混凝土碱-硅酸反应的评价方法

吴 航，杨文炳

(贵州省公路工程集团有限公司，贵阳 550001)

碱骨料反应由于其特殊的反应机制，在砂浆或混凝土中一旦出现，将难以被抑制、补救，其中碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction，ASR)是碱骨料反应中最为常见的一类。目前国内外有较多规范、标准针对不同场合下的砂浆、混凝土碱骨料反应的评价方法进行了规定。经过多年的发展，混凝土组成、种类、用途日益广泛，不同混凝土细分行业甚至发展出与普通混凝土差异较大的“专用混凝土”。因此，基于普通混凝土成分、特征建立起来的评价方法面临着越来越多的挑战。该文在总结碱骨料评价方法的基础上，进一步归纳预防和控制混凝土碱-硅酸反应的一些建议。

1 测试手段

骨料的碱活性检测是防止新建混凝土结构发生ASR破坏的重要手段，目前应用较多的检测手段有岩相法、快速砂浆棒法、混凝土棱柱体法、蒸压法。国内各行业关于这些方法的规范、标准主要有《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T50733—2011、《建筑用砂》GB14684—2011、《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52—2006、《公路工程集料试验规程》JTG E42—2005、《水工混凝土试验规程》SL352—2006、《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151—2014和《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法-快速砂浆棒法》TB/T2922.5—2002，以下对各类方法基本操作进行介绍。

1.1 岩相法

美国标准ASTM C295对岩相法做出了规定，欧洲RILEM AAR-1、英国BS 812:Part 104和我国GB/T 14685同样采纳了该方法。岩相法基于光性矿物学理论，把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定岩相种类、矿物组成及其含量和矿物结晶程度等来判断骨料碱活性的大小，根据骨料中活性组分的类型将ASR分为早(快)膨胀型ASR和慢膨胀型ASR。同时该方法还可借助扫描电镜、X射线衍射分析、差热分析和红外光谱分析等手段进行综合评判。岩相法操作简单，试验速度快，适用范围广，可直接观察到骨料中的活性组分，但是对操作员熟练度要求高，无法得到活性组分与膨胀率的定量关系。作为骨料碱活性鉴定的首选方法，其鉴定结果对进一步选择适合的测试方法具有重要的指导作用。

1.2 化学法

化学法(ASTM C289)的测试思路为:对骨料粒径进行类别划分，测试不同粒径的骨料与1 mol/L的NaOH溶液在(80±1)℃条件下反应24 h后SiO2溶出浓度Sc及溶液碱度降低值Rc，如果Sc>Rc>70 mmol/L或者Rc<70 mmol/L，Sc>35+Rc/2，则认为骨料具有潜在活性，需要进一步做砂浆棒试验。化学法操作简单，反应时间短(24 h)，但只能反应硅质骨料与碱发生化学反应的能力，适用于评价高碱条件下快速膨胀的骨料，只作为对骨料的活性程度判断的补充依据，有逐渐被淘汰的趋势。

1.3 棱柱体法

混凝土棱柱体法(GB/T 50082)通过测量75 mm×75 mm×275 mm混凝土棱柱体试件长度的变化来反映骨料碱活性大小。样品的制备采用碱含量高达(0.9±0.1)%的硅酸盐水泥，在拌合水中加入NaOH溶液调配水泥浆体碱含量为1.25%；水泥用量为420 kg/m3，粗骨料与细骨料质量比为6∶4，水灰比为0.42～0.45。如果评定的骨料是粗骨料，则细骨料在快速砂浆棒法测定下的14 d膨胀率小于0.1%；如果评定的是细骨料，则要求粗骨料在快速砂浆棒法测试下的14 d膨胀率小于0.1%；如果工程用的粗细骨料均来自同种岩石，则要求试验中的粗细骨料均来自该岩石；所用粗骨料级配要求20～14 mm、14～10 mm和10～5 mm骨料各占1/3。试件成型后，在(20±2)℃和相对湿度大于95%的环境下养护(24±0.5)h并脱模、测试长度(此为基准长度)，之后置于(38±2)℃的养护室中养护1周、2周、4周、8周、13周、18周、26周、39周和52周。当试件1年膨胀率超过0.04%，则判定为活性骨料。该方法采用混凝土试件，更接近实际工程情况，受水泥碱含量、试件尺寸影响不明显，目前被认为是最可靠骨料碱活性评价方法，如果各种方法评价结果出现矛盾，以棱柱体法为依据[1]。但试验周期偏长，不能满足工期紧张的工程骨料质量控制。

