CN102565311A - 评价水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法 - Google Patents

Abstract

用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法：⑴用实际原材料和配合比拌制混凝土，外加NaOH将水泥当量Na₂O含量调整到1.00％-1.50％，筛去粒径大于40mm的骨料，湿筛后混凝土成型试件；⑵试件中预埋不锈金属测头；⑶试件脱模后在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡，擦至饱和面干状态，用铝箔包裹养护于密封容器中；⑷测试龄期为7天、14天、28天、56天、90天。测试龄期到达前24h从养护环境中取出，温度稳定后进行测长；⑸评价水工混凝土碱骨料反应实际风险。本发明能做到混凝土配合比、原材料和试验环境与工程实际尽量吻合，又能缩短试验周期。

Description

评价水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法

技术领域

本发明涉及一种用于评价水工混凝土发生碱骨料反应病害实际风险的试验方法。具体涉及一种用湿筛混凝土试件评价水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法。

背景技术

碱骨料反应是造成混凝土工程损坏的重大问题之一。碱骨料反应引起混凝土结构破坏最早发现于美国，1919～1920年建于加利福尼亚州的王城桥，建成后第三年即发现桥墩顶部发生裂缝，此后裂缝逐渐向下部发展，到1924年所有桥墩顶部都发生了裂缝。1940年2月，加州公路局的Stanton通过大量研究，发表《水泥与骨料对混凝土膨胀的影响》一文，首次提出含碱量高的水泥与页岩和燧石混合骨料反应使混凝土发生过量的膨胀可能是造成开裂的原因。后经继续研究确认，水泥中的碱和页岩中的硅酸物质——蛋白石发生反应生成碱-硅凝胶，碱-硅凝胶吸水肿胀产生膨胀压力，导致混凝土开裂，定名为碱骨料反应(Alkali-AggregateReaction，简称AAR)。碱骨料反应包括碱-硅酸反应和碱-碳酸盐反应。

目前国内外与碱骨料反应相关的试验方法主要分为两类，一类是用于鉴别骨料是否具有碱活性的方法，如DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》和SL 352-2006《水工混凝土试验规程》中的岩相法、化学法、砂浆长度法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法，CECS 48-93《砂石骨料碱活性快速试验方法》中的小棒压蒸法，这些方法的汇总见表1；另一类是用于评价抑制措施是否有效的试验方法，如DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》和SL 352-2006《水工混凝土试验规程》中的“抑制骨料碱活性效能试验”，以及DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技术规范》中推荐的“砂浆棒快速法”和“混凝土棱柱体法”。对这些方法的详细介绍见说明书最后一页的表1。

岩相法是采用岩相显微镜等观测设备对骨料样本进行观测鉴定，判断其中是否含有可能发生碱骨料反应的活性组分的一种方法。该方法方便快速，被加拿大、美国、日本以及欧洲多国所采用，主要用于判断骨料的碱活性种类，并为下一步采取哪种检测方法提供参考。

化学法是用碱溶液浸泡骨料，通过观测骨料中的SiO₂在溶液中的溶解情况来判断骨料是否有碱活性，该方法与实际工程中观测到的碱骨料反应现象对应关系较差，已被多个国家弃用。

砂浆长度法是将待测骨料破碎成0.16mm～5mm的砂，然后按照固定的砂级配、水灰比、灰砂比与碱含量为1.2±0.05％的高碱水泥一起成型25.4mm×25.4mm×285mm的砂浆试件，在38℃、100％相对湿度的密闭容器中养护半年，通过测试砂浆试件的膨胀率来判断骨料是否有碱活性。该方法由于容易漏判一些慢反应性的活性骨料，目前也已被多国弃用。

砂浆棒快速法是在砂浆长度法的基础上进行改进，所用水泥为含碱量0.9±0.1％的高碱水泥，成型的试件养护于80℃、1mol/LNaOH溶液中，测试龄期为14天，通过测试砂浆试件14天的膨胀率来判断骨料是否有碱活性。该方法由于反应速度快，试验周期短，目前被广泛使用。

混凝土棱柱体法是采用0～20mm的骨料，0～5mm的细骨料占总骨料的40％，5～20mm的粗骨料破碎占总骨料的60％，其中5～10mm、10～15mm、15～20mm的骨料各占粗骨料总量的1/3；采用碱含量为0.9±0.1％的高碱水泥，外加NaOH使混凝土中水泥的碱含量达到1.25％；所用试件尺寸为75mm×75mm×285mm；在38℃、相对湿度100％的密闭容器中养护52周，通过测试混凝土试件的膨胀率来判断骨料是否有碱活性。该方法采用的是混凝土试件，是现有骨料碱活性判断方法中最接近实际工况的一种方法。

