃條件下反應24 h后SiO2溶出濃度Sc及溶液堿度降低值Rc，如果Sc>Rc>70 mmol/L或者Rc<70 mmol/L，Sc>35+Rc/2，則認為骨料具有潛在活性，需要進一步做砂漿棒試驗。化學法操作簡單，反應時間短(24 h)，但只能反應硅質骨料與堿發生化學反應的能力，適用于評價高堿條件下快速膨脹的骨料，只作為對骨料的活性程度判斷的補充依據，有逐漸被淘汰的趨勢。

1.3 棱柱體法

混凝土棱柱體法(GB/T 50082)通過測量75 mm×75 mm×275 mm混凝土棱柱體試件長度的變化來反映骨料堿活性大小。樣品的制備采用堿含量高達(0.9±0.1)%的硅酸鹽水泥，在拌合水中加入NaOH溶液調配水泥漿體堿含量為1.25%；水泥用量為420 kg/m3，粗骨料與細骨料質量比為6∶4，水灰比為0.42～0.45。如果評定的骨料是粗骨料，則細骨料在快速砂漿棒法測定下的14 d膨脹率小于0.1%；如果評定的是細骨料，則要求粗骨料在快速砂漿棒法測試下的14 d膨脹率小于0.1%；如果工程用的粗細骨料均來自同種巖石，則要求試驗中的粗細骨料均來自該巖石；所用粗骨料級配要求20～14 mm、14～10 mm和10～5 mm骨料各占1/3。試件成型后，在(20±2)℃和相對濕度大于95%的環境下養護(24±0.5)h并脫模、測試長度(此為基準長度)，之后置于(38±2)℃的養護室中養護1周、2周、4周、8周、13周、18周、26周、39周和52周。當試件1年膨脹率超過0.04%，則判定為活性骨料。該方法采用混凝土試件，更接近實際工程情況，受水泥堿含量、試件尺寸影響不明顯，目前被認為是最可靠骨料堿活性評價方法，如果各種方法評價結果出現矛盾，以棱柱體法為依據[1]。但試驗周期偏長，不能滿足工期緊張的工程骨料質量控制。

1.4 砂漿棒法

砂漿棒法(ASTM C227)通過直接測量砂漿長度以反映骨料與堿作用所產生的膨脹率大小，是檢測骨料堿活性的經典方法，但測試周期長達3～6個月，遭到國際許多專家質疑，在歐洲、加拿大等國已被淘汰，國內各行業標準尚在沿用。基于砂漿棒法(ASTM C227)發展起來的快速砂漿棒法(ASTM C1260)是一種加速實驗方法，又稱南非法(NBRI法)，在各國應用最廣(歐洲RILEM AAR-2、英國DD 249:1999、加拿大CSA A23.2-25A和我國GB/T 14685)。該方法使用堿含量大于0.8%的高堿波特蘭水泥和滿足規定級配骨料按照1∶2.25灰砂質量比和0.47水灰比，制備流動度為105～120 mm的25 mm×25 mm×285 mm砂漿棒樣品，先置于80 ℃恒溫水槽中水浴24 h，再浸入1 mol/L的NaOH溶液在80 ℃恒溫條件下養護。快速砂漿棒法評定標準為14 d膨脹率小于0.1%，骨料無害；膨脹率大于0.2%，具有潛在有害堿活性；膨脹率在0.1%和0.2%之間為可疑骨料，應用砂漿棒法進一步鑒定。總而言之，快速砂漿棒法試驗周期大幅縮短，操作性強，測試精度高，但由于養護溫度高，堿溶液濃度高，測試結果偏大，可作為篩選硅質骨料的強有力工具，不可作為拒絕骨料的依據。

