劉晨霞 計 濤 陳改新 紀國晉 馬曉旭

(1.中國水利水電科學研究院水利部水工程材料重點實驗室，北京 100038；2.北京科海利工程技術有限公司，北京 100038）

0 引言

堿-骨 料 反 應（Alkali Aggregate Reaction，AAR）［1］導致混凝土開裂、破壞，嚴重影響混凝土的耐久性。自發(fā)現堿-骨料反應以來，世界很多國家和地區(qū)都發(fā)生了堿-骨料反應引起的工程破壞［2］。我國也發(fā)現了不少工程和建筑是由于AAR而導致的破壞［3］，損失重大。

凍融、滲漏溶蝕、堿-骨料反應是混凝土耐久性的三大影響因素，AAR是比較重要的一大影響因素［2］，混凝土骨料的堿活性評價，是混凝土料源選擇的依據和判斷骨料質量優(yōu)劣的重要指標之一。近年來有學者研究發(fā)現某些碳酸鹽骨料中同時含有堿-硅酸和堿-碳酸鹽活性組分，存在潛在堿-碳酸鹽和堿-硅酸雙重反應［3］。堿-骨料反應非常復雜，單一的檢驗方法容易導致對骨料的堿活性的誤判，骨料的堿活性需要多種方法相互驗證，從而進行綜合判定［4-6］。

雞灣水庫位于河南省盧氏縣徐家灣鄉(xiāng)，控制流域面積約3 596 km2，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長度219 m，壩高73.6 m，規(guī)劃水庫總庫容7 830萬m3，水庫防洪標準采用100年一遇設計，骨料質量的優(yōu)劣直接關系到混凝土的耐久性和工程的安全運行。鑒于此，本研究對河南雞灣水庫擬選用的骨料樣品開展堿活性檢驗，為工程建設提供技術支撐。在河南雞灣水庫工程骨料堿活性試驗中，采用巖相法、砂漿棒快速法和碳酸鹽小巖石柱法三種方法綜合判定骨料的堿活性，以期為準確地判定骨料的堿活性提供依據。

1 材料與方法

1.1 原材料

本研究所用骨料為雞灣水庫5組河砂和6組塊石骨料樣品，砂漿棒快速法成型所需水泥采用基準水泥，配置堿溶液采用分析純NaOH試劑，具體原材料如下。

骨料：河南雞灣水庫工程擬采用的5組河砂和6組塊石骨料樣品。

水泥：基準水泥，化學分析結果見表1，水泥的堿含量為0.506%。水泥的壓蒸膨脹率為0.02%，滿足規(guī)程［7］中對水泥壓蒸膨脹率小于0.20%的要求，化學檢測結果見表1。

表1 基準水泥化學檢測結果 單位：%

化學試劑：分析純NaOH試劑。

1.2 試驗方法

依據試驗規(guī)程［7］，對河南省雞灣水庫工程骨料11組（河砂、塊石）樣品分別進行巖相分析、骨料堿活性檢驗（砂漿棒快速法）和碳酸鹽骨料堿活性檢驗（碳酸鹽小巖石柱法），通過分析三種試驗方法的結果，進行綜合對比，判定雞灣工程11組骨料的堿-骨料反應活性。

2 結果與討論

2.1 巖相法試驗結果

巖相法通過所制備的骨料薄片用偏光顯微鏡進行觀察，確定骨料樣品的礦物成分，查看具有堿-骨料反應的活性組分，對骨料的潛在堿-骨料活性反應類別進行預判。雞灣工程中的5組河砂樣品和6組塊石骨料樣品的物理性質和主要堿活性組分匯總見表2。11個骨料樣品的巖石結構和主要礦物成分如下所述。

