2003年第6期
12月
混凝土与水泥制品
CHINACONCRETEANDCEMENTPRODUCTS2003No6December
碱碳酸盐反应活性快速试验方法的比较研究
兰祥辉,许仲梓,邓敏,唐明述
(南京工业大学材料科学与工程学院,200009)
摘要:研究了长江上游三叠系碳酸盐的碱活性,将小混凝土柱快速法(即超快快速法)试验结果与传统的岩相法、岩石体柱法、混凝土棱柱体法试验结果进行比较分析后认为,超快快速法与传统方法的结果具有较好的可比性和可靠性。结合岩相分析,可以利用超快小混凝土柱法作为碱碳酸盐反应活性鉴定的集料筛选方法。
关键词:碱碳酸盐反应;反应活性;快速试验
Abstract:Thealkali-carbonatereactivilyoflimestons,whichsamplesaretakenfromSichuanprovinceofChinaandareofTriassicAgewasconcurrentlytestedbyusingofeverymethods,includingpetrographicexamination(ASTMC295),rockcylindermethod(ASTMC586),concreteprismmethod(CSAA23.3-14A)andconcretemicrobarmethed(RILEMAAR-5).Basedonanalysisofrezults,itisconsideredthattheconcretemicrobarmethod(RILEMAAR-5)maybemoresuitabletobeusedforevaluatingthealkali-carbonatereactivityofcarbonateaggre2gates.
Keywords:Alkali-carbonatereaction;Reactivity;Acceleratedtest
中图分类号:TQ172文献标识码:A文章编号:1000-4637(2003)06-11-03
0前言
集料的碱碳酸盐反应(ACR)活性快速试验方法[1]是
112
(3)CSAA2314-14A混凝土棱柱体法;(4)碱碳酸盐反应快速试验方法。
由南京工业大学完成的“九五”科技攻关成果之一。由于其具有快速、简便和与岩相法等检验结果比较吻合等特点,已被RILEM(国际材料与建筑构造试验联合会)列为标准AAR5:TheUltra-acceleratedConcreteMicrobarTest
(超快小混凝土柱法[2])。发展ACR快速方法是科学研究
原材料
试验用集料取自四川,为钻孔芯样。A、B两孔由表
及里钻取约150m深,经地质鉴定为三叠系中统雷口坡
(泥质)白云质灰岩和(泥灰岩,其岩性包含层状灰岩、
质)灰质白云岩等十余种。其中A孔按由上至下分为
A1～A12共12组样品,B孔分为B1～B10共10组样
的需要,更是混凝土工程建设的需要。世界各国已建立的ACR检测方法均存在试验周期长,有的方法还存在试验条件难以控制等缺陷。但是,对于任何方法,特别是对混凝土耐久性具有重要影响的集料碱活性试验方法的建立,除了需要可靠的理论基础外,方法的广泛适应性、结果的可靠性和试验结果的可重复性是方法得以发展和应用的必要条件。本文对各种方法进行了对比试验,以说明快速法的可靠性。
目前,国内外用于鉴定集料碱碳酸盐反应活性的主
[4]
要方法有:ASTMC295岩相法[3]、C586岩石圆柱体法
品。对比样品为非碱活性的南京白云岩。测长法试验所用水泥为江南-小野田水泥公司出产的4215波特兰水泥,碱含量为0150%(Na2Oeq.),试验所要求的水泥碱含量用化学纯的KOH溶液调节。养护溶液用化学纯NaOH配制到需要的浓度。
2211
试验结果及讨论
集料的矿物组成与岩相结构
通过对集料化学组成的分析,可计算出集料中白云
石和酸不溶物的含量。集料中白云石的存在及其存在方式是发生碱碳酸盐反应的必要条件。经化学组成的分析,A、B两孔样品的白云石含量分别为7.77%～50114%和9198%～35133%;酸不溶物分别为9162%～22117%和12146%～54%。一般认为,当碳酸盐集料中白云石含量为6%～90%(或更高),且集料含有一定量的粘土时,集料便可能具有潜在的碱碳酸盐反应活性[8]。本试验采用的样品组成均处于ACR活性的可疑范围。
