馬 杰

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251)

根據(jù)國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,計劃到2020年中國將修成客運專線1萬多公里,形成“四橫四縱”客運專線骨架?？瓦\專線工程具有技術(shù)標準高、質(zhì)量要求嚴等特點,尤其是100年的使用壽命這一要求,對結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性提出了更高的要求[1]。經(jīng)過多年研究,人們發(fā)現(xiàn)堿-集料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction簡稱AAR)是影響結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的重要因素之一[2]。其中砂、碎石等天然建筑材料是混凝土工程中必不可少的集料組分,是否具有堿活性是鐵路工程勘察及試驗需要重點關(guān)注的問題。介紹了堿-集料反應(yīng)的類型和機理,根據(jù)國際上堿-集料反應(yīng)的研究動態(tài),對堿-集料反應(yīng)中集料活性的不同測試方法和不同國家的測試標準進行了對比和探討。

1 堿-集料反應(yīng)的類型和機理[2～4]

堿-集料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction簡稱AAR)是混凝土組成中的水泥外加劑、摻合料或拌和水中的可溶堿(鉀、鈉)溶于混凝土孔溶液中,與集料中的堿活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成物吸水膨脹,使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土工程開裂或變形等損害。堿-集料反應(yīng)的破壞發(fā)生于混凝土的內(nèi)部且難以阻止和修復(fù),故稱為混凝土的癌癥。

堿-集料反應(yīng)按其反應(yīng)機理和集料中含有的反應(yīng)性成分,可分為以下三種。

(1)堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction,簡稱ASR):該反應(yīng)由美國的斯坦頓在19世紀40年代提出,是迄今對工程破壞最多、分布最廣、研究最多的一種堿-集料反應(yīng)。它是水泥混凝土微孔隙中的堿溶液與集料中的活性SiO2反應(yīng),生成的堿性硅酸鹽凝膠吸水膨脹,產(chǎn)生的膨脹壓力導(dǎo)致混凝土開裂。

(2)堿-硅酸鹽反應(yīng)(Alkali-Silicate Reaction,簡稱ASR):該反應(yīng)于1965年由美國的蓋羅特、斯文森等人提出,堿與某些層狀的硅酸鹽集料反應(yīng),膨脹的集料是硬砂巖、千紋巖和黏土巖等。使硅酸鹽的層狀距離增大,致使混凝土開裂。這種反應(yīng)的膨脹速度非常緩慢。

(3)堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction,簡稱ACR):該反應(yīng)是指水泥中的堿與泥質(zhì)白云石巖、石炭巖等碳酸鹽巖集料反應(yīng),產(chǎn)生“脫白云石化”,使得這些碳酸鹽巖中含有的干燥黏土暴露,這種干燥的黏土顆粒吸水膨脹,引起混凝土內(nèi)部應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土開裂。

2 堿-集料反應(yīng)的研究動態(tài)[2,5,6]

自從Stanton在1940年發(fā)現(xiàn)由于堿-集料反應(yīng)引起混凝土膨脹破壞以來,AAR引起的橋梁、大壩、工業(yè)建筑等混凝土工程結(jié)構(gòu)破壞已在50多個國家發(fā)現(xiàn)[5]。這種破壞的范圍幾乎遍及世界各地,而修補和重建耗資巨大,因此引起了世界各國的極大關(guān)注。

(1)美國:美國是AAR的發(fā)源地,美國遭受AAR破壞的混凝土結(jié)構(gòu)類型多種多樣,包括大壩、橋梁、機場、道路以及各種海工構(gòu)筑物,其中在交通設(shè)施和機場路面尤為嚴重,為僅次于鋼筋銹蝕的第二大混凝土病害。20世紀80～90年代通過高速公路戰(zhàn)略規(guī)劃項目,開展了ASR膨脹機理、快速檢測方法和預(yù)防措施研究,1990年通過AASHTO(American Association of State Highway Officials-Lead States Team)計劃開展集料堿活性檢測方法的試驗室聯(lián)合驗證和推動技術(shù)轉(zhuǎn)化。2000年啟動研究制定鋰鹽防治ASR標準。2005年進行預(yù)防和減輕ASR專項研究計劃,圍繞破壞產(chǎn)物和機理,制定規(guī)范和培訓(xùn)相關(guān)人員。

(2)日本:日本近年來的工作主要是對遭受因AAR反應(yīng)而破壞結(jié)構(gòu)的維護和修復(fù),日本土木工程學(xué)會于2005年8月成立工作組研究集料中堿溶出及海水、化冰鹽等外部堿源對AAR的影響。

(3)挪威:挪威的堿-集料反應(yīng)研究始于20世紀90年代。挪威地質(zhì)勘探部聯(lián)合幾所大學(xué)對全國集料的巖石類型及其堿活性進行了系統(tǒng)普查和研究,建立了全國活性集料分布圖。挪威混凝土協(xié)會于1996年制定了挪威預(yù)防堿-集料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范NB21,并于2004年修訂完成新版的NB21,成為挪威混凝土新標準指定參考文件。挪威學(xué)者建立堿-集料反應(yīng)論壇網(wǎng)站,促進全國堿-集料反應(yīng)的研究與經(jīng)驗交流。