表2 巖石物理性質及主要堿活性組分 單位：%

2.1.1 河砂-1樣品。河砂-1砂樣樣品顏色為土黃雜色，鏡下鑒定該砂樣由巖屑砂80%，石英砂7%～8%，長石砂10%～15%，少量云母、鐵質等礦物砂組成。

①巖屑砂：主要是花崗巖類和石英巖60%～65%，砂巖、粉砂巖和變質砂巖、板巖20%～25%，硅質巖5%～10%，灰?guī)r和白云巖5%～10%?；◢弾r類和石英巖，花崗巖類主要由長石、石英組成，石英巖主要由石英組成，石英平均約占總量的25%～30%，石英顆粒普遍較粗，受應力作用部分石英具波狀消光，少量石英呈細碎狀，波狀消光石英約占30%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占2%～3%，含量較少。砂巖、粉砂巖和變質砂巖、板巖，由粒度不等的石英、長石、黏土礦物和鐵質、鈣質等組成。部分石英顆粒較粗、且消光正常，少量石英顆粒細小，部分石英砂巖中可見硅質繞石英生成次生加大邊、屬微晶石英，粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的10%～15%。硅質巖，主要由硅質組成，含部分黏土質、鐵質，硅質為隱-微晶石英，其中粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的95%?；?guī)r和白云巖，分別由方解石和白云石組成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒狀，顆粒之間呈鑲嵌狀大面積分布，該類型白云石不具堿碳酸鹽活性；石英，他形粒狀，零散分布，部分白云巖中可見，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占總量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角狀-次圓狀，波狀消光石英約占10%。

③長石砂：次棱角狀-次圓狀，有不同程度的泥化、絹云母化和鐵染。

此外還有少量的云母、鐵質等礦物砂。

2.1.2 河砂-2樣品。河砂-2砂樣樣品顏色為土黃雜色，鏡下鑒定該砂樣由巖屑砂85%，石英砂7%～8%，長石砂7%～8%，少量云母、鐵質等礦物砂組成。

①巖屑砂：主要是花崗巖類和石英巖60%～65%，砂巖、粉砂巖和變質砂巖30%～35%，硅質巖2%～3%，灰?guī)r和白云巖2%～3%。花崗巖類和石英巖，花崗巖類主要由長石、石英組成，石英巖主要由石英組成，石英平均約占總量的20%～25%，石英顆粒普遍較粗，受應力作用部分石英具波狀消光，少量石英呈細碎狀，波狀消光石英約占25%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占2%～3%，含量較少。砂巖、粉砂巖和變質砂巖，由粒度不等的石英、長石、黏土礦物和鐵質、鈣質等組成。部分石英顆粒較粗、且消光正常，少量石英顆粒細小，粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的8%～10%。硅質巖，主要由硅質組成，含部分黏土質、鐵質，硅質為隱-微晶石英，其中粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的90%?；?guī)r和白云巖，分別由方解石和白云石組成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒狀，顆粒之間呈鑲嵌狀大面積分布；石英，他形粒狀，零散分布，部分顆粒中可見，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占總量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角狀-次圓狀，波狀消光石英約占10%。

③長石砂：次棱角狀-次圓狀，有不同程度的泥化、絹云母化和鐵染。

此外還有少量的云母、鐵質等礦物砂。

2.1.3 河砂-3樣品。河砂-3砂樣樣品顏色為土黃雜色，鏡下鑒定該砂樣由巖屑砂75%，石英砂7%～8%，長石砂15%～20%，少量云母、碳酸鹽、鐵質等礦物砂組成。

①巖屑砂：主要是花崗巖類和石英巖60%～65%，砂巖、粉砂巖和變質砂巖25%～30%，硅質巖8%～9%，灰?guī)r和白云巖1%～2%?；◢弾r類和石英巖，花崗巖類主要由長石、石英組成，石英巖主要由石英組成，石英平均約占總量的20%～25%，石英顆粒普遍較粗，受應力作用部分石英具波狀消光波狀消光石英約占25%，含量較少。砂巖、粉砂巖和變質砂巖，由粒度不等的石英、長石、黏土礦物和鐵質、鈣質等組成。部分石英顆粒較粗、且消光正常，少量石英顆粒細小，粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的10%～15%。硅質巖，主要由硅質組成，含部分黏土質、鐵質，硅質為隱-微晶石英，其中粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的95%?；?guī)r和白云巖，分別由方解石和白云石組成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒狀，顆粒之間呈鑲嵌狀大面積分布；石英，他形粒狀，零散分布，部分顆粒中可見，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占總量的1%，含量少。