国内用于测试抑制措施有效性的试验方法目前列入规范的有DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》和SL 352-2006《水工混凝土试验规程》中的“抑制骨料碱活性效能试验”。该方法是参照美国ASTM C441制定的。ASTM C441是最早的评价掺合料抑制AAR有效性的试验方法，该方法用硬质玻璃砂作为标准活性骨料，掺合料取代25％的水泥(体积百分比)，成型25.4mm×25.4mm×285mm的砂浆对比试件，与不掺掺合料的标准试件同样置于温度38±2℃、相对湿度大于95％条件下养护14d。如果对比试件14d膨胀率降低值大于75％，并且56d膨胀率小于0.05％，则认为抑制措施有效。由于该方法提出较早，曾被许多国家引用，如冰岛、新西兰等，我国水工混凝土试验规程基本完全参照该方法。该方法所用骨料、判据以及可靠性受到广泛质疑，认为该方法只适用于特定的骨料和特定的配比。由于该方法与混凝土长期表现相关性差，加拿大已经将其废除。

国外目前也有采用砂浆棒快速法测试掺合料的有效性^[1，2，3]，美国(2004年)和加拿大(2000国外目前也有采用砂浆棒快速法测试掺合料的有效性^[4，5，6]，美国(2004年)和加拿大(2000年)都制定了用砂浆棒快速法测试抑制措施有效性的规范，分别为ASTM C1567和CSAA23.2-28A，判据为14d膨胀率不大于0.10％。不少研究^[3，7]表明用砂浆棒快速法测试得出的结论与混凝土棱柱体法或者混凝土暴露试块测试结果一致，因此该方法近年被许多国家使用。我国水电行业规范DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技术规范》中也推荐参照“砂浆棒快速法”和“混凝土棱柱体法”测试抑制措施有效性。但这些方法仍沿用骨料活性判断方法中的做法，采用固定的配合比进行试验，与工程实际混凝土配合比相差较大。

如上所述，国内外现在已经有多种方法用以判断骨料碱活性类型、碱活性程度以及抑制措施的有效性，但是若用于评价水工混凝土碱骨料反应实际风险，则仍存在以下3个比较集中的问题：(1)现有方法一般是固定某一配合比、固定原材料种类进行试验，而实际混凝土往往是多变的，包括骨料粒径、水胶比、含碱量、水泥品种、掺合料品质和掺量、外加剂品种和掺量、含气量等，在这些所有参数都发生变化的条件下，实际混凝土发生碱骨料反应破坏的风险究竟如何，目前缺乏有效、可行的试验方法。(2)现有一些方法试验条件过分恶劣，导致混凝土内部的碱骨料反应机理发生了质的变化。如快速砂浆棒法采用80℃、1mol/LNaOH溶液浸泡，这在实际环境中是不会遇到的，再如小棒压蒸法采用150℃、1mol/LKOH溶液浸泡，这在实际环境中更是不会遇到的。在这些条件下碱骨料反应发生的机理与真实环境下有本质区别。(3)有些试验方法，如38℃混凝土棱柱体法，由于试件截面积相对较小，混凝土内部的碱容易渗出到表面，导致混凝土内部含碱量逐渐降低，测出的试件膨胀率会偏小。

目前，国内外用于评价水工混凝土碱骨料反应实际风险的方法只有浇筑大尺寸的混凝土块或者在混凝土结构或构件部位进行原位观测，这虽然是最吻合实际的一种做法，但由于碱骨料反应是非常缓慢的一个过程，往往需要几年甚至几十年才会发生破坏，因此这种做法效率低、可行性较差。

要建立能够评价水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法，有如下2点难题需要解决：

(1)混凝土配合比要与实际吻合或接近。

为了综合考察实际混凝土中碱骨料反应的可能性，混凝土的各个参数都应该与实际配合比相吻合或接近，否则就会有某些因素的作用无法考察。但是，有些混凝土，如大坝混凝土，最大骨料粒径达到150mm，需要的试件截面至少要450mm×450mm，每个试件约重200多公斤，这在试验室内是很难操作的。