样品中的MgO有时是以高镁方解石形式存在的,
SiO2可以以石英形式存在,也可以与Fe2O3和Al2O3等固
和CSAA2314-14A
[5]
(即加拿大标准,我国水电标准与
此相同)混凝土棱柱体法等。这些方法均有各自的优缺点[6～7],同时也是目前主要使用的方法。
1111
试验方法及原材料试验方法
本文采用下述四种试验方法对碳酸盐集料的碱活
性进行了试验,并对其结果进行了比较分析。
(1)ASTMC295岩相法;(2)ASTMC586岩石圆柱体法;
基金项目:973国家重点基础研究基金项目。
溶于粘土矿物中。对它们的存在形式可以通过X-射线
11
2003年第6期混凝土与水泥制品
表1全部试验样品岩相法鉴定的初步结果
编号
A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11
总第134期
衍射分析来进行判断。图1为部分样品的X-射线衍射图谱。由图可见:除B8外,样品中既存在数量不等的白云石,同时也含有一定量的石英。白云石的存在为ACR提供了可能,而有些存在形式的石英则可能导致碱硅酸反应
(ASR)。经CECS48:93[9]和NFP18-588-1991
[10]
检验结果
条带泥晶白云质灰岩,条带状构造
微晶白云质灰岩,白云石存在于条带中泥晶灰岩,条带含少量10μm～25μm白云石含微晶灰岩,分散有200μm～30μm白云石泥晶中含10μm～30μm白云石微晶灰岩方解石局部结晶局部方解石结晶少量10μm～20μm白云石分散含白云石微晶灰岩,鸟眼构造含白云石微晶灰岩,微层理构造泥晶灰岩,条带中有少量白云石
编号
A12B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10
检验结果
泥质微晶白云质灰岩,白云石为10μm～20μm微晶灰岩,少数方解石结晶并见生物化石不等粒方解石为主体,局部重结晶少量10μm～20μm白云石存在于细晶方解石中生物碎屑灰岩,方解石局部结晶
含白云石微晶灰岩,方解石局部重结晶少量10μm～20μm白云石分散在泥晶基质中10μm～30μm白云石分散在泥晶中,砾屑灰岩生物碎屑微晶灰岩,未显见白云石含白云石微晶灰岩
微晶灰岩,有少量泥质条带,局部重结晶
方法检验,这些样品均未
发生明显的碱硅酸反应膨胀。
岩相分析是集料碱活性鉴定的重
要手段之一,通过岩相观察可以确证集料中疑是活性组
A2
QC
CD
CCD
C:方解石Q:石英D:白云石C
柱体法是目前世界上广为接受的方法。尽管这些方法还存在诸多问题,如岩石柱体法不能反映集料在混凝土中受限条件下的膨胀行为,混凝土棱柱体法试验条件难于控制,在长期养护中因试件中碱的溶出导致检测到的膨胀率偏小等问题,特别是这些方法最快也需要84d之后才能获得结果,不能满足工程的需要。而且许多研究已证明,某些集料的岩石柱在84d内并不能达到碱活性的膨胀指标,可是在后期却产生了相当大的膨胀,这类集料在工程上是不能放心使用的。本文结合实际工程集料的研究,除进行快速法试验外,还进行了岩石柱体法和混凝土棱柱体法的试验。
表2为将集料切割为10mm×10mm×40mm左右的岩石棱柱体在1mol/LNaOH溶液中浸泡时各龄期的岩石柱膨胀率。22组样品中,有10组样品产生了大于标准规定的0110%的膨胀。结合岩相分析,说明这些试验样品具有碱碳酸盐反应活性,试样的膨胀超标率为45145%。
混凝土棱柱体法是目前国际上认为最有说服力的方法之一。因样品数量较多,本试验将前述若干组样品进行了适当组合,组合原则为A、B两孔中深度差不多或岩性相近的样品。水泥的碱含量通过KOH溶液调整为
1125%(Na2Oeq.),为了避免试验过程中碱的溶出,每一试
A9
CD
CQ
CD
C:方解石
Q:石英D:白云石CC
C
C
θ2θ2
B6
C
CQ
C:方解石
DQ:石英
D:白云石CCCD
B8
C
CC
Q
C:方解石
Q:石英C
C
C
θ2
θ2
图1部分样品的X-射线衍射图谱
分的存在形式和分散状态。一般认为,当碳酸盐集料中