1.5 蒸壓法

蒸壓法(中國CECS 48:93、歐洲RILEM AAR-4)采用經NaOH溶液調整堿含量的硅酸鹽水泥、0.63～0.16 mm骨料按照0.3水灰比制備成灰砂比分別為10∶1、5∶1、2∶1的10 mm×10 mm×40 mm樣品，先置于(20±2)℃、相對濕度大于95%的環境養護24 h再拆模、記錄長度，此后將試件分開置于100 ℃蒸養4 h然后冷卻，然后將試件浸入250 mL預先配制好的高濃度KOH溶液，在150 ℃環境下密封壓蒸360 min，最后冷卻、沖洗，在室溫下放置60 min，測量長度。三個灰砂比中最大膨脹值若大于0.1%，則可將骨料評判為活性骨料，否則為非活性骨料。該方法周期短，適用于堿硅酸活性骨料。

2 混凝土堿-硅酸反應評價方法的不足

2.1 快速法和棱柱體法之間相關性較弱

如前文所言，如果快速砂漿棒法與棱柱體法出現矛盾，以后者為準。對于不做前期充分論證的一般規模工程，在施工前僅預計采用快速砂漿棒法進行14～28 d的快速檢測，同時使用混凝土棱柱體法進行1～2年的長期觀測，這種組合預防方法有其優越性，但存在快速砂漿棒法判定合格而后混凝土棱柱體法判定不合格的情況，如此將導致前者檢驗合格但不敢用，若一開始便使用后者會造成時間成本過高而耽誤工期，最終兩種測試方法都無法發揮作用[2]。快速檢測法如快速砂漿棒法和蒸壓法采用高溫和高堿條件，不同點在于試件的組成和骨料的級配，主要用于快速判斷骨料在混凝土中是否具有潛在堿活性，其準確性很大程度上和混凝土棱柱體法的判定結果相關。盧都友等[3]對比國內外11種骨料的膨脹行為，認為骨料在壓蒸法中的膨脹率和在混凝土棱柱體中沒有明顯的相關性；對于粒徑為0.15～0.80 mm的骨料，快速砂漿棒法的數據與混凝土棱柱體法的相關性R2僅為0.33，當粒徑為1.25～5.0 mm時，兩者的相關性可達到0.75，但膨脹率數據相差仍較大，因為快速法的測試條件(試件成分、養護環境和時間等)與混凝土棱柱體法顯著不同，故認為現有快速檢測法難以很好地表征骨料在混凝土中的堿活性程度。王航[4]在評價粉煤灰、礦渣微粉對堿骨料反應的抑制作用時，發現快速砂漿棒法和棱柱體法的結果相差較大，粉煤灰單摻或與礦渣微粉復摻情況下，快速法檢測到的抑制效果高于棱柱體法。這些對比性試驗結果說明快速法與慢速法相關性較差，應當從可靠性較高的混凝土棱柱體法出發，從原材料、試驗環境等方面制定與棱柱體法更加協調的加速方法，以確保工程上能放心使用快速法代替慢速法來科學預防堿骨料反應。

2.2 單一方法難以準確評價

盡管國內外已經對ASR測試方法進行了大量研究，但目前尚未制定一個普適性方法，因為ASR受骨料類型、分布地域等影響，每種方法均有其使用局限，難于對所有骨料均能做出準確的評價。因此，只有綜合使用多種方法才能對復雜多樣的骨料堿活性做出較為中肯的判定。比如首先使用巖相分析法劃分骨料類型，為明確進一步的測試方案提供依據；快速砂漿棒法可在短時間內判定骨料的堿活性，若認為結果與工程數據有偏差，可進一步采用慢速方法(如棱柱體法)進行驗證。對于重大工程項目，可以對使用試驗骨料建成的當地5年、10年或20年服役期的混凝土建筑物作取芯分析，以佐證試驗室數據。劉晨霞等[5]采用巖相法檢測某水電工程骨料堿活性，發現存在隱晶狀石英和隱晶狀玻璃質活性物質，然后將該骨料制備成砂漿做快速砂漿棒法試驗，認為具有潛在活性，最后結合混凝土棱柱體法試驗判定骨料屬于后期膨脹較快的骨料。蔣正武等[6]對貴州不同出處淺變質巖骨料堿活性進行測試時，先進行巖相分析，然后再結合快速砂漿棒法進行綜合評定。結合當前研究[2,7-11]可知，使用多種測試方法來排除工程中潛在的堿骨料膨脹風險已逐漸取得共識。