(2)既要加速试验，又要尽量保持试验环境与实际工况的接近。

加速试验就是要通过改变温度或者碱环境，使得碱骨料反应的速率加快，这样才能在较短的时间内得到试验结果。但是，这与保持试验环境与实际工况接近是相矛盾的，需要在二者之间找到平衡点。

现有技术中，尚未有解决上述问题的技术方案。

参考文献(见尾注)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能评估水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法，要做到混凝土配合比、原材料和试验环境与工程实际尽量吻合，又要适当地加速试验，缩短试验周期。

本发明提供的一种用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤如下：

(1).用工程实际原材料和配合比拌制混凝土，并通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.00％-1.50％，用40mm筛筛去粒径大于40mm的骨料，用湿筛后的混凝土成型试件；

(2).所成型混凝土试件沿长度方向的两端正中预埋有不锈金属测头；

(3).试件成型、脱模后在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡，然后擦至饱和面干状态，用铝箔包裹，养护于密封容器中；

(4).测试龄期为7天、14天、28天、56天、90天。在测试龄期到达前24h将试件从养护环境中取出，待温度稳定后，用测长仪进行测长；

(5).评价水工混凝土碱骨料反应实际风险。

更优化和更详细地说，本发明的技术方案是：

(1).步骤(1)所述的通过外加NaOH调整的水泥的当量Na₂O含量为1.25％；

(2).步骤(2)所成型混凝土试件的截面为边长100mm的正方形或直径100mm的圆形，长度≥400mm；

(3).步骤(3)所述的试件成型、脱模后，是在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡24h；

步骤(3)所述用于养护的密封容器参数为60℃、相对湿度为100％；

步骤(3)所述的用铝箔包裹，是用自粘性铝箔包裹。

(4).步骤(4)所述的从养护环境中取出，是置于20±1℃、相对湿度不低于90％的环境下，待温度稳定后，用测长仪进行测长；

步骤(4)所述的测长仪是指精度不低于1μm的测长仪；

(5).步骤(5)所述的评价水工混凝土碱骨料反应实际风险，是以90天膨胀率，评价水工混凝土碱骨料反应实际风险。

换言之，本发明为解决现有方法存在的问题，主要采取了以下技术方案：

(1).对于骨料最大粒径一般为80mm或者150mm的大坝混凝土，直接用实际工程配合比和原材料成型试件，但通过筛除粒径大于40mm的骨料，保证胶凝材料组成与工程实际完全一致，且通过间接增加了湿筛混凝土中浆体用量，加速了碱骨料反应；通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.25％，也适当加速了碱骨料反应，同时避免当量Na₂O含量过于偏离实际混凝土中的碱含量。

水泥中的当量Na₂O含量＝水泥中的Na₂O质量百分比+0.658×水泥中的K₂O质量百分比。

(2).所成型的混凝土试件的截面为边长100mm的正方形或直径100mm的圆形，这样一方面可增加最大粒径为40mm的骨料在试件截面上的分布均匀性，同时与国内外标准混凝土棱柱体试验方法中所采用的75mm边长截面相比，可增加混凝土内部的碱扩散到试件表面的路径，从而减少碱的析出。

(3).试件成型、脱模后在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡24h，然后擦至饱和面干状态，用自粘性铝箔包裹，再放入密封容器中养护。这样可以避免在试件成型后的静停过程中表面水分的丧失造成试件内表的湿度梯度，从而减少随水分扩散到表面的碱；也避免了用自来水浸泡时造成的试件表面氢氧化钙和碱的溶解而产生的表面氢氧化钙和碱浓度的下降——这也会在试件截面上产生碱的浓度梯度而导致碱析出；与国内外标准的砂浆棒法试验方法中将试件一直浸泡在高浓度的碱溶液中做法不同，本发明还避免了源源不断的外部碱供应——这在大坝混凝土实际运行中一般是不会碰到的。采用本发明的方式处理试件，可以尽量保证试件所处的环境湿度和碱度这2个影响碱骨料反应的重要因素与大坝混凝土内部的情况一致。

(4).试件养护于60℃、相对湿度100％的密闭环境中，因为在60℃下混凝土内部的碱骨料反应机理不会发生激烈变化，但又可以适当加速碱骨料反应的速率，从而缩短试验周期。

(5).试验周期缩短为90d，比用于骨料碱活性鉴别的混凝土棱柱体的试验周期(1年)大为缩短。

本发明提供的评估水工混凝土碱骨料反应实际风险的试验方法，克服了现有技术的不足，能够做到混凝土配合比、原材料和试验环境与工程实际尽量吻合，又能够适当地加速试验，缩短试验周期。适合在水利工程中推广实施。