1.4 砂浆棒法

砂浆棒法(ASTM C227)通过直接测量砂浆长度以反映骨料与碱作用所产生的膨胀率大小，是检测骨料碱活性的经典方法，但测试周期长达3～6个月，遭到国际许多专家质疑，在欧洲、加拿大等国已被淘汰，国内各行业标准尚在沿用。基于砂浆棒法(ASTM C227)发展起来的快速砂浆棒法(ASTM C1260)是一种加速实验方法，又称南非法(NBRI法)，在各国应用最广(欧洲RILEM AAR-2、英国DD 249:1999、加拿大CSA A23.2-25A和我国GB/T 14685)。该方法使用碱含量大于0.8%的高碱波特兰水泥和满足规定级配骨料按照1∶2.25灰砂质量比和0.47水灰比，制备流动度为105～120 mm的25 mm×25 mm×285 mm砂浆棒样品，先置于80 ℃恒温水槽中水浴24 h，再浸入1 mol/L的NaOH溶液在80 ℃恒温条件下养护。快速砂浆棒法评定标准为14 d膨胀率小于0.1%，骨料无害；膨胀率大于0.2%，具有潜在有害碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，应用砂浆棒法进一步鉴定。总而言之，快速砂浆棒法试验周期大幅缩短，操作性强，测试精度高，但由于养护温度高，碱溶液浓度高，测试结果偏大，可作为筛选硅质骨料的强有力工具，不可作为拒绝骨料的依据。

1.5 蒸压法

蒸压法(中国CECS 48:93、欧洲RILEM AAR-4)采用经NaOH溶液调整碱含量的硅酸盐水泥、0.63～0.16 mm骨料按照0.3水灰比制备成灰砂比分别为10∶1、5∶1、2∶1的10 mm×10 mm×40 mm样品，先置于(20±2)℃、相对湿度大于95%的环境养护24 h再拆模、记录长度，此后将试件分开置于100 ℃蒸养4 h然后冷却，然后将试件浸入250 mL预先配制好的高浓度KOH溶液，在150 ℃环境下密封压蒸360 min，最后冷却、冲洗，在室温下放置60 min，测量长度。三个灰砂比中最大膨胀值若大于0.1%，则可将骨料评判为活性骨料，否则为非活性骨料。该方法周期短，适用于碱硅酸活性骨料。

2 混凝土碱-硅酸反应评价方法的不足

2.1 快速法和棱柱体法之间相关性较弱

如前文所言，如果快速砂浆棒法与棱柱体法出现矛盾，以后者为准。对于不做前期充分论证的一般规模工程，在施工前仅预计采用快速砂浆棒法进行14～28 d的快速检测，同时使用混凝土棱柱体法进行1～2年的长期观测，这种组合预防方法有其优越性，但存在快速砂浆棒法判定合格而后混凝土棱柱体法判定不合格的情况，如此将导致前者检验合格但不敢用，若一开始便使用后者会造成时间成本过高而耽误工期，最终两种测试方法都无法发挥作用[2]。快速检测法如快速砂浆棒法和蒸压法采用高温和高碱条件，不同点在于试件的组成和骨料的级配，主要用于快速判断骨料在混凝土中是否具有潜在碱活性，其准确性很大程度上和混凝土棱柱体法的判定结果相关。卢都友等[3]对比国内外11种骨料的膨胀行为，认为骨料在压蒸法中的膨胀率和在混凝土棱柱体中没有明显的相关性；对于粒径为0.15～0.80 mm的骨料，快速砂浆棒法的数据与混凝土棱柱体法的相关性R2仅为0.33，当粒径为1.25～5.0 mm时，两者的相关性可达到0.75，但膨胀率数据相差仍较大，因为快速法的测试条件(试件成分、养护环境和时间等)与混凝土棱柱体法显著不同，故认为现有快速检测法难以很好地表征骨料在混凝土中的碱活性程度。王航[4]在评价粉煤灰、矿渣微粉对碱骨料反应的抑制作用时，发现快速砂浆棒法和棱柱体法的结果相差较大，粉煤灰单掺或与矿渣微粉复掺情况下，快速法检测到的抑制效果高于棱柱体法。这些对比性试验结果说明快速法与慢速法相关性较差，应当从可靠性较高的混凝土棱柱体法出发，从原材料、试验环境等方面制定与棱柱体法更加协调的加速方法，以确保工程上能放心使用快速法代替慢速法来科学预防碱骨料反应。

