AASHTO TP 144-2021
Стандартный метод определения потенциальной щелочно-кремнеземной реакционной способности грубых заполнителей (TFHRC-TFAST)

Стандартный №

AASHTO TP 144-2021

Дата публикации

2021

Разместил

American Association of State Highway and Transportation Officials

состояние

быть заменен

быть заменен

AASHTO TP 144-2023

Последняя версия

AASHTO TP 144-2025

сфера применения

Ключевые моменты технических инноваций и внедрения стандарта AASHTO TP 144-21

Стандарт TP 144-21 «Определение потенциальной щелочно-силикатной реакционной способности крупных заполнителей (TFHRC T-FAST)», выпущенный Ассоциацией автомобильных дорог и транспортных чиновников (AASHTO) в 2021 году, знаменует собой значительный технологический прорыв в области испытаний долговечности бетона. Этот стандарт отказывается от традиционной модели испытаний на щелочно-силикатную реакцию (ЩСР), основанной на измерениях физического расширения, и впервые применяет метод чисто химического анализа, что приводит к фундаментальным изменениям в принципах испытаний, оперативных процедурах и интерпретации результатов.

---

История и технологическая эволюция стандарта

Щелочно-силикатная реакция (ЩСР), как одна из главных угроз долговечности бетона, долгое время основывалась на традиционных методах испытаний, таких как ASTM C1260 (метод с использованием растворных стержней) и ASTM C1293 (метод с использованием бетонных призм).

Эти методы, как правило, страдают от таких проблем, как длительные циклы испытаний (16-365 дней), помехи от эффектов выщелачивания щелочей и высокий процент ошибочных суждений. Стандарт TP 144-21 возник в результате инновационных исследований Исследовательского центра автомобильных дорог Тернера-Фэрбанка Федерального управления автомобильных дорог, который переосмыслил систему оценки реакционной способности ЩСР на основе **принципов химической кинетики**. Суть этой технологической эволюции заключается в переходе от **макроскопического измерения физической деформации** к **микроскопическому мониторингу химической реакции**. Традиционные методы косвенно определяют активность щелочно-силикатной реакции (ЩСР) путем измерения изменений длины образца, в то время как метод T-FAST напрямую количественно определяет количество образующихся продуктов реакции, точно характеризуя химическую активность заполнителей с помощью индекса реакции (ИР). Этот переход не только значительно сокращает время испытаний до 21 дня, но, что более важно, исключает влияние факторов окружающей среды на результаты испытаний. Научная основа метода T-FAST построена на термодинамических и кинетических характеристиках реакции ЩСР. Метод включает разделение измельченного образца крупного заполнителя (оставленного на ситах № 50 и № 100) и оксида кальция на слои в политетрафторэтиленовой (ПТФЭ) пробирке. Добавляется 1N раствор гидроксида натрия, и смесь подвергается 21-дневной изотермической реакции в герметичной среде. После реакции концентрации ионов кремния, кальция и алюминия в фильтрате определяются с помощью спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП), а индекс реакции рассчитывается по формуле RI = [Si]/(2[Ca] + [Al]). Инновационные характеристики этого метода отражены в четырех измерениях:

Измерения инноваций	Технические особенности	Сравнение с традиционными методами	Технические преимущества
Принцип испытания	Количественный анализ химических продуктов	Косвенное измерение физического расширения	Прямо отражает степень химической реакции
Испытательная среда	Герметичная система трубок из ПТФЭ	Открытая или полуоткрытая среда	Устранение помех от щелочного выщелачивания
Тестовый цикл	Стандартизированный 21-дневный процесс	16-365 дней	Повышение эффективности на 76%-94%
Определение результатов	Четырехфакторная матрица индексов реакции	Определение порога однократного расширения	Многомерная оценка активности

Герметичная конструкция пробирки является ключевым нововведением метода. Химическая инертность материала ПТФЭ гарантирует, что реакционная система не подвергается воздействию контейнера, а полностью герметичная среда предотвращает потерю ионов щелочных металлов, что является основной причиной занижения результатов в традиционных методах. Параллельные испытания в четырех различных условиях (содержание оксида кальция 0,13-0,34 г, температура 55-80℃) позволили построить матрицу оценки реакционной активности, повысив тем самым научность и надежность определения.