附图说明

图1为所述混凝土试件外形示意图；

图2为实施例1中混凝土不同龄期膨胀率；

图3为实施例2中混凝土不同龄期膨胀率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行说明。

实施例1：采用某大坝混凝土配合比，见表2。编号4B的配合比为四级配常态大坝混凝土配合比，骨料最大粒径为150mm。编号为3B的配合比为三级配常态大坝混凝土配合比，骨料最大粒径为80mm。

表2大坝混凝土配合比(kg/m³)

按照表2所给配合比用自落式搅拌机拌合混凝土，并通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.25％，将搅拌均匀的混凝土过40mm筛，直至1min内无浆体或细颗粒从筛上落下。将筛下的湿筛混凝土浇筑到已经装好测头的100mm×100mm×515mm的棱柱体铸铁试模中，保证在测头周围的混凝土挤压密实后，将试模放在振动台上振动密实，抹平表面并编号。每个配合比成型3个试件。成型好的试件立即放入(20±1)℃、相对湿度大于90％的标准养护室中进行养护。养护24h后脱模，然后在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度为1.25％的水溶液中浸泡24h，接着擦至饱和面干状态，用自粘性铝箔包裹，用比长仪测试试件基长L₀，并记录。测完基长的试件3个一组放入350mm×200mm×600mm的塑料盒中；塑料盒中有支架，混凝土试件放在支架上，间隔不小于10mm；保证支架下部(塑料盒内)有30mm的清水，试件不与清水接触；塑料盒上带有密封盖。将塑料盒盖封好后，整体放入60℃水浴养护箱中进行养护。养护至第6天时，将塑料盒整体取出，移入(20±1)℃、相对湿度大于90％的标准养护室内静置24小时后，打开塑料盒盖，取出混凝土试件逐一测长并记录，作为7天龄期的长度L₇。测完长度的试件再放入塑料盒中，将塑料盒整体移入60℃水浴养护箱中进行养护。如此重复，测试14天、28天、56天、90天试件的长度L₁₄、L₂₈、L₅₆、L₉₀并记录。试件第n天的膨胀率为：(L_n-L₀)/(L₀-2×测头长度)×100％，以三个试件膨胀率的平均值作为膨胀率测值。4B和3B配合比各龄期实测膨胀率如附图2所示。

从附图2可以看出，虽然骨料品种、水泥品种、外加剂品种等相同，但是四级配常态大坝混凝土“4B”的碱骨料反应膨胀率远低于3级配常态大坝混凝土“3B”。以90天膨胀率评价大坝混凝土碱骨料反应实际风险，若以90天膨胀率＜0.02％为可忽略的风险、90天膨胀率≥0.02％但＜0.04％为中等风险、90天膨胀率≥0.04％为高风险，则上述原材料在四级配常态大坝混凝土中碱骨料反应发生的风险程度为中等风险，而在三级配常态大坝混凝土中碱骨料反应发生的风险为高风险。

实施例2：采用某水电工程泄洪洞抗冲磨混凝土配合比，见表3。编号“2CM”的配合比为二级配常态抗冲磨混凝土配合比，骨料最大粒径为40mm。编号“2BM”的配合比为二级配泵送抗冲磨混凝土配合比，骨料最大粒径为40mm。

表3某泄洪洞抗冲磨混凝土配合比(kg/m³)

按照表3所给配合比用强制式搅拌机拌合混凝土，并通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.25％，将搅拌均匀的混凝土浇筑到已经装好测头的100mm×100mm×515mm的铸铁试模中，其余操作与实施例1相同。“2CM”和“2BM”配合比各龄期实测膨胀率如附图3所示。

从附图3可以看出，虽然骨料品种、水泥品种、外加剂品种等没有变化，但是二级配常态抗冲磨混凝土“2CM”的碱骨料反应膨胀率远低于二级配泵送抗冲磨混凝土“2BM”，并且都远高于实施例1中的大坝混凝土配合比。说明用上述原材料配制二级配抗冲磨混凝土发生碱骨料反应的风险远高于用来配制三级配或四级配大坝混凝土，而同为抗冲磨混凝土，用上述原材料配制的泵送抗冲磨混凝土发生碱骨料反应的风险高于常态抗冲磨混凝土。

