摘要：綜述了快速砂漿棒法的發展和在部分國家或地區的應用。文獻結果表明快速砂漿棒法檢測集料堿活性具有明顯的巖石和地域局限性，對某些種類的變質巖和火成巖可能夸大其危害性，同時可能低估某些碳酸鹽、花崗巖、片麻巖和硅質砂巖集料的堿活性。和混凝土棱柱體法膨脹結果相比，快速砂漿棒法膨脹結果不能反映集料在混凝土中的膨脹水平，不宜用于集料活性程度的判定。試驗結果表明，采用能夠保持巖石原有結構構造特征顆粒尺寸的中國快速砂漿棒法可以比現有快速砂漿棒法更好地預測集料在混凝土中的膨脹水平，特別是對快速砂漿棒法易于誤判的集料類型。
關鍵詞：堿-集料反應；堿-硅酸反應；快速砂漿棒法；混凝土棱柱體法
1 前言
在工程建設之初正確鑒定集料的堿活性是采取合理措施預防混凝土堿集料反應（AAR）破壞的關鍵。評價特定混凝土集料的堿活性最可靠的辦法是考察使用該集料的現有混凝土工程。然而，由于堿集料反應通常在工程服役多年以后發生，通過考察混凝土工程評價集料堿活性僅能獲得過去工程中常用集料的信息。對于水工建筑，如大壩，由于混凝土方量大，常就地開采使用集料，很難發現和確定原來使用的料場。另一方面，因使用特定集料的早期工程數量有限，很難確定不同因素（水泥堿含量、水泥用量、養護方法、濕度、凍融、干濕循環、海水、化冰鹽等）對AAR的影響。工程建設和調查時期集料源也會發生變化。這些因素限制了通過考察實際工程評價集料堿活性的適用性。對近年來才發現和確證AAR事例、工程規模和建設速度高速發展的我國，通過考察實際工程評價集料堿活性的實用性更為有限。實際工程建設中通常只能通過實驗室方法確定集料堿活性。
現有檢驗集料堿活性的實驗室方法有巖相法、化學法、各種砂漿棒法和混凝土棱柱體法等[1]。巖相鑒定結果對其后選擇合適的檢測方法有重要指導作用，一直作為集料堿活性鑒定的首選方法。但巖相法對操作者的技術和經驗要求較高且得不到活性組分含量與膨脹率的定量關系，判定結果通常只能作為參考而不能作為拒絕集料的依據。化學法由于誤差很大，重復性差，僅能適用于某些特定類型的集料，而且和其它快速法相比并無明顯優越性，加拿大標準協會（CSA-Canadian Standard Association）和國際材料與建筑構造研究試驗所聯合會（RILEM- Reunion Internationale de laboratories d’Essais et de Recherches sur les Materiaux et les Constructions, Paris）已取消了化學法。和化學法相比，各種砂漿棒法和混凝土棱柱體法以測量試體膨脹為依據，結果直觀，是實驗室使用最廣泛的集料堿活性檢測方法。其中國外大量研究結果表明混凝土棱柱體法（CPT- Concrete Prism Test），即ASTM C1293， CSA A23.2-14A和RILEM AAR03，和現場混凝土結果最為吻合，被認為是最可靠的集料堿活性檢測方法。但由于CPT耗時長（需要1年）不能滿足大多數情況下的工程需要，常作為檢驗快速法的基準和用于集料堿活性的最終判定。
各種測量砂漿膨脹為基礎的快速方法中以快速砂漿棒法（AMBT-Accelerated Mortar Bar Test）在國際上的應用最為廣泛。我國水工和交通部門近年來也開始使用該方法[2，3]。我國由于歷史原因長期形成的“行業”隔離，缺少負責或協調研究和制定標準的統一組織和機構，早期采用的堿活性檢測方法，如砂漿長度法和化學法（ASTM C227和ASTM C289），大多原樣引用國外方法，總體上缺少對所引用方法的系統研究和評價。而且，對國內外研究和工程實踐中的成果和經驗，在我國標準中不能及時采納和更新，某些國外普遍認為存在嚴重缺陷的方法仍在我國使用，如砂漿長度法和化學法，這種多種行業標準或方法共存和更新滯后，常常在工程中引起矛盾結果讓使用者無所適從。本文以混凝土棱柱體法結果為依據，討論快速砂漿棒法在世界范圍內的應用情況，并針對AMBT局限性提出了改進措施，以期對我國工程實踐中正確認識方法的局限性、選擇和使用各種集料堿活性檢測方法有所裨益。