---

Сравнительный анализ стандартных рамок

Стандарт TP 144-21 существенно отличается от существующих основных стандартов испытаний ASR с точки зрения технической структуры. Эти различия напрямую влияют на точность, эффективность и применимость испытаний.

365 дней 56 дней Требования к образцам Крупный заполнитель Дробленые образцы Образцы раствора Образцы бетона Микробетон Образцы

Стандартные размеры для сравнения	AASHTO TP 144-21 (T-FAST)	ASTM C1260 (метод с использованием арматурных стержней)	ASTM C1293 (метод с использованием бетонных призм)	ASTM C1280 (метод с использованием миниатюрных бетонных призм)
Принцип испытания	Количественный анализ химических продуктов	Измерение расширения арматурных стержней	Измерение расширения бетонных призм	Измерение расширения миниатюрных бетонных призм
Цикл испытаний	21 день	16 дней	Скорость расширения за 14 дней ≥ 0,10% указывает на потенциальную активность	Скорость расширения за 1 год ≥ 0,04% указывает на потенциальную активность	Определение порогового значения скорости расширения за 56 дней
Технические преимущества	Прямое химическое измерение, отсутствие выщелачивания щелочами, быстрое	Относительно простая эксплуатация, обширные исторические данные	Наиболее близко к фактическим условиям эксплуатации	Малый размер образца, меньше материала потребление

С точки зрения технологической эволюции, стандарт TP 144-21 решает три основные проблемы традиционных методов: во-первых, методы химического анализа исключают вариативность в подготовке образцов и процессах отверждения; во-вторых, герметичная среда преодолевает проблему выщелачивания щелочей при высокотемпературных ускоренных испытаниях; наконец, многоусловная матрица испытаний обеспечивает более точную классификацию активности. Особенно для идентификации **медленно реагирующих агрегатов** и **граничных агрегатов** традиционные методы часто приводят к ошибкам, в то время как T-FAST может различать их более точно благодаря четырехусловному режиму реакции.

---

Основные технические требования к оборудованию и реагентам

Успешная реализация стандарта зависит от контроля качества конкретного оборудования и реагентов; Эти требования отражают точность и профессионализм метода.

Основные технические требования к оборудованию

Оборудование для измельчения должно быть оснащено пластинами из карбида вольфрама или другими незагрязняющими измельчающими поверхностями, чтобы предотвратить разрушение керамических измельчающих пластин и загрязнение образца. Образец необходимо измельчить до размера частиц, который может удерживаться на ситах № 50 (300 мкм) и № 100 (150 мкм), с минимальными требованиями 45 г и 30 г соответственно. В процессе измельчения необходимо тщательно проводить пакетную обработку, чтобы избежать перекрестного загрязнения.

Пробирки из ПТФЭ (емкостью 90 мл) являются основными контейнерами реакционной системы.