5μm～70μm的白云石晶体若分散在泥晶或细晶基质中
时,这样的集料就可能具有ACR活性。图2是部分样品的岩相照片,从照片可见,所选择样品含有数量和大小不等的白云石晶体,且大多数白云石晶体很细小,只能在较高倍数的条件下才可分辨。且有相当数量的白云石呈半自形甚至他形晶体,白云石晶体所在区域主要为泥晶或细晶基质。据此可以初步判定这些样品具备ACR的可能性。全部试验样品岩相法判断结果汇总于表1中。
21221211
碱活性测长对比试验结果及讨论
岩石柱体法和混凝土棱柱体法试验结果及讨论碱碳酸盐反应检测方法中,岩石柱体法和混凝土棱
件均适量洒水并用塑料膜包裹,以保证养护的湿度和减少碱的析出。每次测长试验后对出现塑料膜破损的试件进行加层包裹。结果如图3所示。由图3可见,除对比样
表2岩石柱体法试验结果
样品
编号
A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11
岩石柱最大膨胀率/%
56d-0.0130.1850.1160.0490.0530.0210.0340.2920.0240.0440.052
84d-0.0210.3520.1820.1940.1070.0700.0060.3940.0240.0900.107
110d-0.0210.3890.2250.2310.1660.0950.0060.4440.0310.0960.128
样品编号
A12B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10
岩石柱最大膨胀率/%
56d0.1040.0030.0160.2070.0110.0130.1130.0500.0030.0150.015
84d0.242-0.0060.0320.2110.0170.0080.3660.1230.0030.0280.015
110d0.280-0.0110.0410.2620.0250.0050.5130.1460.0030.0400.026
A3A12
B7B9
图2部分样品的典型岩相图
12
兰祥辉,许仲梓,邓
0.150.12%/率胀膨
0.090.060.030.00-0.03
40
敏,等碱碳酸盐反应活性快速试验方法的比较研究
代表性是值得商榷的,而快速法样品的制备可以通过多种样品的破碎、筛分、缩分等步骤,其代表性便大大增加,从而使得试验结果比岩石柱体法更具代表性。
快速法试验结果与混凝土棱柱体法比较可以发现,在混凝土棱柱体法中膨胀率小一点的HL2和HL3样品组合中,HL2包含的A3和B4在快速法中的膨胀率也表
对比试样
HL1(A2,A3,B1,B2)HL2(A5,A6,B4,B5)HL3(A4,B3)HL4(A7,B6)
HL5(A8,A9,B7,B8)HL6(A10,A11,B9)
80
120时间/d
160200
现出较低的膨胀;而组成HL3的A5、A6、B4和B5样品中,只有A5在快速法中表现出较大的碱活性膨胀,因此它们组合的HL3混凝土棱柱体也表现出相对低的膨胀率。
将快速法、岩石柱体法和混凝土棱柱体试验结果与岩相分析比较,快速法与岩相结构之间似乎具有更好的相关性。尽管快速法与岩石柱体法和混凝土棱柱体法的试验数据有差异,但仍然可以有效地区分集料的碱碳酸盐反应活性与非活性。
3
图3混凝土棱柱体法试验结果
注:对比试样为南京非碱活性白云岩。
品外,任一组合集料的混凝土棱柱体试件均在不到一年的时间里出现了大于标准规定的0104%的膨胀。根据标准可判断试验样品具有ACR活性。因混凝土棱柱体法采用的是样品组合的方案,任何活性样品与非活性样品的组合均将导致混凝土试件的碱活性膨胀,所以尽管在岩石柱体法试验中表现出有碱活性与非碱活性的不同膨胀行为,但在混凝土棱柱体法中却表现为仅是碱活性膨胀。
21212
结论
碱碳酸盐反应快速法试验结果与岩相分析具有较
碱碳酸盐反应快速试验方法
好的相关性。快速法与岩石圆柱体法和混凝土棱柱法膨胀率试验结果相似,可以用于碳酸盐集料碱活性的测定,且具有快速、方便、可靠等特点。
参考文献
[1]兰祥辉,等1碱碳酸盐反应活性的新快速鉴定方法1南京工业大