2 快速砂漿棒法（AMBT）的提出及發展
AMBT是基于傳統ASTM C227，又稱南非法（NBRI法）[4]。ASTM C227方法的主要問題是試驗周期長，時間上不能滿足大多數情況下的工程需要；集料適應性差，僅適用于一些高活性、快膨脹的巖石和礦物，如組成在流紋巖到安山巖之間的蛋白石質材料和風化變質玻璃體的微晶質材料，對慢膨脹的集料如片麻巖、片（頁）巖、雜（硬）砂巖、灰巖、泥質板巖和偏火山巖等則廣泛存在漏判錯判實例。為克服ASTM C227的局限性，各國研究者圍繞快速、可靠、方便、可重復性好等目標對ASTM C227方法進行研究改進，以高溫高堿條件下的AAR為基礎發展了許多快速方法，AMBT是影響較大的快速方法。
AMBT采用的水泥、集料級配、灰砂比、試體尺寸和ASTM C227試樣制備程序完全相同，只是采用了完全不同的養護制度。即采用五級配集料，配比如表1所示。水泥為高堿波特蘭水泥（>0.6%Na2Oeq.），灰砂比（C/S）為1：2.25。流動度為105mm～120mm。試體尺寸25mm×25mm×285mm。 用試體在80℃的1M NaOH溶液中14d 的膨脹值作為評定集料潛在活性的依據。 
該方法首次被Oberhoster 和 Davies 提出后，加拿大[5]率先進行了系統研究，美國[6]澳大利亞[7]等國也進行了大量實驗驗證和研究工作。加拿大是遭受AAR破壞最嚴重的國家之一，主要原因是早期集料堿活性檢測方法不可靠，導致大量活性集料在各種工程中大量使用，特別是水電工程和交通設施。為建立可靠的集料堿活性檢測方法，加拿大標準協會組織成立了堿集料反應分會協調堿集料反應研究工作。從上世紀80年代中期至90年代中期的十年間，政府先后撥款1000多萬加元用于AAR檢測方法的研究和標準制訂。AMBT是當時篩選的主要快速方法。加拿大先后組織多個實驗室聯合驗證，研究結果與工程記錄的對比表明，方法對硅質集料尤其是慢膨脹的硅質集料與工程使用記錄具有很好的一致性，當時被認為是最精確可靠的，可以代替存在嚴重缺陷的ASTM C227，于1994年同時被訂為美國材料測試協會和加拿大標準協會標準，標準號分別為ASTM C1260[8]和CSA A23.2-25A[9]。
由于各國或地區鑒定集料堿活性方法很多且不盡相同，總部設在法國巴黎的RILEM 1988年成立了一個專門研究AAR和制定相應標準的技術委員會，RILEM Technical Committee 106， 現名為“RILEM Technical Committee TC ARP， Alkali reactivity & Prevention, Assessment, Specification & Diagnosis”，致力于研究和建立國際普遍認可的快速、可靠的集料堿活性檢測和預防評估方法。該委員會由英國科學家P.J. Nixon和I.Sims領導，有眾多國家的專家參加，目前會員近60名，我們也是成員之一。該委員會通過國際實驗室多年共同反復驗證現已形成一整套方法。其中AMBT也是推薦方法之一（RILEM AAR-2）, 用于集料ASR活性的快速篩選，但同時允許采用不同的試體尺寸[10]。近年來我國電力和交通部門也將快速砂漿棒法列為標準[2,3]。
根據各自的實踐不同地區規定的AMBT判據有些差異。在研究和制定過程中，標準的判據確定始終是一個有爭議的問題。HOOTON發現幾乎所有引起安省現場混凝土ASR破壞的活性集料14天膨脹值大于0.1%， 但也發現安省西南礫石中的燧石顆粒14天膨脹0.17-0.18%，卻具有良好現場記錄[11]。硅質灰巖在該方法中的膨脹行為和判據也很復雜，一方面，有些硅質灰巖AMBT膨脹大于0.1%但混凝土棱柱體膨脹小于0.04%，另一方面，許多產于圣勞倫斯低地的硅質灰巖AMBT膨脹小于0.15%但CPT膨脹大于0.04%[12]。 Grattan-Bellew[13]建議不同類型的集料采用不同的判據，如硅質灰巖0.1%，灰巖和泥質灰巖0.2%，其它集料0.15%。