Стандарт особо подчеркивает недопустимость использования стеклянных пробирок, поскольку диоксид кремния в стекле может влиять на результаты. Также рекомендуется использовать крышки из ПТФЭ; Другие пластиковые крышки, например, полиэтиленовые, могут трескаться во время экспериментов из-за различий в коэффициентах теплового расширения и их трудно снять после высокотемпературного старения, если они заклеены лентой. Аналитический прибор должен быть способен точно количественно определять содержание кремния, кальция и алюминия в водных растворах. Стандарт рекомендует использовать спектрометр с индуктивно связанной плазмой (ICP), технология, которая была успешно апробирована. Также могут быть рассмотрены рентгенофлуоресцентная спектроскопия (XRF) или атомно-абсорбционная спектроскопия (AA), но эти методы еще не были полностью оценены. Прибор должен быть оснащен автосамплером, и калибровка с использованием соответствующих стандартов требуется до и после каждой партии анализа. Требования к чистоте и обращению с реагентами: Оксид кальция (CaO) должен быть реактивной чистоты >99,93%, и необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы минимизировать карбонизацию во время хранения. Гидроксид натрия (NaOH) также должен быть реактивной чистоты >95%. Деионизированную воду (16 МΩ·см) необходимо кипятить в течение 10 минут для удаления диоксида углерода. После кипячения следует свести к минимуму контакт с воздухом, чтобы избежать поглощения диоксида углерода. Меры предосторожности: как оксид кальция, так и гидроксид натрия могут вызывать ожоги кожи и глаз. Во время работы необходимо носить защитные очки и целые латексные перчатки без игл. Перед использованием следует ознакомиться с паспортом безопасности (SDS) производителя. Процедура испытания и рабочие точки: Стандартизированная процедура метода T-FAST включает пять этапов: подготовка образца, создание реакционной системы, изотермическая реакция, анализ раствора и расчет результатов. Каждый этап имеет строгие рабочие процедуры. Этап подготовки образца: Сначала необходимо получить репрезентативный образец крупного заполнителя массой 600 г, отобранный в соответствии со стандартами R 90 или ASTM D75 и приведенный к стандарту R 76 (ASTM C702). Оставшаяся на сите с размером ячейки 19,0 мм (3/4 дюйма) фракция измельчалась по отдельности до размера ячейки сита 12,5 мм (1/2 дюйма), по 1-2 частицы за раз, после чего измельченная фракция смешивалась с оставшимся образцом. Такое предварительное измельчение предотвращает повреждение дробильных пластин при использовании щековой дробилки. Образец измельчался партиями с помощью дробилки до тех пор, пока не было получено достаточное количество материала, остающегося на ситах № 50 и № 100. Перед обработкой новых образцов небольшое количество образца, оставшегося на сите 12,5 мм, измельчалось и удалялось для минимизации перекрестного загрязнения. После сбора достаточного количества материала на ситах каждая фракция промывалась достаточным количеством деионизированной воды для удаления мелкого порошка, образовавшегося в процессе измельчения. Образцы сушились до постоянной массы при температуре 110 ± 3 °C (230 ± 9 °F) в соответствии со стандартами I-2SS и хранились в чистых герметичных контейнерах. Настройка реакционной системы. Реакционная способность агрегата определялась путем тестирования в четырех различных условиях, как показано в таблице 1. Для каждого условия было подготовлено не менее трех повторений, поэтому для оценки одного агрегата требовалось не менее 12 пробирок.

Номер состояния	Содержание оксида кальция (г)	Температура (°C)	Научная значимость
Состояние 1	0.13	55	Низкая реакционная способность окружающей среды по отношению к кальцию
Состояние 2	0.25	55	Средняя реакционная способность окружающей среды по отношению к кальцию
Состояние 3	0.34	55	Высокое содержание кальция в окружающей среде Реакционная способность
Условие 4	0,25	80	Высокая температура ускоряет реакционную способность

При подготовке пробирок для условия 1 взвесьте три порции оксида кальция по 0,13 г и поместите их в три пробирки из ПТФЭ. Взвесьте три порции заполнителя массой 3,123 г ± 0,003 г с сита № 50 и 1,875 г ± 0,002 г с сита № 100, тщательно перемешайте их шпателем и перенесите в пробирки, содержащие оксид кальция. Смесь следует поместить поверх оксида кальция; будьте осторожны, не встряхивайте пробирки. Агрегатная смесь должна покрывать оксид кальция на дне пробирки, но не должна смешиваться с оксидом кальция.

Осторожно добавьте 23 мл 1N раствора гидроксида натрия, избегая перемешивания твердого вещества на дне. Не встряхивайте пробирки и закройте их крышками. Конечное распределение показано на рисунке 3: оксид кальция на дне, крупный агрегат посередине и раствор гидроксида натрия сверху.

Изотермическая реакция и последующая обработка

Поместите пробирки из ПТФЭ вертикально в печь при температуре 55±2,5℃ (131,0±3,6℉) на 21 день, сохраняя их в вертикальном положении и не перемешивая.

Пробирки для условия 4 помещают в печь при температуре 80±2℃ (176,0±3,6℉) на 21 день.

Через 21 день пробирки извлекают и охлаждают до комнатной температуры в течение 20±5 минут. Немедленно открывают пробирки и тщательно гомогенизируют содержимое каждой пробирки шпателем. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать разбрызгивания во время гомогенизации. При тестировании некоторых умеренно и высокореактивных агрегатов твердые частицы могут слипаться из-за осаждения продуктов ASR, что может затруднить гомогенизацию. Потеря материала из-за разбрызгивания повлияет на результаты анализа.

