马 杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

根据国家《中长期铁路网规划》,计划到2020年中国将修成客运专线1万多公里,形成“四横四纵”客运专线骨架。客运专线工程具有技术标准高、质量要求严等特点,尤其是100年的使用寿命这一要求,对结构混凝土的耐久性提出了更高的要求[1]。经过多年研究,人们发现碱-集料反应(Alkali-Aggregate Reaction简称AAR)是影响结构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组分,是否具有碱活性是铁路工程勘察及试验需要重点关注的问题。介绍了碱-集料反应的类型和机理,根据国际上碱-集料反应的研究动态,对碱-集料反应中集料活性的不同测试方法和不同国家的测试标准进行了对比和探讨。

1 碱-集料反应的类型和机理[2～4]

碱-集料反应(Alkali-Aggregate Reaction简称AAR)是混凝土组成中的水泥外加剂、掺合料或拌和水中的可溶碱(钾、钠)溶于混凝土孔溶液中,与集料中的碱活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应。反应生成物吸水膨胀,使混凝土产生内应力,导致混凝土工程开裂或变形等损害。碱-集料反应的破坏发生于混凝土的内部且难以阻止和修复,故称为混凝土的癌症。

碱-集料反应按其反应机理和集料中含有的反应性成分,可分为以下三种。

(1)碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction,简称ASR):该反应由美国的斯坦顿在19世纪40年代提出,是迄今对工程破坏最多、分布最广、研究最多的一种碱-集料反应。它是水泥混凝土微孔隙中的碱溶液与集料中的活性SiO2反应,生成的碱性硅酸盐凝胶吸水膨胀,产生的膨胀压力导致混凝土开裂。

(2)碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate Reaction,简称ASR):该反应于1965年由美国的盖罗特、斯文森等人提出,碱与某些层状的硅酸盐集料反应,膨胀的集料是硬砂岩、千纹岩和黏土岩等。使硅酸盐的层状距离增大,致使混凝土开裂。这种反应的膨胀速度非常缓慢。

(3)碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction,简称ACR):该反应是指水泥中的碱与泥质白云石岩、石炭岩等碳酸盐岩集料反应,产生“脱白云石化”,使得这些碳酸盐岩中含有的干燥黏土暴露,这种干燥的黏土颗粒吸水膨胀,引起混凝土内部应力,导致混凝土开裂。

2 碱-集料反应的研究动态[2,5,6]

自从Stanton在1940年发现由于碱-集料反应引起混凝土膨胀破坏以来,AAR引起的桥梁、大坝、工业建筑等混凝土工程结构破坏已在50多个国家发现[5]。这种破坏的范围几乎遍及世界各地,而修补和重建耗资巨大,因此引起了世界各国的极大关注。

(1)美国:美国是AAR的发源地,美国遭受AAR破坏的混凝土结构类型多种多样,包括大坝、桥梁、机场、道路以及各种海工构筑物,其中在交通设施和机场路面尤为严重,为仅次于钢筋锈蚀的第二大混凝土病害。20世纪80～90年代通过高速公路战略规划项目,开展了ASR膨胀机理、快速检测方法和预防措施研究,1990年通过AASHTO(American Association of State Highway Officials-Lead States Team)计划开展集料碱活性检测方法的试验室联合验证和推动技术转化。2000年启动研究制定锂盐防治ASR标准。2005年进行预防和减轻ASR专项研究计划,围绕破坏产物和机理,制定规范和培训相关人员。

(2)日本:日本近年来的工作主要是对遭受因AAR反应而破坏结构的维护和修复,日本土木工程学会于2005年8月成立工作组研究集料中碱溶出及海水、化冰盐等外部碱源对AAR的影响。

(3)挪威:挪威的碱-集料反应研究始于20世纪90年代。挪威地质勘探部联合几所大学对全国集料的岩石类型及其碱活性进行了系统普查和研究,建立了全国活性集料分布图。挪威混凝土协会于1996年制定了挪威预防碱-集料反应技术规范NB21,并于2004年修订完成新版的NB21,成为挪威混凝土新标准指定参考文件。挪威学者建立碱-集料反应论坛网站,促进全国碱-集料反应的研究与经验交流。

(4)加拿大:1953年在加拿大的Swenson发现了第一例碱-集料反应造成混凝土破环的事例。20世纪70年代后发现的破坏事例越来越多,该国对水泥含碱量采取严格的控制措施,加拿大铁路局规定,无论是否使用活性集料,铁路混凝土一律使用含碱量低于0.6%的水泥。

(5)巴西:巴西与AAR研究较多的美国和欧洲科学家进行合作。在制定标准方面,主要是基于RILEM(国际材料与建筑构造研究试验所联合会)和加拿大国家标准CSA或ASTM,并参照本国的研究经验对标准进行修改。对快速砂浆棒法,采用30 d膨胀0.19%来判定集料在混凝土中的膨胀行为,根据工程决策需要,研究了80℃养护条件下的快速混凝土棱柱体试验方法。