目前，ASTM C1260和RILEM AAR-2規定14天膨脹率<0.1%為非活性，膨脹率>0.20% 為活性，膨脹率在0.1%～0.20%為潛在活性。CSA A23.2-25A則根據集料巖石類型確定判據。灰巖集料14天膨脹小于0.1%為非活性，其它集料則以14天膨脹0.15%作為活性與否的判據。同時規定該方法可以接受膨脹率小于0.1%的集料，但不能作為拒絕集料的根據，即僅能用于快速篩選集料。該方法結果可疑時，應用混凝土棱柱體法進一步鑒定。
對研究和使用過程中發現的AMBT誤判的集料，標準中也以注釋形式指出，如某些14天膨脹小于0.1%的灰巖、花崗巖、花崗閃長巖、片麻巖及某些層位的POTSDAM砂巖，卻引起了現場混凝土破壞。
值得強調的是，各國在采用AMBT之前，大都進行了大量的驗證甚至組織多個實驗室聯合驗證。特別是加拿大還多次召開研討會組織國內外專家對各種檢測方法進行培訓和指導，并及時反饋研究和實踐結果，確保方法程序的正確和結果精確、穩定。AMBT中從集料樣品制備、試體成型到高溫、高堿養護測量，環節眾多，國外的經驗表明這些環節均會不同程度地影響膨脹結果。為減少系統誤差和突發因素（如斷電、溶液蒸發等）對試驗結果的影響及進行不同實驗室結果的有效對比，除嚴格規定各環節的操作規程外，如采用相同規格的養護容器、保證溶液和試體比例，嚴格控制養護溫度等，還規定必須使用標準集料進行平行試驗。這種做法也被RILEM采用。目前國際上采用的標準集料是產自加拿大的SPRATT高活性硅質灰巖。國外的這些經驗和做法值得我國在研究、制定和應用集料堿活性檢測方法時借鑒。
3 快速砂漿棒法在各地的實踐
3.1 北美地區（加拿大和美國）
總的來說，AMBT和ASTM C227相比，在北美具有良好的使用記錄和集料適應性。除少數集料，如POTSDAM 砂巖和某些硅質灰巖外，可以正確預測絕大多數集料在混凝土中的膨脹性，但在實踐中也逐漸暴露一些問題。DeMerchant等[14]采用巖相法、AMBT和CPT測試的新不倫斯瑞克省23個集料礦源結果表明，以CPT 1年膨脹0.04%為依據，有50%的集料被AMBT誤判，其中46%的非活性集料被判為活性集料，漏判了4%集料的堿活性(圖1)，漏判集料的巖石類型為泥質灰巖、片麻巖和花崗巖。表明對該地區的集料AMBT結果和CPT結果相關性很差，對相當一部分集料偏嚴格。CPT被認為是判斷該地區集料活性的最可靠方法。AMBT的高膨脹可能與該地區的地質特點和集料類型有關。新不倫斯瑞克省位于東北-西南延伸的阿帕拉契亞地層，主要的巖石類型為變質的沉積巖、少數花崗侵出巖及反映巖床巖石類型的天然礫石，其中主要的活性巖石為雜砂巖、片巖和細粒火山巖。AMBT中呈高膨脹的非活性巖石（根據CPT結果）主要是變質的沉積巖。
加拿大能源與礦物技術中心（CANMET）自1991年以來聯合多家工業企業對來自加拿大、美國、挪威、澳大利亞、韓國等多國集料采用混凝土棱柱體法、快速砂漿棒法和室外暴露試驗等多種方法進行了堿集料反應試驗方法對比研究。部分集料CPT和AMBT實驗結果如圖2[15]。表明對大多數集料（42/53），AMBT能夠判斷出是否具有堿活性，但同時誤判相當多集料的堿活性（11/53）。其中夸大了三種集料的在混凝土中的膨脹性，有8種活性集料在AMBT中14天膨脹值小于加拿大標準限值0.15%。漏判的8種集料中有灰巖、白云巖和硅質砂巖。