Содержимое каждой пробирки фильтруют вакуумным фильтром из стеклянной микрофибры (размер пор менее 0,7 мкм).

Как можно скорее перелейте фильтрат в пробирки из ПТФЭ с соответствующими маркировками и плотно закройте крышкой, чтобы предотвратить карбонизацию.

---

Расчет результатов и определение класса

Проанализируйте концентрации кремния, кальция и алюминия в фильтрате (обозначенные как [Si], [Ca], [Al] в уравнении) с использованием выбранного аналитического метода в течение 2 часов. Единица измерения — миллимоли на литр (мМ). Определение результатов осуществляется в соответствии со строгим логическим процессом и критериями оценки.

Логика определения

Сначала проверьте среднюю концентрацию кремния в трех растворах фильтрата в условии 4. Если <1 мМ, крупный агрегат классифицируется как «нереактивный». Если >1 мМ, индекс реакционной способности (ИР) каждого фильтрата во всех четырех условиях (таблица 1) рассчитывается по формуле ИР = [Si]/(2[Ca] + [Al]).

Затем определяется щелочно-силикатная реакционная способность крупного заполнителя в соответствии с критериями классификации, приведенными в таблице 2. Система классификации включает пять уровней: нереактивный, медленнореактивный, умереннореактивный, высокореактивный и чрезвычайно высокореактивный.

Определение основано на комбинации значений RI в четырех условиях, а не на одном пороговом значении.

Описание реакционной способности заполнителя	Требования для условий 1-3	Требования для условия 4	Инженерное значение
Нереактивный	Три условия RI<0,45	RI<2	Можно использовать непосредственно в бетоне, не требуется никаких замедляющих мер
Медленная реактивность	Одно условие 0,45	2	Низкий риск, рекомендуется долгосрочный мониторинг
Умеренная реактивность	По меньшей мере два условия 0,45	2	Необходимы меры замедления, такие как добавление минеральных добавок
Высокая реактивность	По меньшей мере одно условие RI>2	100	Высокий риск, необходимы строгие меры замедления или следует избегать использования
Чрезвычайно высокая реактивность	По меньшей мере одно условие RI>2	RI>1000	Запрещено использование в важных инженерных проектах структуры

Случаи обработки граничных агрегатов

Стандарт иллюстрирует процесс принятия решений, необходимый для определения реакционной способности агрегата на основе рассчитанного среднего значения RI для каждого условия, на примере двух практических случаев. Выбраны два разных примера: «медленно реагирующий» агрегат и так называемый граничный агрегат.

Последний является примером агрегатов, результаты которых находятся между двумя уровнями реакционной способности агрегатов в таблице 2.

Случай 1: Образец агрегата CA-1 - Средняя концентрация кремния в трех фильтрационных растворах условия 4 составляла 47,44 мМ, что выше порогового значения 1 мМ, поэтому значение RI было рассчитано для каждого фильтрационного раствора во всех четырех условиях. Средние значения RI для каждого условия суммированы в таблице 3. Три средних значения RI для условий 1, 2 и 3 превышают 0,45, но ниже 2, что соответствует первому критерию для группы «умеренной реактивности». Среднее значение RI для условия 4 находится в диапазоне от 2 до 100, что также соответствует критерию для группы «умеренной реактивности». Следовательно, крупный заполнитель в образце CA-1 обозначен как «умеренно реактивный».

Случай 2: Образец заполнителя CA-2 - Средняя концентрация кремния в трех фильтрационных растворах условия 4 составляла 36,03 мМ, что выше порогового значения 1 мМ, поэтому значение RI было рассчитано для каждого фильтрационного раствора во всех четырех условиях. Соответствующие средние значения RI приведены в таблице 3. В данном случае все три средних значения RI для условий 1, 2 и 3 меньше 0,45, что соответствует критериям для «нереактивной» группы. Однако среднее значение для условия 4 находится в диапазоне от 2 до 100, что позволяет отнести агрегат к «медленно реактивной» группе. Таким образом, образец крупнозернистого заполнителя CA-2 был отнесен к граничному агрегату и обозначен как «нереактивный/медленнореактивный».