实施例3：除试件表面不包裹自粘性铝箔外，其余与实施例2相同。

与实施例2相比，结果“2CM”和“2BM”配合比90d龄期实测膨胀率分别减少了0.28％和0.35％，且试件表面有白色碱性物质析出。

这说明包裹铝箔有效地避免了试件内部碱向表面的析出。

实施例4：除试件截面尺寸为75mm边长外，其余与实施例3相同。

与实施例3相比，结果“2CM”和“2BM”配合比90d龄期实测膨胀率分别减少了0.08％和0.13％，且试件表面有更多的白色碱性物质析出。

这说明增加试件尺寸减少了试件内部碱向表面的析出。

实施例5，与以上实施例基本相同，但步骤(1)是通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.00％。

实施例6，与以上实施例基本相同，但步骤(1)是通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.50％。

表1骨料碱活性鉴别方法

[1]DAVIES G.，OBERHOLSTER R.E.Use of the NBRI accelerated test to evaluated the effectiveness ofmineral admixtures in preventing the alkali-silica reaction[J].Cement and Concrete Research，1987，17(1)：97-107.

[2]BERRA M.，MANGIALARDI T.，PAOLINI A.E.Application of the NaOH bath test method for assessingthe efiectiveness of mineral admixtures against reaction of alkali with artificial siliceous aggregate[J].Cement andConcrete Composites，1994，16：207-218.

[3]THOMAS M.D.A，INNIS F.A.Use of the accelerated mortar bar test for evaluating the efficacy ofmineral admixtures for controlling expansion due to alkali-silica reaction[J].Cement，Concrete and Aggregate，1999，21(2)：157-164.

[4]DAVIES G.，OBERHOLSTER R.E.Use of the NBRI accelerated test to evaluated the effectiveness ofmineral admixtures in preventing the alkali-silica reaction[J].Cement and Concrete Research，1987，17(1)：97-107.

[5]BERRA M.，MANGIALARDI T.，PAOLINI A.E.Application ofthe NaOH bath test method for assessingthe effectiveness of mineral admixtures against reaction of alkali with artificial siliceous aggregate[J].Cement andConcrete Composites，1994，16：207-218.

[6]THOMAS M.D.A，1NNIS F.A.Use of the accelerated mortar bar test for evaluating the efficacy ofmineral admixtures for controlling expansion due to alkali-silica reaction[J].Cement，Concrete and Aggregate，1999，21(2)：157-164.

[7]TOMAS M.，FOURNIER B.，FOLLIARD K.，et al.Performance limits for evaluating supplementarycementing materials using the accelerated mortar bar test[J].PCA R&D Serial No.2892，Portland CementAssociation，Skokie，IL，2005.

Claims (9)

1.一种用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤如下：

⑴． 用工程实际原材料和配合比拌制混凝土，并通过外加NaOH将水泥的当量Na₂O含量调整到1.00％-1.50％，用40mm筛筛去粒径大于40mm的骨料，用湿筛后的混凝土成型试件；

⑵.所成型混凝土试件沿长度方向的两端正中预埋有不锈金属测头；

⑶.试件成型、脱模后在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡，然后擦至饱和面干状态，用自粘性铝箔包裹，养护于密封容器中；

⑷. 测试龄期为7天、14天、28天、56天、90天；

在测试龄期到达前24h将试件从养护环境中取出，待温度稳定后，用测长仪进行测长；

⑸. 评价水工混凝土碱骨料反应实际风险。

2.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤⑴所述的通过外加NaOH调整的水泥的当量Na₂O含量为1.25％。

3.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤⑵所成型混凝土试件的截面为边长100mm的正方形或直径100mm的圆形，长度≥400mm。

4.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤⑶所述的试件成型、脱模后，是在饱和氢氧化钙且当量Na₂O浓度与混凝土孔溶液中当量Na₂O浓度接近的水溶液中浸泡24h。

5.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤⑶所述的用于养护的密封容器参数为60℃、相对湿度为100%。

6.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，步骤⑶所述的铝箔是用自粘性铝箔包裹。

7.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于， 步骤⑷所述的从养护环境中取出，是置于20±1℃、相对湿度不低于90%的环境下，待温度稳定后，用测长仪进行测长。

8.根据权利要求1所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于，所述的测长仪是指精度不低于1μm的测长仪。

9.根据权利要求1-8之一所述的用湿筛混凝土试件评价混凝土发生碱骨料反应风险的试验方法，其特征在于， 步骤⑸所述的评价水工混凝土碱骨料反应实际风险，是以90天膨胀率，评价水工混凝土碱骨料反应实际风险。

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