Marie[16]采用AMBT和CPT對102種不同來源的集料進行了研究，這些集料包括組成上從高純灰巖和白云巖到含有燧石、頁巖、石英顆粒等雜質的各種碳酸鹽集料、多種沉積巖和火成巖集料。研究結果（圖3）同樣顯示，集料在圖3中A、B、C、D 四個區域均有分布切分布彌散。其中，對17種火成巖和變質巖、14種沉積巖AMBT和CPT一致性較好，組要分布在圖中B、C兩區。但對相當一部分碳酸鹽集料AMBT不能正確評價其在混凝土中的膨脹性（圖4），不少集料AMBT14天膨脹0.06%-0.10%，但CPT 1年膨脹大于或遠大于0.04%。值得注意的是，即使在AMBT和CPT中結果一致的集料，在兩種方法中的膨脹值差別也很大，不同類型的巖石在AMBT和CPT中的膨脹有顯著差異，相關性很差。
美國德克薩斯大學國際集料研究中心（International center for Aggregate Research-ICAR）對部分美國和加拿大集料堿活性的研究同樣表明（圖5）[17]，有相當比例的集料在AMBT和CPT中結果不一致，并有AMBT漏判的情形。AMBT作為篩選集料的快速方法，按標準規定，AMBT膨脹小于0.1%但CPT膨脹大于0.04%的這些漏判集料可能被直接使用于工程。目前正在研究AMBT漏判的集料的巖石類型和礦物組成，試圖建立集料礦物組成和在AMBT 和CPT中膨脹行為的關系。
總之，在北美地區，發現了越來越多AMBT不能正確評估的集料類型，特別是極可能漏檢某些類型巖石的堿活性。有些部門開始根據AMBT在當地的實踐，采用不同于現有標準規定的判據，對有些集料采用21天甚至28天的膨脹數據作為判斷依據，并建議在使用AMBT 和CPT的同時一定要進行巖相檢驗，并要清楚AMBT可能漏檢的巖石類型。
3.2 歐洲RILEM的實驗結果
RILEM混凝土堿集料反應技術委員會在集中世界各國該領域的專家，研究和建立國際廣泛認可的堿集料反應系列標準時，也采用快速砂漿棒法（RILEM AAR02）和CPT對歐洲多個國家選送的數十種集料進行了測試[18]。結果表明，以14天膨脹0.1%為限，AMBT可以篩選出大部分的活性集料，同時夸大部分非活性集料的膨脹性。但和CPT膨脹結果的對比顯示（圖6），集料在不同區域均有分布，表明集料在兩種方法中的膨脹結果同樣沒有明顯相關性。 
3.3 亞洲地區
AMBT在亞洲不少國家或地區采用，但應用遠不及北美廣泛。近來的少數報道也表明，AMBT仍存在上述問題。 LEE[19]對臺灣地區22種不同地質來源集料的研究顯示（圖7），某些變質巖，如石英巖、片巖，在AMBT中膨脹很大，和CPT相比，現行AMBT判據偏嚴，建議灰色區限值由現在的0.1%-0.2%提高至0.2%-0.4%，即小于0.2%為非活性，大于0.4%為活性。
日本Hironobu等[20]采用AMBT和化學法及日本砂漿棒法（類似ASTM C227，40×40×160mm試體）的對比研究表明AMBT膨脹與巖石類型密切相關，且受試體尺寸和水泥堿含量影響。AMBT結果對某些日本集料偏嚴，一些非活性集料在AMBT中被判為有害集料。
伊朗 Farzad[21]等采用巖相法、AMBT改進的CPT對該國Saymarch大壩擬用的20種天然粗、細集料的研究表明，粗細集料中含有相當比例的活性組分，在CPT中（38℃ 1M NaOH溶液）半年膨脹超過0.04%，但在AMBT中14天膨脹小于0.1%， 延長養護時間至21天，和CPT結果一致性提高。和Marie[16]的結果類似，這些CPT中高膨脹但AMBT中低膨脹的巖石主要是含有燧石或白云石雜質的灰巖。另外有報道AMBT不能正確反映新西蘭集料（特別是雜砂巖）的堿活性[22]。
盡管CPT本身雖然經過多次修訂也并非完美，如圖8所示仍可能誤判或漏判某些集料的堿活性，但可靠性遠好于AMBT，而且使用的集料尺寸和配比接近實際混凝土。因此，CPT在國際上被認為是最可靠的堿活性檢測方法。加拿大還推薦用CPT結果作為判定集料活性程度和制定預防措施的依據[24]，CPT 1年膨脹值超過0.12% 為高活性集料，0.04%-0.12%為中等活性的集料。工程上期望的理想快速方法，不僅應能夠判斷出集料是否具有堿活性，最好能夠預示集料的活性程度，即在混凝土中的膨脹水平。也就是說，快速法中的膨脹值與CPT膨脹值最好有很好的相關性。
