集料堿活性快速砂漿棒法自動測試儀的應用研究

羅 維

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

堿集料反應是指砂、石集料與水泥中的堿性物質發生化學反應，導致混凝土結構開裂、破壞。堿集料反應按照集料礦物成分可分為堿—硅酸反應(Alkali-Silicate Reaction，簡稱ASR)和堿—碳酸鹽反應(Alkali-Carbonate Reaction，簡稱ACR)兩大類[1-3]。在已發生堿集料反應破壞的混凝土工程中，由堿—硅酸反應導致混凝土破壞的工程案例占絕大多數[4-7]。分析堿—硅酸反應破壞的案例可以發現，堿—硅酸反應具有反應過程慢、不易被發現、分部范圍廣且難以修復等特點，堿—硅酸反應破壞已經成為全球性災害問題。隨著我國基礎建設規模日益擴大，天然砂等資源大量消耗，硅質類機制砂被廣泛應用于混凝土工程中，這極大地增加了堿—硅酸反應發生的概率。防治堿—硅酸反應破壞成為了各國學者[8-11]的主要研究方向，評定集料是否具有潛在堿活性是防治堿—硅酸反應破壞至關重要的環節。

堿—硅酸反應的檢測方法有巖相法、砂漿棒法、快速砂漿棒法、混凝土棱柱法等[4]。在堿—硅酸反應的檢測過程中，巖相法是必選的方法，它為后續的檢測方法提供了指導依據。首先用巖相法確定集料是否含易發生堿—硅酸反應的礦物，如微晶石英、火山玻璃、燧石、蛋白石等，再利用堿—硅酸反應的檢測方法確定集料是否具有堿活性。快速砂漿棒法具有試驗周期短、結果可靠等特點被廣泛應用于混凝土工程中，但其測量均為人工測量，沒有自動測量的設備，且存在兩方面問題：

1)集數據時需將試件從溶液中取出擦干表面短時間內進行測量(15 s±5 s)，難以實現對溫度的精準控制；

2)數據測量靠人工完成，效率較低，設備自動化程度較低。

高峰等[12]學者針對堿—碳酸鹽反應中巖石柱法存在的問題，研發了巖石柱法自動測試儀，本文在此基礎上研發了快速砂漿棒法堿活性自動測試儀。該裝置集成了數據采集系統和溫控系統，實現數據在養護條件下直接采集的效果，使數據的結果更加合理、準確，且提高了工作效率。

1 樣品準備

樣品中含有微晶石英、火山玻璃、燧石、蛋白石等活性二氧化硅礦物是產生ASR反應的必要條件，為此本項目采用巖相法對10集料進行巖性分析，其巖性及主要礦物如表1所示。

表1 樣品偏光鑒定結果

2 試驗方法及數據采集

2.1 試驗方法

本文按照TB/T 3275—2011中砂漿棒制樣的要求，將粗骨料試樣全部破碎至5 mm以下；對細骨料，將大于5 mm的部分碎至5 mm以下，再與小于5 mm的部分混合。破碎集料各粒級的質量如表2所示。

表2 堿集料反應用破碎集料各粒級的質量

水泥采用堿含量大于0.8%的42.5級硅酸鹽水泥。水泥重量為400 g、骨料重量900 g、需水量188 mL，將每種試樣分別制備成3個規格為25 mm×25 mm×280 mm的砂漿試件。試件成型后，在標準養護室放置(24±2)h后脫模，測量其基準長度，之后將試件放置在80 ℃，1 mol/L的氫氧化鈉溶液中進行養護，在(20±2)℃的環境溫度下，測得試件在3 d，7 d，10 d，14 d的長度。

2.2 數據采集

在試驗過程中，利用人工測量和自動測量兩種方式來采集數據，人工測量主要是通過比長儀來測量讀數，比長儀由百分表和支架構成，如圖1所示；自動測量由研發的自動測試儀自主采集數據，測試儀主要由內部的位移采集裝置、溫度控制系統及外部的液體收集箱組成，如圖2所示。

3 試驗方案及結果分析

3.1 試驗方案

為了驗證自動測試儀的可行性，本文對試件數據進行橫向對比和縱向對比。在橫向對比過程中，選取了表1中S1及S2兩種集料進行快速砂漿棒法檢測，通過人工測量和自動測量得到砂漿棒試件的數據，分析其同組間三個試件的試驗結果。在縱向對比過程中，選取了表1中S1～S10集料進行快速砂漿棒法檢測，通過人工測量和自動測量得到每種集料砂漿棒試件的數據，分析10種不同集料的試驗結果。

3.2 試驗結果及分析

進行橫向比較時，其試驗結如圖3～圖6所示，縱向對比的試驗結果如圖7,圖8所示。

由圖3得出，同一組試件，人工測量的結果顯示其膨脹量隨著時間的變化而表現出的規律相對雜亂，三個試件的測量數據波動較為明顯，結果吻合度低。由圖4得出，采用自動測量時，同組集料的3個試件在試驗周期內，其膨脹規律是大致相同的，三條曲線的變化趨勢也是基本吻合。對比圖5，圖6可以發現，對于泥質板巖而言，也呈現類似的數據規律。由此可知，在同組試樣的對比結果中，人工測量的結果可靠性低、離散性大、穩定性低，而自動測量的結果明顯可靠性高、離散性小，穩定性高。

由圖7可知，對于這10種樣品，當采用人工測量時，其膨脹量隨著時間的變化而呈現出不規則的上升規律，且膨脹量隨齡期的變化上下波動較為明顯，其測試結果顯然與理論值有較大差距。其中，集料S3和S6的膨脹量出現了負增長，分析得出是由試件曝露在空氣中時間過長和人為誤差導致。由圖8可以看出，當對10種樣品采用自動測量時，其膨脹量隨時間的增加而先增加后趨于穩定，各組試件的膨脹量可以呈現出規則的上升規律，這樣的測量結果顯然與理論值更為接近。

4 結論

由上述分析可知：采用傳統的人工測量存在數據離散性大、穩定性低等問題。本文提出的自動測試裝置能夠有效地解決數據離散性大、穩定性低的問題，是一種可行有效的測試方法。