(6)中国[7]:我国在20世纪90年代初开始,陆续在北京、山东、内蒙古、河南等地的立交桥或机场中发现有AAR破坏的实例。现已确证长江流域、北京地区、辽宁锦西地区、新建塔城地区、南京雨花台砂砾岩中均有高碱活性矿物。我国在20世纪90年代新修订了《混凝土用砂石国家标准》规定了测定砂石集料碱活性的检验方法,提出了《混凝土碱含量界限值标准》。一些城市也制定了相应的预防政策,天津市在1997年出台了《预防混凝土碱-集料反应技术管理规定》。

近年来,南京化工大学和中国建材研究院等单位对判定集料活性的试验检验方法进行了系统的研究,提出了新的硅质集料碱活性快速试验方法、碳酸盐集料碱活性检测方法、碱-集料反应工程破坏检测方法。建立了沿长江和华东地区、京津塘地区碱活性集料分布图和分类图,明确了我国集料碱活性的分布情况,有助于重点工程混凝土用集料的优选和预防碱-集料反应。根据各国学者40余年的研究归纳[8～9],常见的碱活性岩石如表1所示。

表1 常见的碱活性岩石

3 碱-集料反应的测试方法

3.1 碱-集料反应主要的测试方法

在工程建设之初,正确鉴定集料的碱活性是采用合理措施预防混凝土碱-集料反应(AAR)破坏的关键[10]。集料的碱活性检测是AAR评估的重要内容,也是防治AAR破坏的重要手段。在实际工程中,只有对所有集料的碱活性作出科学的评定,才能采取科学的措施预防碱-集料反应。国内外对集料活性的试验方法进行了很多研究,主要试验方法的对比见表2。

表2 鉴定集料活性的试验方法

由于集料的类型、性质变化各异,集料碱活性的检测应采用多种方法配合使用、相互校核。岩相法是其他试验方法的前提,快速砂浆棒法和压蒸法是发展的方向,而化学法和砂浆棒法由于其局限性,有逐渐被淘汰的趋势[2]。

3.2 各国集料碱活性检测标准的对比

为了预防碱-集料反应的发生,各国都很重视集料活性的鉴定,并各自建立了相应的检测规范和标准。主要有美国的ASTM标准、加拿大的CSA标准等,国际材料与建筑构造研究试验室联合会(RILEM)成立一个专门研究AAR和制定相应标准的技术委员会,吸收各国最新研究成果,形成一整套AAR活性集料的检测方法[2]。

我国最早提出的检测集料活性的规范是《水工混凝土试验规程》(SD105—82),现在主要应用的检测规范是《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52—2006)、压蒸法(CECS48:93)。各国集料碱活性检测标准的对比见表3。

表3 常用的集料碱活性检测规范

4 结束语

集料碱活性测试结果的可靠性,取决于对各种试验方法的理解和正确选择。岩相法可以直接观察到集料中的活性成分,其鉴定结果对后续选择合适的试验方法具有重要的指导意义。近年来发展起来的集料试验方法是以高温高碱条件发展的快速方法,不能完全反映现场混凝土的实际情况。因此快速法测试结果的准确性还需要在实际工程中进行大量的验证。

混凝土中AAR的发生是一个长期缓慢的过程。我国发现的活性集料种类复杂,来源广泛,分布在不同气候地区。如能选择不同气候特征地区建立长期混凝土室外试验场,研究不同配合比的混凝土在不同气候条件下的AAR的行为,对我国确定更合理的混凝土碱-集料试验方法产生深远的影响[2,6]。

[1]刘旭全.客运专线大断面黄土隧道高性能混凝土施工技术研究[J].铁道工程学报,2008(11):87-88.

[2]赵学荣.碱-集料反应对混凝土结构耐久性影响的研究[D].天津:天津大学建筑工程学院,2008

[3]刘日波,王 辉.碱-集料反应综述[J].混凝土,2006(10):47-48

[4]唐明述.碱-集料反应分类[J].中国工程科学,2000(3)

[5]王玉江.集料碱析出及其对碱-集料反应的影响[D].南京:南京工业大学材料学院,2006

[6]卢都友.国际混凝土碱集料反应研究动态[J].混凝土,2009(1):57-61

[7]姚燕,王 玲,田 培.高性能混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006

[8]吕忆农,卢都友,等.我国首例海工工程碱集料反应[J].南京化工大学学报,1998,20(1):44-47

[9]杨建森.碱集料反应的诊断与防治[J].公路,2002(1):87-90

[10]卢都友,许仲梓,吕忆农,等.快速砂浆棒法检测集料碱活性的岩石和地域局限性及改进措施[J].南京工业大学学报,2008,30(2):98-101