Идентификатор агрегата	Средний показатель реактивности для условия 1	Средний показатель реактивности для условия 2	Средний показатель реактивности для условия 3	Средний показатель реактивности для условия 4	Описание реактивности агрегата
CA-1	0.92	0.66	0.47	29.20	Умеренная реактивность
CA-2	0.35	0.27	0.40	6.97	Нереактивный/Медленнореактивный

---

Рекомендации по внедрению в лаборатории и контролю качества

Успешное внедрение стандарта TP 144-21 требует создания полной системы управления качеством, охватывающей множество аспектов, таких как обучение персонала, калибровка оборудования, контроль процессов и проверка данных.

Развитие потенциала лаборатории

В стандарте четко указано, что качество результатов, полученных в соответствии с этим стандартом, зависит от компетентности персонала, выполняющего процедуры, а также от возможностей калибровки и технического обслуживания используемого оборудования. Организации, соответствующие стандарту R 18, как правило, считаются способными проводить квалифицированные и объективные испытания. Документ R 18 «Создание и внедрение системы управления качеством для лабораторий по испытанию строительных материалов» должен служить основополагающим документом для наращивания потенциала лаборатории.

Лаборатории необходимо создать специализированную зону для проведения испытаний T-FAST, оборудованную отдельными зонами подготовки образцов, проведения реакций и анализа. Обучение персонала должно включать: правила работы с химическими веществами, навыки использования прецизионных приборов, а также навыки анализа данных и интерпретации результатов. Рекомендуется внедрить систему сертификации персонала, чтобы гарантировать полное понимание операторами принципов метода и технических деталей.

Калибровка и техническое обслуживание оборудования

Дробильное оборудование требует регулярного осмотра износа дробильной поверхности. Пластины из карбида вольфрама следует незамедлительно заменять при значительном износе. Дробильную камеру необходимо очищать до и после каждого испытания, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение. Аналитические весы требуют ежедневной калибровки с чувствительностью 0,001 г. Равномерность и стабильность температуры печи необходимо проверять ежемесячно. Равномерность температуры печи при 55℃ должна контролироваться в пределах ±2,5℃, а печи при 80℃ — в пределах ±2℃.

ICP-спектрометр Калибровка имеет решающее значение для точности данных. Калибровка с использованием соответствующих аналитических стандартов кремния, кальция и алюминия необходима до и после каждой аналитической партии. Рекомендуется построить многоконцентрационные калибровочные кривые, охватывающие ожидаемый диапазон концентраций. Работоспособность прибора необходимо проверять путем регулярной работы со стандартными эталонными материалами (SRM).

Контроль качества процесса

Внедрите внутренние процедуры контроля качества, включая: включение контрольных образцов с известной реакционной способностью в каждую партию испытаний; проведение повторных испытаний для оценки точности; и проведение регулярных межлабораторных сравнений. Стандарт напоминает пользователям, что соответствие только стандарту R 18 не гарантирует полной надежности результатов. Надежные результаты зависят от многих факторов, и следование рекомендациям R 18 или аналогичным приемлемым руководствам обеспечивает метод оценки и контроля некоторых из этих факторов.

Особое внимание следует уделять проверке герметичности пробирок. При использовании крышек, не содержащих ПТФЭ, для обеспечения надлежащей герметизации следует использовать пипеточную ленту, но рекомендуется использовать крышки из ПТФЭ, поскольку пипеточную ленту трудно удалить после этапа выдержки в печи.

Необходимо также обеспечить устойчивость вертикально расположенных пробирок, чтобы избежать помех во время испытаний.

---

Перспективы применения стандарта и технические ограничения

Публикация стандарта TP 144-21 предоставляет инновационный технический инструмент для оценки долговечности бетона, но его широкое применение все еще требует учета реальных инженерных потребностей и интеграции с существующими техническими системами.

Технические преимущества и ценность применения

Основные преимущества метода T-FAST отражены в трех аспектах: **Значительно повышенная эффективность испытаний:** 21-дневный цикл испытаний обеспечивает значительное преимущество во времени по сравнению с 16-365 днями традиционных методов; **Повышенная точность результатов:** Прямое химическое измерение исключает различные факторы помех при физических измерениях; **Более усовершенствованная система классификации:** Пятиуровневая классификация и специальная обработка граничных заполнителей обеспечивают более научную основу для принятия инженерных решений.