②石英砂：次棱角狀-次圓狀，波狀消光石英約占10%。

③長石砂：次棱角狀-次圓狀，有不同程度的泥化、絹云母化和鐵染。

此外還有少量的云母、碳酸鹽、鐵質等礦物砂。

2.1.4 河砂-4樣品。河砂-4砂樣樣品顏色為土黃雜色，鏡下鑒定該砂樣由巖屑砂85%，石英砂7%～8%，長石砂7%～8%，少量云母、鐵質等礦物砂組成。

①巖屑砂：主要是花崗巖類和石英巖60%～65%，砂巖、粉砂巖和變質砂巖15%～20%，白云巖和灰?guī)r10%～15%，硅質巖7%～8%?；◢弾r類和石英巖，花崗巖類主要由長石、石英組成，石英巖主要由石英組成，石英平均約占總量的20%～25%，石英顆粒普遍較粗，受應力作用部分石英具波狀消光，少量石英呈細碎狀，波狀消光石英約占25%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占2%～3%，含量較少。砂巖、粉砂巖和變質砂巖，由粒度不等的石英、長石、黏土礦物和鐵質、鈣質等組成。部分石英顆粒較粗、且消光正常，少量石英顆粒細小，粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的8%～10%。白云巖和灰?guī)r，分別由白云石和方解石組成，含少量石英。白云石和方解石均呈他形粒狀，顆粒之間呈鑲嵌狀大面積分布；石英，他形粒狀，零散分布，部分顆粒中可見，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占總量的1%，含量少。硅質巖，主要由硅質組成，含部分黏土質、鐵質，硅質為隱-微晶石英，其中粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的95%。

②石英砂：次棱角狀-次圓狀，波狀消光石英約占10%。

③長石砂：次棱角狀-次圓狀，有不同程度的泥化、絹云母化和鐵染。

此外還有少量云母、鐵質等礦物砂。

2.1.5 河砂-5樣品。河砂-5砂樣樣品顏色為土黃雜色，鏡下鑒定該砂樣由巖屑砂80%，石英砂7%～8%，長石砂10%～15%，少量云母、碳酸鹽、鐵質等礦物砂組成。

①巖屑砂：主要是花崗巖類和石英巖75%～80%，砂巖、粉砂巖和變質砂巖15%～20%，硅質巖2%～3%，灰?guī)r和白云巖2%～3%?；◢弾r類和石英巖，花崗巖類主要由長石、石英組成，石英巖主要由石英組成，石英平均約占總量的20%～25%，石英顆粒普遍較粗，受應力作用部分石英具波狀消光，少量石英呈細碎狀，波狀消光石英約占25%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占2%～3%，含量較少。砂巖、粉砂巖和變質砂巖，由粒度不等的石英、長石、黏土礦物和鐵質、鈣質等組成。部分石英顆粒較粗、且消光正常，少量石英顆粒細小，粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的10%～15%。硅質巖，主要由硅質組成，含部分黏土質、鐵質，硅質為隱-微晶石英，其中粒徑＜0.05 mm的隱-微晶石英約占總量的95%。白云巖和灰?guī)r，分別由白云石和方解石組成，含少量石英。白云石和方解石均呈他形粒狀，顆粒之間呈鑲嵌狀大面積分布；石英，他形粒狀，零散分布，部分顆粒中可見，粒徑＜0.05 mm的微晶石英約占總量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角狀-次圓狀，波狀消光石英約占10%。

③長石砂：次棱角狀-次圓狀，有不同程度的泥化、絹云母化和鐵染。

此外還有少量的云母、碳酸鹽、鐵質等礦物砂。

2.1.6 塊石-1樣品。塊石-1巖樣樣品顏色為肉色，鏡下鑒定該塊石巖性為石英大理巖。礦物成分為方解石75%，石英15%～20%，白云石7%～8%，少量云母、鐵質。方解石為他形粒狀，彼此呈鑲嵌狀大面積分布；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.02～0.12 mm，大部分白云石集合體呈斑塊狀分布方解石之間，少量白云石零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占2%～3%，含量少，不具堿碳酸鹽活性；石英，他形粒狀，粒徑0.02～0.54 mm，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占25%～30%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英20%；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布；鐵質，微粒狀，零散分布。

