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(shè)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(zhì)發(fā)生化學反應，導致混凝土結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)[4-7]。分析堿—硅酸反應破壞的案例可以發(fā)現(xiàn)，堿—硅酸反應具有反應過程慢、不易被發(fā)現(xiàn)、分部范圍廣且難以修復等特點，堿—硅酸反應破壞已經(jīng)成為全球性災害問題。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模日益擴大，天然砂等資源大量消耗，硅質(zhì)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(fā)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(guān)重要的環(huán)節(jié)。

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(xù)的檢測方法提供了指導依據(jù)。首先用巖相法確定集料是否含易發(fā)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(jié)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(shè)備，且存在兩方面問題：

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

2)數(shù)據(jù)測量靠人工完成，效率較低，設(shè)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(fā)了巖石柱法自動測試儀，本文在此基礎(chǔ)上研發(fā)了快速砂漿棒法堿活性自動測試儀。該裝置集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在養(yǎng)護條件下直接采集的效果，使數(shù)據(jù)的結(jié)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(chǎn)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(jié)果

2 試驗方法及數(shù)據(jù)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(zhì)量如表2所示。

表2 堿集料反應用破碎集料各粒級的質(zhì)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(guī)格為25 mm×25 mm×280 mm的砂漿試件。試件成型后，在標準養(yǎng)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(yǎng)護，在(20±2)℃的環(huán)境溫度下，測得試件在3 d，7 d，10 d，14 d的長度。

2.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，人工測量主要是通過比長儀來測量讀數(shù)，比長儀由百分表和支架構(gòu)成，如圖1所示；自動測量由研發(fā)的自動測試儀自主采集數(shù)據(jù)，測試儀主要由內(nèi)部的位移采集裝置、溫度控制系統(tǒng)及外部的液體收集箱組成，如圖2所示。

3 試驗方案及結(jié)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(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ?。在橫向?qū)Ρ冗^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(shù)據(jù)，分析其同組間三個試件的試驗結(jié)果。在縱向?qū)Ρ冗^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(shù)據(jù)，分析10種不同集料的試驗結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果及分析

進行橫向比較時，其試驗結(jié)如圖3～圖6所示，縱向?qū)Ρ鹊脑囼灲Y(jié)果如圖7,圖8所示。

由圖3得出，同一組試件，人工測量的結(jié)果顯示其膨脹量隨著時間的變化而表現(xiàn)出的規(guī)律相對雜亂，三個試件的測量數(shù)據(jù)波動較為明顯，結(jié)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(nèi)，其膨脹規(guī)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(fā)現(xiàn)，對于泥質(zhì)板巖而言，也呈現(xiàn)類似的數(shù)據(jù)規(guī)律。由此可知，在同組試樣的對比結(jié)果中，人工測量的結(jié)果可靠性低、離散性大、穩(wěn)定性低，而自動測量的結(jié)果明顯可靠性高、離散性小，穩(wěn)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(xiàn)出不規(guī)則的上升規(guī)律，且膨脹量隨齡期的變化上下波動較為明顯，其測試結(jié)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(xiàn)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(wěn)定，各組試件的膨脹量可以呈現(xiàn)出規(guī)則的上升規(guī)律，這樣的測量結(jié)果顯然與理論值更為接近。

4 結(jié)論

由上述分析可知：采用傳統(tǒng)的人工測量存在數(shù)據(jù)離散性大、穩(wěn)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(shù)據(jù)離散性大、穩(wěn)定性低的問題，是一種可行有效的測試方法。