(4)加拿大:1953年在加拿大的Swenson發(fā)現(xiàn)了第一例堿-集料反應(yīng)造成混凝土破環(huán)的事例。20世紀70年代后發(fā)現(xiàn)的破壞事例越來越多,該國對水泥含堿量采取嚴格的控制措施,加拿大鐵路局規(guī)定,無論是否使用活性集料,鐵路混凝土一律使用含堿量低于0.6%的水泥。

(5)巴西:巴西與AAR研究較多的美國和歐洲科學(xué)家進行合作。在制定標準方面,主要是基于RILEM(國際材料與建筑構(gòu)造研究試驗所聯(lián)合會)和加拿大國家標準CSA或ASTM,并參照本國的研究經(jīng)驗對標準進行修改。對快速砂漿棒法,采用30 d膨脹0.19%來判定集料在混凝土中的膨脹行為,根據(jù)工程決策需要,研究了80℃養(yǎng)護條件下的快速混凝土棱柱體試驗方法。

(6)中國[7]:我國在20世紀90年代初開始,陸續(xù)在北京、山東、內(nèi)蒙古、河南等地的立交橋或機場中發(fā)現(xiàn)有AAR破壞的實例。現(xiàn)已確證長江流域、北京地區(qū)、遼寧錦西地區(qū)、新建塔城地區(qū)、南京雨花臺砂礫巖中均有高堿活性礦物。我國在20世紀90年代新修訂了《混凝土用砂石國家標準》規(guī)定了測定砂石集料堿活性的檢驗方法,提出了《混凝土堿含量界限值標準》。一些城市也制定了相應(yīng)的預(yù)防政策,天津市在1997年出臺了《預(yù)防混凝土堿-集料反應(yīng)技術(shù)管理規(guī)定》。

近年來,南京化工大學(xué)和中國建材研究院等單位對判定集料活性的試驗檢驗方法進行了系統(tǒng)的研究,提出了新的硅質(zhì)集料堿活性快速試驗方法、碳酸鹽集料堿活性檢測方法、堿-集料反應(yīng)工程破壞檢測方法。建立了沿長江和華東地區(qū)、京津塘地區(qū)堿活性集料分布圖和分類圖,明確了我國集料堿活性的分布情況,有助于重點工程混凝土用集料的優(yōu)選和預(yù)防堿-集料反應(yīng)。根據(jù)各國學(xué)者40余年的研究歸納[8～9],常見的堿活性巖石如表1所示。

表1 常見的堿活性巖石

3 堿-集料反應(yīng)的測試方法

3.1 堿-集料反應(yīng)主要的測試方法

在工程建設(shè)之初,正確鑒定集料的堿活性是采用合理措施預(yù)防混凝土堿-集料反應(yīng)(AAR)破壞的關(guān)鍵[10]。集料的堿活性檢測是AAR評估的重要內(nèi)容,也是防治AAR破壞的重要手段。在實際工程中,只有對所有集料的堿活性作出科學(xué)的評定,才能采取科學(xué)的措施預(yù)防堿-集料反應(yīng)。國內(nèi)外對集料活性的試驗方法進行了很多研究,主要試驗方法的對比見表2。

表2 鑒定集料活性的試驗方法

由于集料的類型、性質(zhì)變化各異,集料堿活性的檢測應(yīng)采用多種方法配合使用、相互校核。巖相法是其他試驗方法的前提,快速砂漿棒法和壓蒸法是發(fā)展的方向,而化學(xué)法和砂漿棒法由于其局限性,有逐漸被淘汰的趨勢[2]。

3.2 各國集料堿活性檢測標準的對比

為了預(yù)防堿-集料反應(yīng)的發(fā)生,各國都很重視集料活性的鑒定,并各自建立了相應(yīng)的檢測規(guī)范和標準。主要有美國的ASTM標準、加拿大的CSA標準等,國際材料與建筑構(gòu)造研究試驗室聯(lián)合會(RILEM)成立一個專門研究AAR和制定相應(yīng)標準的技術(shù)委員會,吸收各國最新研究成果,形成一整套AAR活性集料的檢測方法[2]。

我國最早提出的檢測集料活性的規(guī)范是《水工混凝土試驗規(guī)程》(SD105—82),現(xiàn)在主要應(yīng)用的檢測規(guī)范是《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》(JGJ52—2006)、壓蒸法(CECS48:93)。各國集料堿活性檢測標準的對比見表3。

表3 常用的集料堿活性檢測規(guī)范

4 結(jié)束語

集料堿活性測試結(jié)果的可靠性,取決于對各種試驗方法的理解和正確選擇。巖相法可以直接觀察到集料中的活性成分,其鑒定結(jié)果對后續(xù)選擇合適的試驗方法具有重要的指導(dǎo)意義。近年來發(fā)展起來的集料試驗方法是以高溫高堿條件發(fā)展的快速方法,不能完全反映現(xiàn)場混凝土的實際情況。因此快速法測試結(jié)果的準確性還需要在實際工程中進行大量的驗證。

混凝土中AAR的發(fā)生是一個長期緩慢的過程。我國發(fā)現(xiàn)的活性集料種類復(fù)雜,來源廣泛,分布在不同氣候地區(qū)。如能選擇不同氣候特征地區(qū)建立長期混凝土室外試驗場,研究不同配合比的混凝土在不同氣候條件下的AAR的行為,對我國確定更合理的混凝土堿-集料試驗方法產(chǎn)生深遠的影響[2,6]。

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