2.1.7 塊石-2樣品。塊石-2巖樣樣品顏色為灰色，鏡下鑒定該塊石巖性為石英大理巖。礦物成分為方解石80%，石英10%～15%，白云石7%～8%，少量云母、鐵質。方解石，他形粒狀，彼此呈鑲嵌狀大面積分布；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.02～0.18 mm，零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占1%～2%，含量少，不具堿碳酸鹽活性；石英，他形粒狀，粒徑0.01～0.27 mm，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占10%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英30%；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布；鐵質，微粒狀，零散分布。

2.1.8 塊石-3樣品。塊石-3巖樣樣品顏色為肉色，鏡下鑒定該塊石巖性為石英大理巖。礦物成分為方解石80%～85%，石英10%～13%，白云石5%～7%，少量云母、鐵質。方解石，他形粒狀，彼此呈鑲嵌狀大面積分布；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.01～0.18 mm，零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占1%，含量少；石英，他形粒狀，粒徑0.01～0.25 mm，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占5%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英40%；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布；鐵質，微粒狀，零散分布。

2.1.9 塊石-4樣品。塊石-4巖樣樣品顏色為灰色，鏡下鑒定該塊石巖性為石英大理巖。礦物成分為方解石77%～80%，石英10%～15%，白云石8%～10%，少量云母、鐵質。方解石，他形粒狀，彼此呈鑲嵌狀大面積分布；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.01～0.18 mm，零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占1%～2%，含量少，不具堿碳酸鹽活性；石英，他形粒狀，粒徑0.01～0.28 mm，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占2%～3%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英40%；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布；鐵質，微粒狀，零散分布。

2.1.10 塊石-5樣品。塊石-5巖樣樣品顏色為灰色，鏡下鑒定該塊石巖性為石英大理巖。礦物成分為方解石77%～80%，石英15%～20%，白云石8%～10%，少量云母、鐵質。方解石，他形粒狀，彼此呈鑲嵌狀大面積分布；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.01～0.36 mm，零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占1%～2%，含量少；石英，他形粒狀，粒徑0.01～0.36 mm，局部較集中分布，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占2%～3%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英25%；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布；鐵質，微粒狀，零散分布。

2.1.11 塊石-6樣品。塊石-6巖樣樣品顏色為肉色，鏡下鑒定該塊石巖性為方解石英巖。礦物成分為石英75%～78%，方解石10%～12%，白云石10%～12%，云母和少量鐵質1%～2%。石英，他形粒狀，粒徑0.02～0.45 mm，部分顆粒具波狀消光，波狀消光石英約占10%，粒徑＜0.05 mm的微晶石英5%；方解石，他形粒狀，零散分布石英之間；白云石，半自形-他形粒狀，粒徑0.01～0.38 mm，零散分布，粒徑＜0.05 mm的細小菱形白云石約占1%，含量少；云母，主要為白云母，無色針狀，零散分布，長軸略具定向性；鐵質，微粒狀，零散分布。

由薄片的顯微鏡下鑒定結果可以看出，河南省雞灣水庫工程擬選用骨料中河砂和塊石樣品均含有一定量的隱-微晶石英、微晶石英和波狀消光石英，這三種組分具有潛在的堿-硅酸反應活性。6組塊石骨料樣品中除含有堿-硅酸活性組分外還含有少量的細小菱形白云石，細小菱形白云石有可能導致骨料發(fā)生堿-碳酸鹽反應。下一步需通過測長試驗方法砂漿棒快速法和碳酸鹽小巖石柱法分別進行試驗，判定骨料的堿活性。

2.2 砂漿棒快速法試驗結果

使用基準水泥，依據規(guī)程中規(guī)定的骨料各級配進行配料，成型砂漿棒試件，測試砂漿試件在80℃堿溶液中的長度變化。雞灣水庫工程骨料樣品（河砂-1～河砂-5、塊石-1～塊石-6）的堿-硅酸反應活性檢驗（砂漿棒快速法）試驗結果見圖1和圖2。