綜合世界各國的實踐經驗，AMBT可以成功篩選出大部分集料的堿活性，但也有很大局限性，有相當一部分通過AMBT的集料在CPT中卻表現出膨脹性。按照標準規定，AMBT膨脹小于0.1%的集料可直接使用于工程，這些“異常”集料的直接使用是非常危險的。在AMBT中異常膨脹的集料（和CPT比較）同時包含AMBT偏嚴和漏判兩種情況，偏嚴的集料主要有變質巖和少數火成巖、變質沉積巖，漏判的集料主要是某些碳酸鹽集料、少數花崗巖、花崗閃長巖、片麻巖及某些層位的POTSDAM砂巖。另一方面，各地區的試驗結果都顯示集料在AMBT和CPT兩種方法中的膨脹值沒有明顯相關性，表明AMBT不能正確預測集料在混凝土中的膨脹水平。
4 AMBT局限性改進措施
針對AMBT對某些地區和一些巖石類型集料的局限性，我國在“九五”期間結合AMBT和中國壓蒸法的試驗參數，研究提出了中國快速砂漿棒法（CAMBT），即采用不同于兩種方法的40mm×40mm×160mm試體尺寸，集料粒級0.15-0.80mm，水灰比0.32，膠砂比分別為10：1、2：1和1：1，養護條件同AMBT （1M NaOH溶液）。根據對國內部分集料的試驗結果，采用與壓蒸法和南非快速砂漿棒法相同的0.1%膨脹限值，新方法可能在7d甚至更短的時間內檢驗出集料的堿硅酸反應活性。
作者采用CAMBT、AMBT對不同國家、不同巖石類型的10種集料的對比研究顯示[25]，采用單粒級細集料的CAMBT和采用五級配的AMBT相關性較好，這很可能與兩種方法中都采用了大量細顆粒集料和相同的養護條件有關。但兩者膨脹值與CPT膨脹值的相關性較差。在對比研究集料粒級對ASR膨脹影響的基礎上，采用2.5-5.0mm集料粒級的CAMBT可以比現有AMBT更好的反映集料在混凝土中的膨脹行為。圖9表明除活性極高的一種集料外（活性組分為反玻化酸性凝灰巖），集料在改進CAMBT和CPT中的膨脹相關性良好。 
進一步采用AMBT和改進CAMBT對40余種世界各地的不同地質類型集料的對比研究表明[26]（圖10、圖11），除少數活性極高的集料外，對AMBT誤判的集料和絕大多數活性集料，CAMBT膨脹值和CPT膨脹值有更好的相關性。表明采用2.5-5.0mm粒級的CAMBT不僅能夠正確判斷集料是否具有堿活性，而且可能較好地反映大多數集料在混凝土中的膨脹水平，即集料的活性程度。AMBT和采用0.15-0.80mm粒級的CAMBT膨脹值與CPT相關性差的原因可能與試體中使用的大量細顆粒有關，對某些集料、特別是AMBT漏判的某些花崗巖、片麻巖和某些硅質灰巖和硅質砂巖，過細的顆粒尺寸不能反映集料的原有巖石結構特征。采用較粗的顆粒尺寸，如2.5-5.0mm，則可以更好地代表集料原有巖石結構特征。根據試體在堿溶液中的質量變化，少數高活性集料在改進CAMBT中的低膨脹可能與高活性組分快速與堿反應生成的低粘度ASR產物向溶液中溶失有關。
集料的微觀結構特征和集料在AMBT、CAMBT等方法中膨脹性能之間的關系正在進一步研究，以期建立集料的微觀結構與堿活性快速檢測方法適應性關系。 
5 結論
集料堿活性判定結果的可靠性，依賴于對方法的正確理解和選擇。所有的實驗室檢測方法，包括CPT都是加速反應的方法，不能完全反映現場混凝土的實際情況，對集料采用多種方法進行綜合判定是最可靠的途徑。當不同方法出現相反的結果時，應該重點考慮CPT的結果。
快速砂漿棒法檢測集料堿活性具有明顯的巖石和地域局限性，對某些種類的變質巖和火成巖可能夸大其危害性，同時可能低估某些碳酸鹽、花崗巖、片麻巖和硅石砂巖集料的堿活性。和混凝土棱柱體法膨脹結果相比，快速砂漿棒法膨脹結果不能反映集料在混凝土中的膨脹水平，不宜用于集料活性程度的判定。初步試驗結果表明，采用能夠保持巖石原有結構構造特征顆粒尺寸的中國快速砂漿棒法可以比現有快速砂漿棒法更好地預測集料在混凝土中的膨脹水平，特別是對快速砂漿棒法易于誤判的集料類型。