碱碳酸盐反应快速试验方法(即超快小混凝土柱法):采用集料粒径5mm～10mm、水泥碱含量1150%、水泥与集料比1:1、水灰比013、试件尺寸40mm×40mm×
160mm的试件,在80℃、1mol/L的NaOH溶液中养护,在7d、14d、21d、28d时定期取出并测定试件的长度变化。该
学学报,2002(3),1～5
[2]HermannSommer,AAR5:TheUltra-AcceleratedConcreteMicrobarTest.RILEMTCARPCarbonateGroup
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[7]PenkalaB.,AlkaliaggregatereactivityinvestigationinPortland———Areview.Procedingsthe7Intern.Conf.onAARinConcrete,215-225,1986,Ottawa
th
th
th
法以试件的膨胀率作为判定集料碱碳酸盐反应活性的指标,当14d的膨胀率大于0110%时,则判定集料具有
ACR活性。依据该方法试验的结果列于表3,其中有13
Intern.Conf.onthe
组样品14d的膨胀率大于0110%。
对比表3与岩石柱体法的试验结果,按快速法14d膨胀率大于011%和岩石柱体法84d膨胀率大于011%为参考,在岩石柱体法中产生碱活性膨胀的A2,A3,A4,
A5,A8,A12,B3,B6,和B7在快速法中也产生了较大的
EffectsofAlkaliesinCementandConcrete.267-280,1978(PurdueUni2
(Rockcylindermethod),ASTM,AnnualBookof
膨胀,两者结论完全符合的比率为66167%。岩石芯由于岩石柱体法取样仅在岩石芯样中割取很小的柱体进行试验,相对于岩石本身的组成与结构的复杂性来说,其
表3碱碳酸盐反应快速试验方法结果
样品编号
A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11
各龄期膨胀率/%
7d0.0550.0830.0820.0690.0830.0620.0630.0740.1020.0680.050
14d0.0920.1320.1300.1110.1320.0930.0980.1190.1570.1010.069
21d0.1170.1730.1750.1300.1770.1380.1320.1590.2150.1230.088
28d0.1200.2010.2210.1800.2080.1790.1590.1820.2730.1560.099
样品编号
A12B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10
各龄期膨胀率/%
7d0.0930.0880.0650.0750.0620.0440.0750.0680.0290.0580.109
14d0.1440.1320.0890.1130.0910.0700.1180.1020.0330.0910.182
21d0.2020.1780.1750.1520.1550.0980.1700.1540.0430.1340.244
28d0.2600.2240.2460.1970.1980.1250.1940.2150.0420.1800.316
[8]HadleyDW,Alkalireactivityofcarbonaterocks—ExpansionandDedolomitization.Hwy.Res.Bd.Proc.,462-474,vol.40,1961[9]中国建筑标准化协会1CECS48-93《砂石集料碱活性的快速试
验方法》,1991
[10]NFP18-588-91,Aggregates-Dimensionalstabilitytestinalkalimedium—AcceleratedMortarMicrobarTest
收稿日期:2003-06-23
作者简介:兰祥辉(1965-),男,硕士研究生。通讯地址:南京新模范马路5号联系电话:025-3587237
13