2.3 快速法條件過于苛刻

快速砂漿棒法的試驗條件比較極端[12]，某些被慢速法判定為非活性的骨料會因其苛刻的條件而呈現出堿活性，進而產生較大的膨脹率，可見快速砂漿棒法得出的結論可能偏于安全；而壓蒸法則要求將試件浸泡于150 ℃，高濃度的KOH溶液，如此極端的環境在實際工程中較為少見，其堿骨料發生的機理可能與真實情況下有所區別。有研究認為[13]，如果采用快速砂漿棒法測試慢膨脹型硅質骨料的堿活性，得出的結論與實際工程使用記錄具有良好的一致性。

2.4 對試樣配合比要求過于固定

我國標準GB/T 50082中的混凝土棱柱體法規定如果工程用的骨料為同一品種的材料，則試驗用該粗、細骨料來評價活性。張勇等[14]使用快速砂漿棒法和混凝土棱柱體法對3種骨料進行堿活性評價后，發現相對于粗骨料試樣+非活性細骨料、細骨料試樣+非活性粗骨料的骨料組合，粗細骨料均為骨料試樣的組合活性成分更高，以致快速砂漿棒法和混凝土棱柱體法的評價結果出現矛盾。對比各種方法的試樣可發現，多數測試手段均采用相對固定的原材料種類或配合比，實際混凝土中骨料級配和粒徑、膠凝材料體系、水膠比、外加劑品種和摻量等復雜多變，在多種因素耦合影響下，現有測試方法能否做出合理判定仍需進一步研究。

2.5 在水工混凝土適用性不足

在水利工程領域，混凝土構件尺寸往往較大，混凝土內部的堿滲出表面的難度相對高，而混凝土棱柱體法的試件尺寸是75 mm×75 mm×275 mm，較小的截面面積使得堿物質容易往表面遷移，以至于內部堿含量逐漸降低，最終測出來的試件膨脹率偏低。如果澆筑大尺寸混凝土塊或者做足尺試件，雖然吻合真實情況，但堿骨料反應過慢，測試時間成本較高。王愛勤等[15]認為水工混凝土所用骨料粒徑較大，混凝土強度等級較普通混凝土低，膠材用量少，長期處于潮濕環境，以及設計使用年限長，所以水工混凝土和普通混凝土存在相當大的差異，這些差異影響水工混凝土堿骨料反應的膨脹行為，用于評價普通混凝土骨料堿活性的方法和判據、混凝土安全堿含量等控制指標是否能用于差別較大的水工混凝土，仍值得深入研究。近年來，蔡躍波等[16]通過大量的試驗，基于原材料、配合比、試件尺寸、測試環境等方面總結出了成套適用于水工混凝土堿骨料反應評價的方法。此外，公路混凝土長期處于干濕循環、凍融循環、車輛動荷載等多重因素共同作用下，而且公路工程常常就地取材，沿路骨料種類復雜多變，來源廣泛，性質各異，其骨料堿活性評判標準應當比其他工程更加嚴格[17]，可見對于可能與普通混凝土差別較大的機場跑道、港口、公路水泥混凝土，是否需要均制定專用的堿骨料評價方法、安全堿含量等指標仍需進一步探討。

3 結 論

目前存在的堿-硅酸測試方法存在快速砂漿棒法和混凝土棱柱體法相關性較弱、單一方法難以準確評價、快速法條件過于苛刻、對試樣配合比要求過于固定、在水工混凝土適用性不足等問題，需要大量試驗來調整評價試驗操作步驟或指標數值，或者針對不同行業特點制定專用的評價方法，在確保混凝土工程安全耐久的同時，應謹防對堿-硅酸反應危害過度重視而帶來不必要的工程成本。