由圖1、圖2可以看出，編號為河砂-1、河砂-3、河砂-4、河砂-5和塊石-6的骨料樣品14 d砂漿膨脹率分別為0.116%、0.122%、0.123%、0.138%和0.138%，在0.1%～0.2%之間，試件觀測齡期延長至28 d，上述5組骨料樣品的28 d砂漿膨脹率分別為0.206%、0.208%、0.215%、0.232%、和0.263%，均大于0.2%評定標準。依據試驗規(guī)程，判定這5組骨料樣品均為具有潛在危害性堿-硅酸反應的活性骨料，對這些骨料在工程應用中需要采取一定的抑制措施，來保證工程安全。

圖1 砂漿棒快速法膨脹率曲線（河砂樣品）

圖2 砂漿棒快速法膨脹率曲線（塊石樣品）

編號為河砂-2和塊石-1骨料樣品28 d砂漿膨脹率分別為0.161%和0.182%，已接近0.2%，且試件14 d后膨脹率發(fā)展速率未出現收斂狀態(tài)，建議關注，工程應用中采取相應的措施對骨料的堿活性進行抑制，使工程更加安全。

編號為塊石-2、塊石-3、塊石-4和塊石-5骨料樣品的14 d砂漿膨脹率分別為0.006%、0.013%、0.031%和0.002%，試件膨脹率均小于0.1%的判據，依據試驗規(guī)程，這4組骨料樣品判定為非堿-硅酸反應活性骨料。

2.3 小巖石柱法試驗結果

從每組巖樣的大塊巖石上（邊長大于25 cm），按層理構造在同塊巖石上三個相互垂直的方向上各取一個試件，試件形狀為圓柱體，直徑9±1 mm，長35±5 mm。根據試件浸泡膨脹量判斷巖樣是否存在堿碳酸鹽反應活性。對6組巖石樣品各取3個試件，經堿液浸泡后，取其膨脹值最大的一個最終結果，其余結果舍棄。雞灣水庫工程6組塊石骨料樣品的碳酸鹽小巖石柱法試驗結果見表3和圖3。

圖3 碳酸鹽小巖石柱法膨脹率曲線

表3 雞灣水庫工程巖樣碳酸鹽小巖石柱法試驗結果

雞灣水庫工程6組塊石樣品（塊石-1、塊石-2、塊石-3、塊石-4、塊石-5和塊石-6）浸泡84d后小巖石柱試件的最大膨脹率分別為0.025%、0.013%、0.025%、0.032%、0.015%和0.025%，均小于0.10%的判據，依據試驗規(guī)程，判定雞灣水庫工程6組塊石樣品均為非堿-碳酸鹽反應活性骨料。

3 結論

①巖相法試驗結果顯示，雞灣水庫工程擬選用骨料中含有一定量的堿-硅酸和堿-碳酸鹽反應活性組分，骨料是否具有潛在堿-骨料反應需進一步通過測長試驗方法做進一步分析。

②砂漿棒快速法試驗結果表明：河砂-1、河砂-3、河砂-4、河砂-5和塊石-6的骨料樣品14 d砂漿膨脹率在0.1%～0.2%，試件觀測齡期延長至28 d，上述5組骨料樣品的28 d砂漿膨脹率均大于0.2%。判定這5組骨料樣品均為具有潛在危害性堿-硅酸反應的活性骨料，在工程應用中對這些骨料應采取必要的堿-骨料反應抑制措施，從而保證工程安全；河砂-2和塊石-1骨料樣品28 d砂漿膨脹率接近0.2%，且試件14 d后膨脹率發(fā)展速率未出現收斂狀態(tài)，需要進行關注，工程應用中應采取相應的措施進行AAR抑制，增加工程安全系數；塊石-2、塊石-3、塊石-4和塊石-5骨料樣品的28 d砂漿膨脹率均小于0.2%，判定這4組骨料樣品為非堿-硅酸反應活性骨料。

③小巖石柱法試驗結果表明，6組塊石樣品浸泡84 d后小巖石柱試件的最大膨脹率均小于0.10%，判定雞灣水庫工程6組塊石樣品均為非堿-碳酸鹽反應活性骨料。

通過以上試驗結果表明，對于骨料堿活性的準確判定，需要采用多種檢測方法相互對照分析綜合評定。