2.2 单一方法难以准确评价

尽管国内外已经对ASR测试方法进行了大量研究，但目前尚未制定一个普适性方法，因为ASR受骨料类型、分布地域等影响，每种方法均有其使用局限，难于对所有骨料均能做出准确的评价。因此，只有综合使用多种方法才能对复杂多样的骨料碱活性做出较为中肯的判定。比如首先使用岩相分析法划分骨料类型，为明确进一步的测试方案提供依据；快速砂浆棒法可在短时间内判定骨料的碱活性，若认为结果与工程数据有偏差，可进一步采用慢速方法(如棱柱体法)进行验证。对于重大工程项目，可以对使用试验骨料建成的当地5年、10年或20年服役期的混凝土建筑物作取芯分析，以佐证试验室数据。刘晨霞等[5]采用岩相法检测某水电工程骨料碱活性，发现存在隐晶状石英和隐晶状玻璃质活性物质，然后将该骨料制备成砂浆做快速砂浆棒法试验，认为具有潜在活性，最后结合混凝土棱柱体法试验判定骨料属于后期膨胀较快的骨料。蒋正武等[6]对贵州不同出处浅变质岩骨料碱活性进行测试时，先进行岩相分析，然后再结合快速砂浆棒法进行综合评定。结合当前研究[2,7-11]可知，使用多种测试方法来排除工程中潜在的碱骨料膨胀风险已逐渐取得共识。

2.3 快速法条件过于苛刻

快速砂浆棒法的试验条件比较极端[12]，某些被慢速法判定为非活性的骨料会因其苛刻的条件而呈现出碱活性，进而产生较大的膨胀率，可见快速砂浆棒法得出的结论可能偏于安全；而压蒸法则要求将试件浸泡于150 ℃，高浓度的KOH溶液，如此极端的环境在实际工程中较为少见，其碱骨料发生的机理可能与真实情况下有所区别。有研究认为[13]，如果采用快速砂浆棒法测试慢膨胀型硅质骨料的碱活性，得出的结论与实际工程使用记录具有良好的一致性。

2.4 对试样配合比要求过于固定

我国标准GB/T 50082中的混凝土棱柱体法规定如果工程用的骨料为同一品种的材料，则试验用该粗、细骨料来评价活性。张勇等[14]使用快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法对3种骨料进行碱活性评价后，发现相对于粗骨料试样+非活性细骨料、细骨料试样+非活性粗骨料的骨料组合，粗细骨料均为骨料试样的组合活性成分更高，以致快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法的评价结果出现矛盾。对比各种方法的试样可发现，多数测试手段均采用相对固定的原材料种类或配合比，实际混凝土中骨料级配和粒径、胶凝材料体系、水胶比、外加剂品种和掺量等复杂多变，在多种因素耦合影响下，现有测试方法能否做出合理判定仍需进一步研究。

2.5 在水工混凝土适用性不足

在水利工程领域，混凝土构件尺寸往往较大，混凝土内部的碱渗出表面的难度相对高，而混凝土棱柱体法的试件尺寸是75 mm×75 mm×275 mm，较小的截面面积使得碱物质容易往表面迁移，以至于内部碱含量逐渐降低，最终测出来的试件膨胀率偏低。如果浇筑大尺寸混凝土块或者做足尺试件，虽然吻合真实情况，但碱骨料反应过慢，测试时间成本较高。王爱勤等[15]认为水工混凝土所用骨料粒径较大，混凝土强度等级较普通混凝土低，胶材用量少，长期处于潮湿环境，以及设计使用年限长，所以水工混凝土和普通混凝土存在相当大的差异，这些差异影响水工混凝土碱骨料反应的膨胀行为，用于评价普通混凝土骨料碱活性的方法和判据、混凝土安全碱含量等控制指标是否能用于差别较大的水工混凝土，仍值得深入研究。近年来，蔡跃波等[16]通过大量的试验，基于原材料、配合比、试件尺寸、测试环境等方面总结出了成套适用于水工混凝土碱骨料反应评价的方法。此外，公路混凝土长期处于干湿循环、冻融循环、车辆动荷载等多重因素共同作用下，而且公路工程常常就地取材，沿路骨料种类复杂多变，来源广泛，性质各异，其骨料碱活性评判标准应当比其他工程更加严格[17]，可见对于可能与普通混凝土差别较大的机场跑道、港口、公路水泥混凝土，是否需要均制定专用的碱骨料评价方法、安全碱含量等指标仍需进一步探讨。

3 结 论

目前存在的碱-硅酸测试方法存在快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法相关性较弱、单一方法难以准确评价、快速法条件过于苛刻、对试样配合比要求过于固定、在水工混凝土适用性不足等问题，需要大量试验来调整评价试验操作步骤或指标数值，或者针对不同行业特点制定专用的评价方法，在确保混凝土工程安全耐久的同时，应谨防对碱-硅酸反应危害过度重视而带来不必要的工程成本。