В инженерных приложениях этот метод особенно подходит для: быстрой проверки заполнителей в крупных инженерных проектах; проверочных испытаний, когда результаты традиционных методов вызывают сомнения; оценки эффективности мер замедления щелочно-силикатной реакции; и мониторинга стабильности качества исходного заполнителя. Он также имеет широкие перспективы применения в таких областях, как исследования совместимости с минеральными добавками.

Технические ограничения и перспективы развития

В настоящее время стандарт не устанавливает требования к точности и отклонениям, что необходимо улучшить за счет более широких межлабораторных сравнительных исследований. Метод требует от лабораторий высоких возможностей химического анализа, особенно в части эксплуатации и обслуживания спектрометров ICP, что требует наличия квалифицированных специалистов.

Контроль чистоты реагентов и стандартизация пробоподготовки также напрямую влияют на результаты испытаний. Будущее технологическое развитие может быть сосредоточено на: создании более полной системы стандартных материалов; разработке упрощенных методов испытаний для быстрой проверки на месте; Сочетание с численными моделями для прогнозирования долгосрочного развития щелочно-силикатной реакции (ЩСР); и расширение до оценки мелких и смешанных заполнителей. Исследования методом рамановской спектроскопии, упомянутые в стандартных источниках (Balachandran et al., 2017, 2020), демонстрируют потенциал интеграции нескольких технологий. В инженерной практике рекомендуется сочетать метод T-FAST с традиционными методами для формирования многоуровневой системы оценки ЩСР. Для важных проектов T-FAST может использоваться для предварительного скрининга с последующей долгосрочной проверкой с использованием метода бетонных призм. Эта комбинированная стратегия может повысить эффективность, обеспечивая при этом безопасность проекта. Резюме и перспективы. Стандарт AASHTO TP 144-21 представляет собой значительный шаг вперед в технологии испытаний на ЩСР, а его методологические инновации в химической основе предоставляют новый научный инструмент для оценки долговечности бетона. Используя 21-дневные реакции в герметичных пробирках и рассчитывая индекс реакции, метод преодолевает ряд технических узких мест традиционных испытаний, обеспечивая быструю, точную и усовершенствованную оценку реакционной способности заполнителей. Для успешной реализации стандарта лабораториям необходимо создать комплексную систему управления качеством, обеспечивающую соответствие квалификации персонала, производительности оборудования и контроля технологических процессов требованиям. Ожидается, что с накоплением опыта применения и расширением данных метод T-FAST станет одной из основных технологий оценки щелочно-силикатной реакции, обеспечивая более надежную техническую поддержку для обеспечения долговечности инфраструктуры. Инженеры-техники должны в полной мере понимать технические принципы и особенности применения метода и применять его надлежащим образом в соответствии со специфическими инженерными потребностями. Они также должны уделять внимание развитию стандарта, активно участвовать в проверке и совершенствовании метода, а также совместно продвигать развитие технологий испытаний на долговечность бетона.

AASHTO TP 144-2021 Ссылочный документ

• AASHTO R 76 Уменьшение выборки заполнителя до размера тестирования*， 2023-01-01 Обновление
• AASHTO R 90 Стандартная практика отбора проб совокупных продуктов*， 2022-01-01 Обновление
• ASTM C1260 Стандартный метод определения потенциальной щелочной реакции заполнителей (метод строительного бруска)
• ASTM C1293 Стандартный метод испытаний для определения изменения длины бетона вследствие щелочно-кремнеземной реакции
• ASTM C702 Стандартная практика уменьшения выборки заполнителя до контрольного размера
• ASTM E11 Стандартные спецификации на проволочную ткань и сита для целей испытаний

AASHTO TP 144-2021 История

• 2025 AASHTO TP 144-2025 Стандартный метод испытания для определения потенциальной реактивности щелочь-силика агрегатов (TFHRC-TFAST)
• 2024 AASHTO TP 144-2023 Стандартный метод определения потенциальной щелочно-кремнеземной реакционной способности агрегатов (TFHRC-TFAST)
• 2021 AASHTO TP 144-2021 Стандартный метод определения потенциальной щелочно-кремнеземной реакционной способности грубых заполнителей (TFHRC-TFAST)

стандарты и спецификации